基于伺服技術的注塑機節(jié)能技術改造及效益分析

文/張圓明 黃闊

0 引言

注塑機又名注射成型機或注射機，是將熱塑性塑料或熱固性塑料利用塑料成型模具制成各種形狀的塑料制品的主要成型設備。注塑機能加熱塑料，對熔融塑料施加高壓，使其射出而充滿模具型腔。目前國內很多塑料生產企業(yè)還存在大量的全液壓驅動系統(tǒng)注塑機，其電機功率恒定，油泵供油量不隨注塑過程的流量、壓力變化而變化，故產生大量的無效熱能、導致了大量電能的浪費，尤其在工藝周期長的保壓和冷卻階段，存在很大的節(jié)能降本空間。隨著電機和控制技術的發(fā)展進步，伺服控制技術已逐步在注塑行業(yè)得到應用。利用伺服控制技術，具有控制精度高、響應速度快等優(yōu)點，對傳統(tǒng)注塑機進行相應改造，能達到節(jié)能30%～70%的效果。廣東省某手機配件生產企業(yè)通過將注塑機普通油泵電機改造為伺服電機，在節(jié)能方面取得了較好的效益，本文對該項目的改造技術方案進行分析。

1 改造項目背景

廣東省某手機配件生產企業(yè)（以下簡稱“案例企業(yè)”）采用注塑工藝生產的產品為手機塑料配件，平均日產量為37460件。其注塑工藝使用了24臺同型號普通注塑機，這些注塑機主要由注射系統(tǒng)、合模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制、加熱/冷卻、潤滑系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)組成。單臺注塑機整體電功率為46.1kW（其中油泵電機37kW、水泵電機3.7kW、加熱5.4kW），料筒及干燥器功率為4kW，機械手系統(tǒng)功率為12kW。注塑機的各項用能損耗較高，因此，該企業(yè)實施了將全部注塑機的普通油泵電機改造為伺服電機控制系統(tǒng)的項目（以下簡稱“改造項目”），以達到節(jié)能、降耗的目的。

2 技術原理

改造前，案例企業(yè)的注塑機為普通油泵電機驅動，其特點為即使機臺停止動作，電機仍然不停運作；而伺服注塑機特點為，用相應的功率來為每個不同的動作提供動力，如機臺不動，伺服電機則會完全停止。此外，普通油泵電機為普通傳動帶動系統(tǒng)，能耗高、調控水平低，不能滿足注塑工藝節(jié)能要求；而實施伺服電機驅動的自動控制系統(tǒng)改造，能夠更精確地控制電機的傳動方式，提高傳動效率、提升功率因數，節(jié)約電能，降低生產成本。因此，改造項目實施非常有必要。

伺服注塑機的動力系統(tǒng)分為伺服電機、伺服驅動器、編碼器、齒輪泵、壓力傳感器和驅動控制模塊6個模塊，其中驅動控制模塊是使伺服注塑機的效能優(yōu)于傳統(tǒng)注塑機的關鍵模塊。伺服動力系統(tǒng)是由伺服驅動器接收驅動控制模塊發(fā)出 的流量、壓力指令，轉換為轉速指令發(fā)送給伺服電機；伺服電機帶動齒輪泵旋轉并輸出流量、壓力，而壓力傳感器采集系統(tǒng)壓力數據并反饋至伺服驅動器，伺服電機則將轉速信息反饋給伺服驅動器；伺服驅動器通過轉換將實際的流量和壓力信息反饋給驅動控制模塊，通過比對實際流量、壓力與指令流量、壓力的偏差，驅動控制模塊再調整指令流量、壓力，實現閉環(huán)控制，達到工藝要求。

伺服控制系統(tǒng)能按預定要求自動反饋控制注塑裝置的機械運動，其控制量是注塑機的機械位移、位移速度或加速度，能使輸出的位移準確跟蹤輸入的位移；液壓伺服控制系統(tǒng)則以電機驅動液壓泵，將液壓泵的機械運動轉化為壓力推進液壓油，再控制各個閥門改變液壓油流向，從而推動液壓缸作出不同方向和行程的動作，滿足注塑機各種動作需求。伺服電機作為執(zhí)行元件，根據輸入電壓信號控制其轉子轉速、轉矩并驅動控制對象，具有控制速度快、控制精度高、機電時間常數小、線性度高等特性，因此，應用液壓伺服控制系統(tǒng)能夠達到良好的自動控制效果，有效節(jié)約注塑機各部件運轉的能源損耗。

