-
-
-
jiang_0514 | 当前状态：在线
总积分：2005 2024年可用积分：0
注册时间： 2008-10-15
最后登录时间： 2023-04-25
-
-
Lenze 9300系列AC伺服驱动系统应用一例
jiang_0514 发表于 2009/4/7 20:42:26 1253 查看 2 回复 [上一主题] [下一主题]
手机阅读
1 引言
纤维滤棒成型机是制造卷烟过滤嘴必不可少的设备之一。它所生产的滤棒经切割处理后成为符合要求的香烟过滤嘴。烟嘴质量的好坏直接影响到香烟的口感和对烟气中有害物质的过滤。近年来，随着卷烟生产技术的不断发展，特别是卷烟生产自动化水平和生产管理信息化水平的不断提高，各烟厂对滤棒质量和滤棒生产设备的性能提出了更新、更高、更严格的要求。
2 技术改造
2.1 技术改造方案的提出
按照工艺要求，制造滤棒的原料-纤维丝束在成型以前必须经开松辊开松，并按照质量要求添加增塑剂。机组原型如图1所示：辊轮A为前张紧辊，辊轮B为后张紧辊。运行时，这组辊轮会产生相对速度差，从而产生不同的张紧效果。机组借此对输入丝束进行张紧处理，调节它们之间的速比可以生产出不同要求的滤棒。辊轮C为输出辊，主要用于提供丝束前进的动力；辊轮D为一组变速箱，用于喷洒增塑剂，调节其速比，可以控制单位长度内滤棒内增塑剂的含量。在原先的机组中，这些动作由主电机带动齿轮组件来实现传动，依靠无级变速箱进行调速。这套机械传动存在一定的不足，例如：无级变速箱存在漏油问题，机械传动系统在工作过程中产生的噪音和震动较大，温度较高，机械传动件长期工作易磨损等。
按照工艺要求，制造滤棒的原料-纤维丝束在成型以前必须经开松辊开松，并按照质量要求添加增塑剂。机组原型如图1所示：辊轮A为前张紧辊，辊轮B为后张紧辊。运行时，这组辊轮会产生相对速度差，从而产生不同的张紧效果。机组借此对输入丝束进行张紧处理，调节它们之间的速比可以生产出不同要求的滤棒。辊轮C为输出辊，主要用于提供丝束前进的动力；辊轮D为一组变速箱，用于喷洒增塑剂，调节其速比，可以控制单位长度内滤棒内增塑剂的含量。在原先的机组中，这些动作由主电机带动齿轮组件来实现传动，依靠无级变速箱进行调速。这套机械传动存在一定的不足，例如：无级变速箱存在漏油问题，机械传动系统在工作过程中产生的噪音和震动较大，温度较高，机械传动件长期工作易磨损等。
针对上述问题，笔者设计采用伺服系统代替原有机械传动的方案，用伺服电机直接带动辊子和增塑剂喷洒装置, 变原有的链传动和无级变速箱为伺服电子轴和电子齿轮。
2.2 技术改造的硬件部分
本伺服系统的硬件部分选用德国伦茨（Lenze）公司的9300系列交流伺服系统，包括：
(1) 五台伺服电机 一台电机取代原来的主电机。三台电机作为从动电机，分别带动两个开松辊和一个输送辊，依靠电子齿轮与主机实现同步联动。一台配备减速机带动增塑剂泵，其转速与主机有严格比例关系。
(2) 五个伺服控制器 分别对应控制五台电机。
(3) 一个制动斩波器 对电压进行斩波处理，实现电机制动控制。
(4) 两个制动电阻 用于消耗制动过程中产生的能量。
(5) 五个滤波器 用于消除电机输入电压的高次谐波，去除电磁干扰，起稳定电压效果。
(6) PROFIBUS-DP总线及通讯端口一套 用于伺服控制器和上位PLC间的通讯。
(7) 主电机与从动电机的速度同步采用Lenze公司9300交流伺服控制器特有的数频级联控制（如图2所示），速度比例可通过比例系数来调节，简单可靠，又不会增加PLC的编程量。
