卷煙機(jī)風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)的改進(jìn)

劉威, 阮三星

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卷煙機(jī)風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)的改進(jìn)

劉威, 阮三星

(常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研究所, 湖南常德, 415000)

針對(duì)傳統(tǒng)卷煙機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)室負(fù)壓的比例節(jié)流閥采購(gòu)成本過(guò)高、能源浪費(fèi)的問(wèn)題, 提出了采用基于西門子SIMOTION平臺(tái)的伺服變頻驅(qū)動(dòng)改進(jìn)方案。改進(jìn)后的設(shè)備成本更低, 更加節(jié)能, 且能更好地滿足系統(tǒng)要求。

伺服變頻驅(qū)動(dòng); SIMOTION; V/f控制

卷煙機(jī)風(fēng)室負(fù)壓的穩(wěn)定直接影響到煙支的質(zhì)量, ZJ116等傳統(tǒng)卷煙機(jī)采用比例節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)室負(fù)壓的大小。風(fēng)機(jī)抽吸風(fēng)室中的空氣產(chǎn)生負(fù)壓, 使煙絲纖維被吸著在吸絲帶上。風(fēng)室負(fù)壓的大小受比例閥控制而保持在設(shè)定值允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。傳統(tǒng)卷煙機(jī)比例閥的采購(gòu)成本過(guò)高、機(jī)械機(jī)構(gòu)和氣路設(shè)計(jì)復(fù)雜, 驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的電機(jī)只能以固定的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)而造成能源浪費(fèi), 為此, 本設(shè)計(jì)采用基于西門子SIMOTION平臺(tái)的變頻驅(qū)動(dòng)取代比例閥的控制, 并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用基于西門子SIMOTION平臺(tái)的伺服變頻驅(qū)動(dòng)控制方案, 如圖1所示。伺服控制器通過(guò)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)負(fù)壓風(fēng)機(jī), 為風(fēng)室提供可調(diào)節(jié)的負(fù)壓氣源。負(fù)壓管路安裝有負(fù)壓檢測(cè)的/轉(zhuǎn)換器, 將工作負(fù)壓(0～20 kPa)轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號(hào)反饋給伺服控制器, 伺服控制器再根據(jù)負(fù)壓電壓信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速, 將工作負(fù)壓穩(wěn)定地控制在參數(shù)設(shè)定值。

圖1 改進(jìn)的風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)方案

2 伺服變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SIMOTION是西門子開(kāi)發(fā)的一種全新的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行同步控制、矢量控制、V/f控制等。其中SIMOTION D是基于驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)[1–3], 通過(guò)控制器與驅(qū)動(dòng)器的結(jié)合使其具有極快的響應(yīng)速度, 從而大大提高系統(tǒng)性能, 并得到了廣泛應(yīng)用[4–6]。本文基于SIMOTI- ON D設(shè)計(jì)了伺服變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?？紤]到伺服控制系統(tǒng)的控制精度和實(shí)時(shí)性, 本設(shè)計(jì)使用西門子SIZER軟件進(jìn)行功能模塊的配置選型和評(píng)估, 選用D455為中央處理器, 配置1個(gè)55 kW調(diào)節(jié)型電源模塊, 1個(gè)18 A的單軸電機(jī)模塊, 選用西門子交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。伺服變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在SIMOTION SCOUT軟件中配置風(fēng)機(jī)電機(jī)軸, 并指定風(fēng)機(jī)電機(jī)軸為無(wú)編碼器的速度控制模式, 打開(kāi)電機(jī)軸的V/f控制模式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置即可對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行V/f控制。

3 風(fēng)機(jī)給定速度的算法設(shè)計(jì)

交流電機(jī)變頻調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢, 開(kāi)環(huán)的速度控制精度低, 因此根據(jù)負(fù)壓反饋, 對(duì)其速度輸出采取調(diào)節(jié)控制, 盡量提高其對(duì)氣流壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度。風(fēng)機(jī)給定速度算法如圖3所示。將風(fēng)室設(shè)定負(fù)壓與實(shí)際負(fù)壓的差值, 經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算出風(fēng)機(jī)速度的修正值D, 最后將其疊加到當(dāng)前風(fēng)機(jī)速度o上, 給出最新的風(fēng)機(jī)輸出速度。當(dāng)設(shè)定負(fù)壓與實(shí)際負(fù)壓的差值為0時(shí), 說(shuō)明風(fēng)室負(fù)壓達(dá)到設(shè)定值的穩(wěn)定狀態(tài), 此時(shí)風(fēng)機(jī)以恒定的速度運(yùn)行。改變計(jì)算中的比例因子和積分因子, 可調(diào)整風(fēng)機(jī)對(duì)壓力波動(dòng)的響應(yīng)特性。該算法通過(guò)在SIMOTION SCOUT軟件中運(yùn)用ST高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 風(fēng)機(jī)給定速度算法

