伺服技术在卷烟机烟支重量控制系统中的应用

李建勋，乔 敬，李 勇

（河南中烟工业有限责任公司 驻马店卷烟厂，河南 驻马店 463000）

伺服技术在卷烟机烟支重量控制系统中的应用

李建勋，乔 敬，李 勇

（河南中烟工业有限责任公司 驻马店卷烟厂，河南 驻马店 463000）

目前主流卷接机组烟支重量控制系统的执行部分均采用 110 V普通单相电机，存在着重量控制精度偏低、维修费用较高的问题．通过技术创新和改造，在ZJ15XG型机组上构建了由伺服系统、微型PLC组成的控制系统，有效地解决了原系统存在的问题，一台机组每年可节约费用近5万元．

伺服控制；重量控制；平准器

1 烟支重量控制系统的工作原理及存在的问题

1.1 烟支重量控制系统的工作原理

近代卷接机组的烟支重量控制系统都是由烟支密度检测器、工业控制计算机、平准器、升降控制电机等组成．平准器上升时，劈刀对烟丝束的切削量增大，烟支重量减小，反之烟支重量将增大．工控机根据检测到的烟丝密度大小输出控制脉冲，驱动一单相电机带动平准器的升降来实现烟支重量的控制．烟支重量控制系统如图1所示．

图1 烟支重量控制系统的组成

1.2 现有烟支重量控制系统存在的问题

目前在用的MOLINS和PROTOS系列主流机型，均通过单相交流电机来驱动平准器的升降，由于单相电机转速高，扭矩小，不能直接驱动相对沉重的平准器，所以制造厂家又叠加了一组齿轮箱以增加输出扭矩．齿轮箱在增大电机扭矩的同时，由于多个齿轮工作间隙的存在而放大了传动误差，输出与输入相比在时间上和位移上都存在滞后现象．实验表明：系统在向电机发出一个控制脉冲后，必须等待 100～300 ms后才能发出下一个控制脉冲，以确保平准器升降机构进入稳定状态；当加在电机上的重量调整控制脉冲宽度小于100 ms时，齿轮箱输出端没有动作．另外，电机转子的转动惯量较大，因此在正反转切换时还需要延时，这也制约了系统的响应速度．

齿轮箱内的尼龙齿轮组，在电机的频繁正反转切换中磨损较快，从而传动精度和控制精度越来越低，当传动部分出现较大响应死区时，烟支重量变异系数增大，从而不能满足生产工艺要求，不得不更换齿轮组．这一电机总成的换件周期约为6个月，每台进口电机总成的价格约2.6万元，维修费用很高．

2 利用伺服技术控制平准器升降的改造方案

2.1 伺服控制系统的特点

伺服控制系统由伺服控制器和伺服电机构成，伺服电机的转子是永磁体．伺服控制器将其输出的三相交流电加载到电机定子绕组，形成旋转磁场，转子在此磁场的作用下转动．伺服电机自带的编码器将电机转子的位置信号和速度信号反馈给伺服控制器，二者构成了一个很完善的闭环控制系统．在这种自动控制系统中，伺服系统用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出．

伺服系统的控制精度取决于编码器的分辨率（线数），而采用增量型编码器时分辨率一般可以达到131 072 ppr，因此伺服电机的控制精度非常高，被誉为电子齿轮．伺服电机调速范围宽，响应快，可以频繁地进行正反向转动切换，且具有恒转矩特性，带负载能力强（能够直接驱动负载），也不需要减速机构．此外，伺服系统为通用电器件，价格较低（只有专用件的1/3），性能稳定可靠，免维护，使用寿命长．

根据伺服系统的上述特点，我们决定先在一台改造型ZJ15XG机组上进行试验，即用伺服系统替代单相交流电机作驱动，以提高烟支重量控制精度和系统响应速度，降低维修费用．

2.2 系统改造方案及工作原理

与一般的单相电机相比，伺服电机的控制要复杂一些．一般单相电机的正反转控制，可简单地由主控PLC发出的两个指令信号来实现．伺服电机的正反转控制，不仅需要给伺服控制器加使能信号，而且要给伺服控制器的正反转控制端子加组合信号．因此，实现伺服电机的正反转控制，需要把主控PLC输出的正反转指令信号转换成伺服控制器需要的组合信号．

2.2.1 机械传动结构

考虑到输出扭矩、体积等方面的要求，我们选用了日本安川公司生产的SGDH-04AE型伺服控制器和SGMAH-04AAA61型伺服电机．系统的机械传动结构如图2所示．由于伺服电机的轴直径和安装尺寸与原单相电机不同，我们制作了配套的联轴器，把伺服电机的扭矩转变为平准器升降的动力．为了便于调整和维修，伺服控制器安装在控制面板后面的电柜中，微型PLC安装在卷烟机主电柜中．

图2 改造后系统的机械传动结构示意图

2.2.2 电气控制原理及控制流程

改造后的系统控制流程见图3，电气联接见图4．设备启动后，电机 M4运行，M4接触器的辅助触点K4接通，伺服控制器40端得到0 V的使能电压信号，伺服控制器处于准备运行状态．当主控PLC发出正转指令时，Q1246输出24 V电压，微型PLC的I1端输入为高电平，Q1导通，伺服控制器的45脚电位被置0，伺服控制器驱动伺服电机正转；当主控PLC发出反转指令时，Q1247输出24 V电压，微型PLC的I2端输入为高电平，Q1和Q2同时导通，伺服控制器的41和45脚电位置0，伺服电机反转．

图3 改造后系统的控制流程框图

图4 伺服控制器和信号转换控制器接线图

3 应用效果

实验表明，系统经改造后，有效地消除了原来的迟滞现象，在接收宽度10 ms间隔50 ms的控制脉冲时仍然可以稳定、连续地控制平准器的升降动作，控制精度得到大幅度提高．首台机组改造后已连续稳定运行近1年，没有发生过任何故障，预计设备其他部分报废前平准器系统都可正常工作．该技术改造项目已应用于驻马店卷烟厂的7台卷接机组上，项目总投资约6万元，每年可节约电机等购置费用34万元，按大修周期8年计算，累计总共可节约备件投资282万元．更重要的是，由于控制精度的提高，使得烟支重量均匀稳定，既降低了烟丝消耗，也提高了产品质量．

[1] 田永杰，范培学．卷烟生产技术工人培训教材[G]．

[2] 西门子公司．LOGO小型PLC说明书[K]．

[3] 李礼．交流伺服系统在 ZJ15卷接机组中的应用[J]．烟草科技，2003(4)：16―17．

[4] 汤旭晶，江志凌，胡业伟，等．PROTOS 70卷接机组主电机交流伺服系统改造[J]．烟草科技，2005(8)：19―20．

TS43

A

1006-5261(2011)02-0018-02

2011-03-13

李建勋（1968―），男，河南上蔡人，工程师．

〔责任编辑 张继金〕