2.3 技术改造的软件部分
本伺服系统采用Lenze公司的Global Drive Control(GDC)控制软件，通过CAN-BUS总线，对伺服控制器进行读写操作，并完成各项参数的设定以及功能块的连接，同时还可以进行现场监控，使操作者随时了解电机当前的运转状况。
3 信号控制流程
本系统依靠PROFIBUS-DP总线完成伺服控制器之间以及伺服控制器与上位PLC之间的通讯。PLC与伺服控制器之间通过参数通道和过程通道相互传递数据信息。参数通道的特点是可以传送64位的长数据，但其传送速度比较低，一般在10ms级；而过程通道传送速度比较快，其速度一般在1ms级，但是只能传输16位的数据。
(1) 主电机的信号流程如图3所示，由于主电机的车速信号需要经常改变，对其传输速度有要求，所以该信号由PLC过程通道给出。
该信号由DP总线传入控制器后，经过一个可定义的斜坡环节，如果输入速度信号不变，则该函数不起作用；一旦速度信号发生改变，则原速度信号按照这个斜坡爬升或下降到给定转速，本系统主电机的上下坡时间由PLC给出。由于时间信号比较大，而且是直接写到控制器的内部参数中，所以该信号通过参数通道传送。
如果机组在运行中发生故障，PLC收到故障信号，通过过程通道发送急停命令，要求伺服电机紧急停车。由于发生了故障，为了避免损失要求机组能够以最快的速度停车，PLC原来给出的下坡时间可能过大，所以控制器将选择较小的下坡时间来停车。当急停信号给出的同时，速度信号将通过选通输入另一个斜坡（选通信号也由PLC给出），这个斜坡的下降时间是事先设定的0.5秒，专门用于停车。
速度信号经过斜坡函数后，经过反相、上升、限幅等环节的处理后，得到比较稳定准确的信号，然后该信号进入速度控制环节。为了得到较好的调速效果，本伺服系统采用旋转变压器的反馈方式进行速度控制。旋转变压器信号反馈至控制器后，经过增益等处理后，转变为转速信号，这时该信号描述的是当前实际转速。笔者将它与给定速度信号形成负反馈进行比较，产生的差值经过处理形成加速度信号传送到下个环节。如果两者之间差值为零，则说明当前转速与给定值相同，于是电机输出转矩等于当前负载力矩，速度保持不变。如果两者产生正差值，则说明实际转速小于给定转速，控制器将差值转换为加速度信号，使电机产生正向大于负载力矩的转矩，使电机逐渐加速，同时继续比较给定值和实际值之间的差值，直到两者相等（两者差值为负，情况相同）。
然后，将信号值送到PWM环节中，由控制器调节施加在电机上的电压频率值来达到调速的目的。同时读取旋转变压器的信号，经过转换后通过过程通道传回给PLC。
(2) 从动电机的信号流程如图3所示，主电机的给定速度信号通过Lenze的双绞式屏蔽电缆（数频线）差分传送到从动电机的控制器中。该电缆传送数据有如下特点：9针D型插座，输出频率0～500kHz，每路电流负载最大20mA，具有极性相反的5V双路信号及零位信号。
随后该信号进入一个比例计算环节，在该环节中，伺服控制器把该信号乘以速比因子，得出从动电机的转速。从动电机的转速也需要经常调节，所以笔者依靠调节该比例因子来改变转速。该比例因子的分母为事先设定的10 000，而分子由上位PLC利用过程通道给出。