實施伺服控制系統(tǒng)改造后，注塑機將實現以下優(yōu)化目標：

（1）響應速度快。

注塑機液壓系統(tǒng)運行過程中，不同動作所需的流量和壓力不一樣，液壓系統(tǒng)的響應速度對注塑機高效運行非常關鍵。伺服控制系統(tǒng)響應速度快，流量和壓力上升時間快至36 ms，提高了液壓系統(tǒng)的響應速度，減少了各動作的切換時間，提升了整機的運行效率。

（2）控制能力強。

普通異步電機定量泵系統(tǒng)因電網電壓、頻率等波動，引起轉速變化，進而引起流量變化，最終導致注塑產品質量降低。而伺服系統(tǒng)控制能力強，可完全按照上位機設定的任意流量、壓力曲線運行，易于開發(fā)各種塑料產品的成型工藝；閉環(huán)油壓和轉速控制模式下系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，波動值小于±0.05MPa，壓力控制精度為±1bar，流量控制精度為±0.5%FS，注塑重復精度高，產品一致性好，塑料制品的成型質量高（外觀、尺寸及單重）。

（3）能源效率高。

注塑機在預塑、合模、射膠等工藝過程中，動作快慢不一樣，即需求的流量不同，而普通定量泵系統(tǒng)的定頻電機以一個恒定的額定速度運行，會造成很多時候流量和能量的浪費。液壓伺服控制系統(tǒng)的壓力、流量采用雙閉環(huán)控制，在高流量工作階段油泵電機按照設定的轉速運行，在保壓、冷卻等低流量工作階段降低電機轉速，避免了高壓溢流產生的高能耗，大大降低能量浪費，電機運行能耗可降低30%～80%。

（4）維護成本低。

伺服電機與油泵通過無間隙連軸器連接，方便油泵的維護、更換；電機熱量難以傳導到油泵，降低了油溫，提高了注塑機的油封壽命，延長了液壓油老化時間，從而節(jié)省了注塑機維護費用；伺服電機可配套螺桿泵、柱塞泵、內嚙合齒輪泵等，方便生產不同塑料產品時進行配套。

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（5）使用方便。

伺服自動控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)的形式使得液壓系統(tǒng)根據設備部件的需求進行供油控制，因此在對電機進行改造時不改變原有使用習慣，只需從上位機取壓力和流量信號進行雙閉環(huán)控制。為方便調試和批量燒寫，伺服系統(tǒng)具有電機參數打包、記憶功能，調試界面簡單，可調參數少，操作簡單、人性化，可通過參數設定選擇兩種控制模式即工藝模式或速度模式運行，實現多泵并聯(lián)控制，可控制16個泵、3種工作方式（多泵、復合、多模式）。

3 節(jié)能效益分析

3.1 改造項目邊界的選取

改造項目位于案例企業(yè)E10廠房，改造工作于2019年4月至6月間完成，改造后的電機系統(tǒng)已經投入使用，運轉正常。共對24臺同型號、生產同類產品的注塑機進行了相同技術的節(jié)能改造。在E10廠房安裝了4個電能表對24臺注塑機進行電量計量，沒有對每一臺注塑機單獨安裝電表計量電量。為便于節(jié)能量的計算，改造項目邊界條件選擇E10廠房全部24臺注塑機，改造前后項目邊界不變，如圖1所示。

圖1 案例企業(yè)注塑機節(jié)能改造項目邊界

為了準確計算項目節(jié)能效果，改造前基期選擇2018年4月～2019年3月，通過對24臺注塑機的注塑產品產量和耗電量計量統(tǒng)計，計算出改造前的單位產品能耗；改造后對比期為2019年7月～9月，對24臺注塑機的注塑產品產量和耗電量計量統(tǒng)計，計算出改造后的單位產品能耗；最后計算出改造后的年節(jié)能量。

