伺服技術(shù)在卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業(yè)有限責任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

伺服技術(shù)在卷煙機煙支重量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

李建勛，喬 敬，李 勇

（河南中煙工業(yè)有限責任公司 駐馬店卷煙廠，河南 駐馬店 463000）

目前主流卷接機組煙支重量控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分均采用 110 V普通單相電機，存在著重量控制精度偏低、維修費用較高的問題．通過技術(shù)創(chuàng)新和改造，在ZJ15XG型機組上構(gòu)建了由伺服系統(tǒng)、微型PLC組成的控制系統(tǒng)，有效地解決了原系統(tǒng)存在的問題，一臺機組每年可節(jié)約費用近5萬元．

伺服控制；重量控制；平準器

1 煙支重量控制系統(tǒng)的工作原理及存在的問題

1.1 煙支重量控制系統(tǒng)的工作原理

近代卷接機組的煙支重量控制系統(tǒng)都是由煙支密度檢測器、工業(yè)控制計算機、平準器、升降控制電機等組成．平準器上升時，劈刀對煙絲束的切削量增大，煙支重量減小，反之煙支重量將增大．工控機根據(jù)檢測到的煙絲密度大小輸出控制脈沖，驅(qū)動一單相電機帶動平準器的升降來實現(xiàn)煙支重量的控制．煙支重量控制系統(tǒng)如圖1所示．

圖1 煙支重量控制系統(tǒng)的組成

1.2 現(xiàn)有煙支重量控制系統(tǒng)存在的問題

目前在用的MOLINS和PROTOS系列主流機型，均通過單相交流電機來驅(qū)動平準器的升降，由于單相電機轉(zhuǎn)速高，扭矩小，不能直接驅(qū)動相對沉重的平準器，所以制造廠家又疊加了一組齒輪箱以增加輸出扭矩．齒輪箱在增大電機扭矩的同時，由于多個齒輪工作間隙的存在而放大了傳動誤差，輸出與輸入相比在時間上和位移上都存在滯后現(xiàn)象．實驗表明：系統(tǒng)在向電機發(fā)出一個控制脈沖后，必須等待 100～300 ms后才能發(fā)出下一個控制脈沖，以確保平準器升降機構(gòu)進入穩(wěn)定狀態(tài)；當加在電機上的重量調(diào)整控制脈沖寬度小于100 ms時，齒輪箱輸出端沒有動作．另外，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量較大，因此在正反轉(zhuǎn)切換時還需要延時，這也制約了系統(tǒng)的響應(yīng)速度．

齒輪箱內(nèi)的尼龍齒輪組，在電機的頻繁正反轉(zhuǎn)切換中磨損較快，從而傳動精度和控制精度越來越低，當傳動部分出現(xiàn)較大響應(yīng)死區(qū)時，煙支重量變異系數(shù)增大，從而不能滿足生產(chǎn)工藝要求，不得不更換齒輪組．這一電機總成的換件周期約為6個月，每臺進口電機總成的價格約2.6萬元，維修費用很高．

2 利用伺服技術(shù)控制平準器升降的改造方案

2.1 伺服控制系統(tǒng)的特點

伺服控制系統(tǒng)由伺服控制器和伺服電機構(gòu)成，伺服電機的轉(zhuǎn)子是永磁體．伺服控制器將其輸出的三相交流電加載到電機定子繞組，形成旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動．伺服電機自帶的編碼器將電機轉(zhuǎn)子的位置信號和速度信號反饋給伺服控制器，二者構(gòu)成了一個很完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)．在這種自動控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出．

伺服系統(tǒng)的控制精度取決于編碼器的分辨率（線數(shù)），而采用增量型編碼器時分辨率一般可以達到131 072 ppr，因此伺服電機的控制精度非常高，被譽為電子齒輪．伺服電機調(diào)速范圍寬，響應(yīng)快，可以頻繁地進行正反向轉(zhuǎn)動切換，且具有恒轉(zhuǎn)矩特性，帶負載能力強（能夠直接驅(qū)動負載），也不需要減速機構(gòu)．此外，伺服系統(tǒng)為通用電器件，價格較低（只有專用件的1/3），性能穩(wěn)定可靠，免維護，使用壽命長．