根据伺服控制器的功能，电机控制过程中可以选择不同的控制环节来达到不同的工艺要求，如：速度控制环，相位控制环，转矩控制环等。通常伺服系统中都会应用到速度控制环，该环节就是前面提到的利用速度的实际值与给定值做比较，得出的差值做反馈补偿。如图4所示，图中1为给定转速信号，2为使用速度控制的实际转速信号，这种控制能够使实际速度较稳定的在给定值附近漂移，由于这类波动是非常微小的，所以认为速度控制环节能够使电机达到给定转速。
考虑到工艺要求，笔者发现仅仅使用速度控制环节是不能达到精确同步的。虽然速度环节能够使电机按给定值旋转，但是将速度信号经过积分后，发现电机转过的相位与给定值的差随时间逐渐增大。这样会导致开松辊走过的位移逐渐大于机组位移，生产出开松程度不均匀的滤棒。于是笔者考虑在使用速度环的同时，加入相位控制环节，将实际相位与给定值比较后得出差值来反馈。
然后将信号值送到PWM环节中，由伺服控制器调节施加在电机上的电压值来达到调速的目的。同时读取旋转变压器的信号，经过转换后通过过程通道传回给PLC。同时使用了速度控制和相位控制后，电机的速度和位移能够时刻跟随给定值，由此可以达到工艺要求。
4 剔除量的计算
盘纸是指生产滤棒的原材料之一的纸带。它是以盘卷的形式安装到机组相应进料口，由于纸带被卷成盘装，所以被称之为盘纸或纸圈。
接纸是指在滤棒的生产过程中，要对两卷的盘纸进行相互之间的拼接。当一卷使用中的盘纸直径缩小到250mm时，机组会提示人员安装新纸圈并将原纸圈旋转到拼接位置。当旧纸圈再次缩小到拼接直径时，加速系统开始绕转新纸圈，使其达到与设定速度一样的速度。当新、旧纸圈绕转速度相同时，接纸部件动作，将新纸圈拼接到旧纸圈上。
按照工艺要求，新旧纸带交接处的滤棒为不合格滤棒，应该于剔除口剔除，为了确保剔除成功，机组将与拼接处前后剔除6支滤棒，而从拼接口前3支处到剔除口有一定的位移（现定为31支），为了提高计算精度，本次设计依靠Lenze伺服系统内部的运算功能直接计算剔除的位移和剔除量。
其具体算法如图5所示，PHI1功能块是一个可定义的积分器，将输入端IN的速度信号积分后转化为位移信号输出，RESET置1则输出端清零，当PLC接收到接纸信号，通过过程通道发送位控信号1到RESET处，于是输出端开始计算位移。而PHICMP1将实际位移和预设位移（就是剔除口到拼接口前3支位移）做比较，当输入值大于设定值，则输出1到FLIP模块CLK口。再由FLIP送1到PLC，PLC接收此信号后开始剔除动作。而另外设定一路相同的流程，将实际位移和预设位移（就是剔除位移加剔除口到拼接口前3支位移）比较，当前者大于后者，送1到FLIP的CLR，再由FLIP送0到PLC，PLC接收此信号后结束剔除动作。
5 机组运转
在完成了所有装配工作后，进行了机组空车试运转。在去除原来繁杂的机械部件后，车面变得简洁宽敞、运转过程中噪音和震动大大降低、机组的平稳性有了大大的改善、电机能够严格按照工艺要求运转。在调速过程中，伺服电机能够很快的响应上位信号做出相应动作，较硬的机械特性和平滑柔顺的变速大大提高了机组的性能。在收到故障停车信号后，电机在带负载情况下能够按要求短时间停车，不仅很大程度减少了原材料的浪费，而且大大提高了安全性。接纸拼接后的剔除位移计算相当精准，能够确保废滤棒被剔除。
6 结语
从调试结果看，本次设计是比较成功的。伺服系统的应用保留了原先机组的优点，改进了其不足之处，提高了机组的性能。本次改进后的机组不仅可以作为新产品打开市场，也为以后的同类机组升级改造打下了基础，提供参考。
本机组上还有些电机和机械动作直接依靠PLC控制，希望不久的将来能够将此类部件纳入伺服系统的控制中，使整个机组达到高度同步运转，以便更好的提高机组性能。