3.2 節(jié)能量計算方法

根據《節(jié)能量測量和驗證技術通則》（GB/T 28750—2012）和《節(jié)能項目節(jié)能量審核指南》（發(fā)改環(huán)資〔2008〕704號），改造項目節(jié)能量等于項目邊界范圍內各產品（工序）達成的節(jié)能量之和扣減能耗泄漏。改造項目范圍內產品只有手機塑料配件，用能只有注塑機耗電，且沒有能耗泄漏，則節(jié)能量可通過手機塑料配件單位產品綜合能耗的變化及基準產量計算得到。步驟如下：

（1）計算改造項目邊界內塑料配件的基準綜合能耗，即統(tǒng)計技術改造前1年項目邊界內的電能消耗量，匯總折算成標準煤量。

（2）計算改造項目邊界內塑料配件的基準產量，即統(tǒng)計技術改造前1年項目邊界內相關生產系統(tǒng)產出的塑料配件數量。

（4）計算技術改造完成后項目邊界內綜合能耗、產量和單耗。按照步驟（1）～（3）計算方法，統(tǒng)計、計算出技術改造完成后一定時期內（取3個月）的塑料配件綜合能耗、產量和單耗。

（5）核算改造項目節(jié)能量，即節(jié)能量 =（技術改造前塑料配件單耗-技術改造后塑料配件單耗）×改造前1年塑料配件基準產量。

3.3 改造前后的產品產量、綜合能耗

（1）產品產量

案例企業(yè)實施電機技術改造前后，產品種類均為注塑塑料件，注塑機自動對塑料件件數進行測量統(tǒng)計，企業(yè)每天對塑料件產量進行統(tǒng)計，并實施月報制度。具體如表1所示。

表1 案例企業(yè)改造項目實施前后產品產量統(tǒng)計

（2）綜合能耗

案例企業(yè)實施電機技術改造前后能源消費種類不變，都為電力，企業(yè)每天對E10廠房注塑機用電量進行統(tǒng)計，并實施月報制度。具體如表2所示。

3.4 節(jié)能量計算

改造前單耗計算：2018年4月至2019年3月，根據統(tǒng)計數據，改造項目邊界范圍內塑料件產量為13674448件，注塑機耗電量為3266059kW·h，單位產品電耗為0.2388kW·h/件。

改造后單耗計算：2019年7月～9月，改造項目邊界范圍內塑料件產量為8330273件，注塑機耗電量為767385kW·h，單位產品電耗為0.09212kW·h/件。則改造后節(jié)能率為61.4%，節(jié)能效果顯著。

此處電力等價折標系數取2017年度廣東省發(fā)電標準煤耗3.013tce/萬kW·h 則項目節(jié)能量為604.5tce。

表2 案例企業(yè)改造項目實施前后注塑機能源消費統(tǒng)計

3.5 社會經濟效益分析

綜上可知，改造項目完成可為企業(yè)節(jié)電200.64萬kw.h/年，按電力單價0.8元/tce 計算，可為企業(yè)減少能源使用費用160.5萬元/年。改造項目總共投入135.8萬元，則其靜態(tài)投資回報期為0.846年，項目經濟可行。改造項目實施后，年節(jié)能量為604.5tce，年減少二氧化碳排放1279.9t（廣東電網平均二氧化碳排放因子為6.379t 二氧化碳/萬kW·h）。

4 結論

案例企業(yè)將24臺注塑機的普通油泵電機改造為伺服電機，改造前為普通油泵電機傳動帶動系統(tǒng)，能耗高、調控水平低，不能滿足注塑工藝節(jié)能要求；改造后為伺服控制系統(tǒng)，能對注塑機的機械運動按預定要求進行自動控制，使輸出的機械位移準確地跟蹤輸入的位移，從而能夠更精確地控制電機的傳動方式，提高傳動效率，節(jié)約電能，降低生產成本。項目實施可為企業(yè)節(jié)電200.64萬kw.h/年，折合節(jié)約604.5tec/年，減少能耗成本160.5萬元/年，靜態(tài)投資回報期少于1年，項目經濟可行。改造項目完成投入使用后，案例企業(yè)節(jié)能減排效益顯著，綜合能源消費量、SO2排放量和CO2排放量都得到一定程度的降低。