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M機(jī)器在帶料情況下的卷煙生產(chǎn)。在機(jī)器恒速和變速2種情況下, 測(cè)量風(fēng)機(jī)在伺服控制系統(tǒng)的變頻控制下所產(chǎn)生負(fù)壓的相關(guān)數(shù)據(jù), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表1 機(jī)器在1 000支/min恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變負(fù)壓設(shè)定值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1和表2可知: (1) 機(jī)器在恒速運(yùn)轉(zhuǎn), 改變負(fù)壓設(shè)定值時(shí), 風(fēng)室負(fù)壓均能在較短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)值, 且負(fù)壓的波動(dòng)范圍小于0.1 kPa; (2) 機(jī)器在變速運(yùn)轉(zhuǎn), 不改變負(fù)壓設(shè)定值時(shí), 風(fēng)室負(fù)壓均能穩(wěn)定在設(shè)定值附近, 且負(fù)壓波動(dòng)范圍小于0.1 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該伺服控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)電機(jī)的V/f控制具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點(diǎn), 滿足卷煙生產(chǎn)對(duì)負(fù)壓穩(wěn)定性的要求。

表2 機(jī)器在1 000～20 000支/min變速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不改變負(fù)壓設(shè)定值實(shí)驗(yàn)結(jié)果/kPa

風(fēng)機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7次方成正比, 因此風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低耗能也就越少。

實(shí)驗(yàn)還在風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相同的情況下, 對(duì)比了在比例閥調(diào)節(jié)控制和伺服變頻調(diào)節(jié)控制下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速情況, 結(jié)果如表3所示。

表3 2種調(diào)節(jié)方案下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)定值

由表3可知, 在比例閥調(diào)節(jié)控制下風(fēng)機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行, 而在伺服變頻調(diào)節(jié)控制下相同負(fù)壓目標(biāo)值時(shí)風(fēng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速更低, 因此更加的節(jié)能。由于伺服變頻調(diào)節(jié)控制下取消了物理的比例節(jié)流閥, 使得機(jī)械氣路和電氣電路得到了簡(jiǎn)化, 因而成本更低。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明, 改進(jìn)的風(fēng)室負(fù)壓調(diào)節(jié)方案能夠滿足卷煙生產(chǎn)的要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣路得到了簡(jiǎn)化, 取消了比例節(jié)流閥, 降低了采購(gòu)成本, 且采用變頻驅(qū)動(dòng)后更加節(jié)能。后續(xù)可以對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化得到最佳的比例因子和積分因子, 從而進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的控制精度。

[1] 劉威, 阮三星. 基于SIMOTION的多軸同步控制技術(shù)在卷煙機(jī)組中的應(yīng)用[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 28(2): 87–90.

[2] 宮悅, 尤晨. SIMOTION D在飲料自動(dòng)裝箱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 32(1): 59–66.

[3] 鄧開(kāi)楠, 高宏巖, 徐一楠. 西門子Simotion運(yùn)動(dòng)控制器在普通臥式鏜床中的應(yīng)用[J].機(jī)床電器, 2012, 39(3): 11–13.

[4] 王慶鵬, 焦裕璽, 衛(wèi)璐, 等. 基于SIMOTION控制器的追剪運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表, 2015(2): 95–97.

[5] 張立群, 李鐵才, 萬(wàn)筱劍. SIMOTION D在銅箔后處理生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2008, 30(6): 47–51.

[6] 張楊, 高明輝. SIMOTION在數(shù)字化對(duì)接系統(tǒng)中的多軸同步控制應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2010(23): 114–116.

(責(zé)任編校:劉剛毅)

The improvement design of the negative pressure regulation of the air chamber in cigarette making and tipping machine combination

Liu wei, Ruan Sanxing

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

As to the problems of the traditional cigarette making and tipping machine combination which used proportional throttle valve to adjust the negative pressure of the air chamber such as high cost, energy waste, etc. The paper proposed an improvement scheme which use the servo variable frequency drive system based on the SIEMENS SIMOTION platform. The improved equipment is lower cost, more energy saving and can better meet the system requirements.

Servo variable frequency drive; SIMOTION; V/f control

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.013

TS 43

A

1672–6146(2017)01–0058–02

劉威, skygod2008@163.com。

2016–11–11

國(guó)家煙草專賣局資助項(xiàng)目(11020143270104)。