根據(jù)伺服系統(tǒng)的上述特點，我們決定先在一臺改造型ZJ15XG機組上進行試驗，即用伺服系統(tǒng)替代單相交流電機作驅(qū)動，以提高煙支重量控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度，降低維修費用．

2.2 系統(tǒng)改造方案及工作原理

與一般的單相電機相比，伺服電機的控制要復(fù)雜一些．一般單相電機的正反轉(zhuǎn)控制，可簡單地由主控PLC發(fā)出的兩個指令信號來實現(xiàn)．伺服電機的正反轉(zhuǎn)控制，不僅需要給伺服控制器加使能信號，而且要給伺服控制器的正反轉(zhuǎn)控制端子加組合信號．因此，實現(xiàn)伺服電機的正反轉(zhuǎn)控制，需要把主控PLC輸出的正反轉(zhuǎn)指令信號轉(zhuǎn)換成伺服控制器需要的組合信號．

2.2.1 機械傳動結(jié)構(gòu)

考慮到輸出扭矩、體積等方面的要求，我們選用了日本安川公司生產(chǎn)的SGDH-04AE型伺服控制器和SGMAH-04AAA61型伺服電機．系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)如圖2所示．由于伺服電機的軸直徑和安裝尺寸與原單相電機不同，我們制作了配套的聯(lián)軸器，把伺服電機的扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)槠綔势魃档膭恿Γ疄榱吮阌谡{(diào)整和維修，伺服控制器安裝在控制面板后面的電柜中，微型PLC安裝在卷煙機主電柜中．

圖2 改造后系統(tǒng)的機械傳動結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 電氣控制原理及控制流程

改造后的系統(tǒng)控制流程見圖3，電氣聯(lián)接見圖4．設(shè)備啟動后，電機 M4運行，M4接觸器的輔助觸點K4接通，伺服控制器40端得到0 V的使能電壓信號，伺服控制器處于準備運行狀態(tài)．當主控PLC發(fā)出正轉(zhuǎn)指令時，Q1246輸出24 V電壓，微型PLC的I1端輸入為高電平，Q1導(dǎo)通，伺服控制器的45腳電位被置0，伺服控制器驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)；當主控PLC發(fā)出反轉(zhuǎn)指令時，Q1247輸出24 V電壓，微型PLC的I2端輸入為高電平，Q1和Q2同時導(dǎo)通，伺服控制器的41和45腳電位置0，伺服電機反轉(zhuǎn)．

圖3 改造后系統(tǒng)的控制流程框圖

圖4 伺服控制器和信號轉(zhuǎn)換控制器接線圖

3 應(yīng)用效果

實驗表明，系統(tǒng)經(jīng)改造后，有效地消除了原來的遲滯現(xiàn)象，在接收寬度10 ms間隔50 ms的控制脈沖時仍然可以穩(wěn)定、連續(xù)地控制平準器的升降動作，控制精度得到大幅度提高．首臺機組改造后已連續(xù)穩(wěn)定運行近1年，沒有發(fā)生過任何故障，預(yù)計設(shè)備其他部分報廢前平準器系統(tǒng)都可正常工作．該技術(shù)改造項目已應(yīng)用于駐馬店卷煙廠的7臺卷接機組上，項目總投資約6萬元，每年可節(jié)約電機等購置費用34萬元，按大修周期8年計算，累計總共可節(jié)約備件投資282萬元．更重要的是，由于控制精度的提高，使得煙支重量均勻穩(wěn)定，既降低了煙絲消耗，也提高了產(chǎn)品質(zhì)量．

[1] 田永杰，范培學．卷煙生產(chǎn)技術(shù)工人培訓(xùn)教材[G]．

[2] 西門子公司．LOGO小型PLC說明書[K]．

[3] 李禮．交流伺服系統(tǒng)在 ZJ15卷接機組中的應(yīng)用[J]．煙草科技，2003(4)：16―17．

[4] 湯旭晶，江志凌，胡業(yè)偉，等．PROTOS 70卷接機組主電機交流伺服系統(tǒng)改造[J]．煙草科技，2005(8)：19―20．

TS43

A

1006-5261(2011)02-0018-02

2011-03-13

李建勛（1968―），男，河南上蔡人，工程師．

〔責任編輯 張繼金〕