纖維濾棒成型機(jī)組是卷煙廠生產(chǎn)過濾嘴棒的設(shè)備。近年來，隨著卷煙生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，過濾嘴棒的質(zhì)量直接影響到香煙的口感和對煙氣中有害物質(zhì)的過濾，而過濾嘴棒的質(zhì)量很大一部分原因取決于設(shè)備動態(tài)及穩(wěn)定運(yùn)行，特別是卷煙生產(chǎn)自動化水平和生產(chǎn)管理信息化水平的不斷提高，各煙廠對濾棒質(zhì)量和濾棒生產(chǎn)設(shè)備的性能提出了更新、更高、更嚴(yán)格的要求。
方案的提出
沈陽市沈飛民品工業(yè)公司廠是ZL22A型濾棒成型機(jī)組的定點(diǎn)生產(chǎn)廠家之一，該設(shè)備生產(chǎn)速度為400m/min，它的主傳動采用的是直流調(diào)速(后改為交流變頻調(diào)速)，動力是靠變速箱及同步齒形帶來傳遞，開松輥的三個輥調(diào)速是靠無級變速器來實(shí)現(xiàn)的。這套機(jī)械傳動存在一定的不足。例如:無級變速箱工作過程中噪音大、漏油、溫度較高，機(jī)械傳動部件長期工作易磨損及維修困難(其中國產(chǎn)無級變速器斷軸)等。
針對上述問題，筆者采用伺服電機(jī)代替原有機(jī)械傳動的方案，去掉同步齒型帶傳動和無級變速箱，用伺服電機(jī)分別帶動輥?zhàn)雍驮鏊軇﹪姙⒀b置。
過濾嘴棒的生產(chǎn)過程中，原材料為醋酸纖維束，簡稱絲束,在成型之前需要開松，機(jī)組的開松機(jī)有一個輸送輥，兩個開松輥，為了達(dá)到開松的效果，它們跟主傳動之間有不同的傳動比，即1.05:1.45:1.1(不同絲束、不同工藝指標(biāo)有所不同)，但無論在恒速還是加減速過程中，都必須分別與主機(jī)保持固定的傳動比，即必須同步運(yùn)行，另外，絲束在運(yùn)行時，為了增加嘴棒的硬度，需對絲束進(jìn)行甘油的定量噴灑，為了保證噴灑量均勻，噴淋泵電機(jī)也必須與主傳動同步。在換紙過程中新、舊盤紙的線速度必須相同才能保證盤紙的順利拼接，即盤紙電機(jī)必須與主機(jī)同步運(yùn)行。由此組成一個同步運(yùn)行系統(tǒng)。
伺服控制器采用倫茨公司的9300ES系列，通過設(shè)定數(shù)字頻率級聯(lián)控制方式實(shí)現(xiàn)各電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速、相位同步控制，保證各輥輪都按自動/手動設(shè)定的比例進(jìn)行高精度的同步工作。伺服電機(jī)的安裝全部采用同軸聯(lián)接方式減少機(jī)械傳動誤差。
依據(jù)轉(zhuǎn)向輥和兩個開松輥同主電機(jī)之間的比例關(guān)系及電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速及負(fù)載扭矩等特性的要求，整個系統(tǒng)配置如下：
• 六臺伺服電機(jī)：一臺電機(jī)取代原來的主電機(jī)，三臺電機(jī)作為從動電機(jī)，分別帶動兩個開松輥和一個輸送輥，依靠電子齒輪與主機(jī)實(shí)現(xiàn)同步聯(lián)動，一臺配備減速機(jī)帶動甘油泵，其轉(zhuǎn)速與主機(jī)有嚴(yán)格比例關(guān)系，一臺電機(jī)用于換紙加速輥；
• 六臺伺服控制器：分別對應(yīng)控制六臺電機(jī)；
• 一臺制動斬波器：對電壓進(jìn)行斬波處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動控制；
• 兩個制動電阻：用于消耗制動過程中產(chǎn)生的能量；
• PROFIBUS-DP總線及2131通訊模板五套:用于伺服控制器和上位機(jī)PLC之間的通訊；
