变频伺服技术在卷装袋生产线改造中的应用

变频伺服技术在卷装袋生产线改造中的应用

陈小兵

(江门市新会成人中等专业学校，广东 江门 529100)

摘要：对卷装袋生产线控制电路进行详细的研究分析，采用伺服系统对制袋机送膜驱动和热封驱动进行改造，用变频器对印刷驱动电路进行升级。改造后机器运行更加可靠，故障率更低，维护更方便。

关键词：伺服系统；直流驱动；变频器

收稿日期：2015-05-19

作者简介：陈小兵(1970—)，男，广东新会人，电子电工讲师，研究方向：电气自动化控制。

0引言

卷装袋生产线是生产塑料袋的专用设备，是20世纪90年代自德国、丹麦等国进口的相当先进的设备。但随着使用年限的增加，各种控制电路和驱动电路都有老化的迹象，性能下降，从而导致机器出现跳闸、速度不稳等软故障，维修起来十分困难，而且维修效果也不理想。因此，笔者决定采用伺服系统和变频系统对设备进行改造。

1卷装袋生产线设备的组成和工作原理

如图1所示，卷装机由放卷机、印刷机、角撑机、制袋机、收卷机等几部分组成。

图1　卷装生产线结构图

放卷机正常工作时，薄膜由前面的印刷机牵引，浮动辊在薄膜拉力作用下上浮，装在浮动辊轴端的电位器在齿轮传动机构的带动下一起转动，使膜卷稳定开卷送到印刷机进行印刷。然后送到角撑机进行折边处理。制袋单元工作原理是在人机介面输入温度、袋长、生产速度、每卷个数等参数后起动机器，PLC内部运算后将数字信号经数模转换模块转换成模拟信号传送给送膜驱动器和热封驱动器。送膜驱动电机恒速传送薄膜，热封驱动恒速传动热封单元和冲切单元，热封单元和冲切单元共用一个电机驱动，保证机器平稳运行。收卷器主要功能是收卷和换卷。

2卷装袋生产线存在的问题及改造

由上面分析可知，制袋单元、印刷单元、生产过程中负荷较重，且对电机速度的控制要求较高，决定将送膜直流驱动系统和热封直流驱动系统分别用三菱MR-J2S200和MR-J2S350伺服系统进行改造。

2.1制袋单元送膜系统的改造

送膜单元采用丹麦CONTRAVES EGB220.15D直流驱动器加直流电机及测速电机构成，组成的闭环调速系统精度比较高，因而必须采用性能比其更好的调速系统改造才能达到生产要求。经过多种牌子和型号分析计算，决定采用三菱(mitsubishi)伺服驱动器MR-J2S200A和伺服电机HC-SFS202对其进行改造。PLC控制系统由三菱CPU A2N、数字量输出模块AY82和模拟量输出模块A62DA组成，控制直流驱动系统的起动和运行速度。改造后伺服系统的接线如图2所示。

伺服变压器的电源输出用F2.1空气开关进行保护。K2.1连接于伺服驱动器报警输出端alm，当伺服驱动器报警时，断开alm输出信号，K2.1失电同时断开K1.1控制电源，伺服驱动器的三相电源被断开，防止发生安全事故和扩大故障范围。K3.1来自设备急停回路控制触点，当机器的任何一个急停开关被按下后，急停环路断开，急停继电器停止有所输出，同时急停继电器触点K3.1断开，K1.1失电断开主电源。

卷装机制袋单元运行时电机都是连续运转的，伺服驱动器的正转行程末端开关lsp和反转行程末端开关lsn用不上，因而将其对com短接。电机任何时候都只作一个方向运转，因而fwd与com接通保证任何情况下都是正方向运行。son为伺服系统起动信号，当PLC接到开机信号后，如果机器没故障并且各安全装置到位、各个单元都处于自动状态，则数字量输出模块AY82的Y82端口输出高电平，继电器K5得电吸合，伺服驱动器起动端son得电，伺服电机按给定速度稳定运行。在直流驱动器的输入端口中，有两路输入信号，一路给主速度控制，另一路为微调信号，当使用袋长控制或电眼控制时，PLC给定主信号的同时还必须给定微调信号，发生袋长变化或电眼跟踪不良时，PLC通过微调端口调整电机的速度，对速度偏差进行修正。由于三菱伺服驱动器的速度模拟给定只有一个端口，不能同时输入主速度信号和微调信号，因而采用一个模拟量加法模块2289对两路信号进行相加，结果输入驱动器。由模拟量输出模块A62DA第8、9脚输出主速度信号，13、14脚输出微调信号输入2289模块的5、6、7脚，在2289模块内部进行相加，再由1、3脚输出相加后的模拟信号经电位器R分压后进入伺服驱动器的LG和VC脚。在直流调速系统中，由于转换订单等原因出现实际袋长与设定袋长有偏差时，通过调整驱动板的最大速度电位器Nmax校正速度。改伺服系统后，为方便操作，增加了电位器R用于校准偏差速度，生产者都说方便又实用。