• 根據(jù)機(jī)組的控制要求上位機(jī)選用西門子S7-300 PLC，PLC的CPU選用具有PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線功能的CPU315-2DP模塊，實(shí)現(xiàn)與伺服控制器通訊，同時它的MPI口還可與觸摸屏通訊；
• 采用兩臺人機(jī)界面分別顯示開松機(jī)及成型機(jī)的各種信息，一臺采用西門子的TP170A，通訊形式為PROFIBUS-DP，用于顯示開松機(jī)各個輥的轉(zhuǎn)速、比例關(guān)系、線速度及甘油量。另一臺采用DIGITAI公司的GP2500S，用于顯示成型機(jī)的各種信息。
圖1 系統(tǒng)控制框圖 主電機(jī)與從動電機(jī)的速度同步采用LENZE公司伺服控制器特有的數(shù)頻級聯(lián)控制如圖1所示，主電機(jī)的自動給定速度及從動電機(jī)的比例可通過PROFIBUS-DP來調(diào)節(jié)，簡單可靠。
9300ES伺服同步控制系統(tǒng)GDC軟件簡介本伺服控制系統(tǒng)采用的是德國倫茨公司的編程調(diào)試軟件Global Drive Control，簡稱GDC。通過CAN-BUS總線，對控制器進(jìn)行讀寫操作，完成伺服電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定以及對其內(nèi)部功能塊的靈活連接，實(shí)現(xiàn)如邏輯運(yùn)算、比較等以前在PLC里完成的功能，同時還可以進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，使操作者時刻了解電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，對現(xiàn)場調(diào)試非常方便，尤其對初學(xué)者來說，上手特別容易。
信號控制流程
圖2 伺服控制信號流程圖 圖2示出伺服控制的信號流程圖。本伺服控制系統(tǒng)是通過Profibus來完成上位機(jī)PLC與伺服控制器之間的通訊的，PLC與控制器之間是通過參數(shù)通道和過程通道來相互傳遞數(shù)據(jù)信息，總線模塊(8BYTR+3WORD)參數(shù)通道可用字節(jié)為8，過程通道可用字為3，參數(shù)通道的傳送速度比較慢，而過程通道傳送速度比較快，所以將過程通道用于速度的給定、比例的調(diào)整、速度的讀出、急停等控制，而參數(shù)通道則用于參數(shù)的讀寫等。
主要功能塊的介紹• NSET 速度設(shè)定及斜坡發(fā)生器的設(shè)定模塊
主電機(jī)的速度可通過速度給定電位器加到模擬輸入端子X6，自動速度的給定則通過總線進(jìn)行連續(xù)速度控制，設(shè)定后的速度可通過內(nèi)部斜坡發(fā)生器來控制其平穩(wěn)的增減速度及啟停。
• MCTRL 電機(jī)控制模塊
它可對電機(jī)的速度和相位進(jìn)行控制，它的內(nèi)部是一個三閉環(huán)控制系統(tǒng)即速度環(huán)、相為環(huán)、電流環(huán)，可通過調(diào)節(jié)模塊中的PI參數(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)的穩(wěn)定性。
• DFSET 比例調(diào)節(jié)模塊
用于從機(jī)與主機(jī)的比例關(guān)系的設(shè)定。
9300ES系統(tǒng)伺服控制器程序介紹各電機(jī)控制曲線圖如圖3所示。
圖3 各電機(jī)的控制曲線圖 工作過程 機(jī)組的工作方式有兩種，一種是手動控制，將速度給定電位器接到模擬輸入X6端子上。另一種是自動控制，通過總線模塊AIF將工作速度輸入到伺服控制器，兩種工作方式靠選擇模塊ASW選擇輸入到NSET模塊，NSET的速度輸出端再與電機(jī)模塊MCTRL連接,從而控制電機(jī)。ASW的選擇端ASW-SET及電機(jī)的轉(zhuǎn)向R/L/Q靠AIF的BOOL量控制。主機(jī)靠數(shù)字頻率輸出模塊DFOUT將速度及相位量傳給從機(jī)(三個輥)，從機(jī)的速度及相位量依靠X9接收，從機(jī)的比例調(diào)整則依靠DFSET模塊來完成。將比例分子端連到AIF的過程通道，比例分母保持不變。用PLC通過AIF控制比例分母，達(dá)到控制從機(jī)的目的。
• 換紙電機(jī)M6的控制器程序
該從控制器程序與其它從控制器程序不同的是，它有自己的啟停曲線要求，即為了保證新舊紙盤的順利拼接，啟動新紙盤時，為了新盤紙不被拉斷，啟動曲線在NSET的控制下按“S”形爬升，當(dāng)速度與主機(jī)同步運(yùn)行時通過Profibus總線上位機(jī)PLC得到同步信號，產(chǎn)生接紙動作，接紙動作完成后，通過一定的延時，接紙電機(jī)停止運(yùn)行，再通過延時松開使能，準(zhǔn)備下次接紙。紙接頭的跟蹤靠伺服控制器的相位積分PHINT3得到，兩個相位積分的差值即為剔出值，由Profibus總線通知上位機(jī)PLC打開剔出電磁閥產(chǎn)生剔出動作。
• 甘油泵M15的電機(jī)的控制器程序
該從控制器程序與輥控制器程序基本相同，不同的是它的啟動信號單獨(dú)控制，即按鈕按下啟動信號后，立即跟隨主機(jī)達(dá)到同步速度。
改造效果改造前后質(zhì)量對比如表1所示(以下數(shù)據(jù)來自于云南某卷煙廠品管質(zhì)檢科)。
圖4示出了改造前后質(zhì)量對比的直捧圖。表2示出了改造前后設(shè)備的有效作業(yè)率統(tǒng)計(jì)。
圖4 改造前后質(zhì)量對比的直捧圖 圖4和表1、2的說明如下：
表1質(zhì)量對比
表2 改前改后設(shè)備有效作業(yè)率統(tǒng)計(jì)
以上數(shù)據(jù)來自云南某卷煙廠設(shè)備管理部，設(shè)備的有效作業(yè)率提高了1.382個百分點(diǎn)。
• AVG是濾棒吸阻的平均值，用來表明數(shù)據(jù)中各檢測值相對集中較多的中心位置，用于反映數(shù)據(jù)的集中性，即檢測值以某一數(shù)值為中心而分布的性質(zhì)；
• SD是濾棒吸阻的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差的大小受數(shù)據(jù)中每個檢測值的影響。如檢測值間變異大，求得的標(biāo)準(zhǔn)差也大，反之則小;濾棒吸阻的標(biāo)準(zhǔn)差大小說明了濾棒吸阻檢測值偏離目標(biāo)值程度，數(shù)據(jù)越大，偏離程度越大，濾棒吸阻的標(biāo)準(zhǔn)差越小說明了濾棒吸阻越穩(wěn)定；
• CV是濾棒吸阻的變異系數(shù)，變異系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，是衡量數(shù)據(jù)中各檢測值變異程度的另一個統(tǒng)計(jì)量；
• SD、CV用于反映數(shù)據(jù)的離散性，即檢測值分散變異的性質(zhì)。
從圖4示可知，在保持吸阻目標(biāo)值恒定的條件下，濾棒吸阻的標(biāo)準(zhǔn)差已由原來的9.81%下降到6.95%，濾棒吸阻的變異系數(shù)已由原來的2.84下降到1.91。通過對開松輥控制的改造，可以看出濾棒吸阻的穩(wěn)定性得到了很大的提高。
在應(yīng)用了伺服系統(tǒng)后，開松機(jī)變得簡潔寬敞、運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪音和震動大大降低、機(jī)組的平穩(wěn)性有了大大的改善、電機(jī)能夠嚴(yán)格按照工藝要求運(yùn)轉(zhuǎn)。在調(diào)速過程中，伺服