图2　送膜伺服系统接线图

2.2制袋单元热封系统的改造

热封系统的直流驱动部分基本与送膜部分相同，只是热封系统的功率要比送膜系统的功率大，运行时负荷重，选择MR-J2S350A和伺服电机HC-SFS352对其进行改造，热封系统的速度不用微调信号，只用一路速度信号输入就满足要求。电路如图3所示。

图3　热封伺服系统接线图

参数设定和伺服系统调试完成后，起动运行各个系统，各个动作环节都干净清脆，没有速度不稳带来的迟滞感。再看伺服驱动器显示的速度，面板显示值几乎不动，说明速度控制环节相当稳定，达到机器运转要求。

2.3印刷单元直流系统用变频器改造

印刷机采用直流驱动器TK-4和直流电机及测速电机组成，驱动电路如图4所示。

图4　印刷直流系统接线图

此类型驱动器结构简单，但性能不是很好，而且高低压没用隔离，曾经发生多次由于测速电机对地短路而引起烧坏驱动，VLT5000系列变频器为直接力矩型变频器，比一般的变频器性能更好，功能强大，变频电路如图5所示。

丹佛斯DANFUSS VLT5006变频器用三相380 V电源，F1.2用于过载和短路保护。27脚编程定义为转矩极限并停止功能，由于没使用转矩检测，此脚连接到com端，18脚为起动/停止端，当机器起动时，K4得电接通，变频器按给定速度运行。K3为手动/自动转换继电器，当机器处于手动状态时，K3得电闭合，常开触点接到R1的中心点，变频器53脚接收R1中点电压信号，R1为手动调速电位器，此时机器按R1给定速度手动运行。当机器处于自动状态时，R3失电，常闭触点接到R2的中心点，变频器53脚接收R2中点电压信号，R2浮动辊自动调速电位器，此时机器按R2给定速度自动运行，当浮动辊升高时，电位器R2的输出电压增加，电机速度加快，浮动辊在重力作用下下降，反之电机速度减慢，与变频器组成一个闭环控制系统使印刷机稳定运行。变频器01、02端子为内部报警继电器输出，当变频器发生故障或跳闸时，输出报警信号。变频器39、42为模拟信号输出端，通过参数设定输出电流信号或电压信号，或外接速度表或电流表显示对应的参数。

变频器的参数F100选择闭环速度控制，F306、F307设定为编码器输入的A、B端口，F329设定编码器的每转脉冲数，再根据表1设定好反馈参数及变频器输出的上限频率、下限频率、最大频率、加减速时间等一些基本参数后，即可通电调试。

下面是调试方法：

(1) 先用手动功能试运转变频器，从低速慢慢加速，观察变频器输出是不是从低速慢慢开始运转，如果变频器突然加速过快，就是反馈信号的相位不对，将编码器输出端A、B对调。这时变频器应能正常运转。

(2) PI参数的调整。在一般的速度控制中，用P、I参数基本可以满足控制要求，如果应用D参数，在调得不是很理想的情况下可能会引起系统振荡，因此大多数情况下将D参数设为0(不用)。通电运行后，如果系统加速过快而发生振荡，则将P值逐渐减小，反之则增大P值；如果系统快速振荡，则调大I值，反之调小I值。反复调整PI参数，直到系统稳定运行。通常情况下，将PI参数稍修改或保持系统默认值，系统都可以稳定运行。

图5　印刷变频系统接线图

功能参数功能参数F1001F4170.02F2000F4188msF2010.0HzF4190F20250HzF4205F2030F42110F4140F329500p/rF4151500F306AF2040F307BF20550

(3) 速度跟踪的调整。变频器运行参数调好后，还要调整输入信号与输出频率的增益，正常运转机器，观察浮动辊的位置，正常情况下在中点附近为宜。当偏离中点值时可通过调整F205最大给定值来调整增益，当浮动辊过高时，调小F205的值，使变频器增益增大，降低浮动辊；反之则调大F205的值。

变频器参数调整完毕后，整机试运行，机器起动和停止时，印刷机的速度都能平稳跟随制袋机运行，没发生起动过快或停止过慢等情况，说明加减速时间等参数都符合要求，机器运行稳定后，观察变频器的频率，都几乎稳定在一个频率值，印刷机浮动辊也稳定在中间位置，可见印刷机的稳速性能非常好，改造取得成功。

3结语

制袋单元和印刷单元是机器的最主要部分，袋长变化、热封不良、冲孔线走位等问题都出在制袋单元，印刷套色不准、图案不清、图案跳泡等问题都出在印刷单元。经过对制袋机和印刷机进行伺服驱动和变频改造后，机器运行稳定，袋长偏差都不会超过2 mm，制袋机生产的袋子各项指标都十分理想，印刷机的运行也十分稳定，印刷效果令人满意。改造后，由于伺服系统和变频系统都采用无刷电机，节省了维护成本。通过这个事例我们可以发现，当设备达到一定年限后就必须进行技术革新和改造，使其保持最佳状态，这样才能产生最大经济效益。