塑料擠出機傳動系統(tǒng)實現(xiàn)同步 控制的研究

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「變頻器」　　塑料擠出機傳動系統(tǒng)實現(xiàn)同步控制的研究文/中國海洋大學(xué)李厥瑾近年來，隨著節(jié)能政策、住宅產(chǎn)業(yè)政策的實施，塑料異型材及門窗等化學(xué)建材得到了大力推廣及應(yīng)用。作為新型化學(xué)建材生產(chǎn)的主要設(shè)備，塑料擠出機已成為眾多機械設(shè)備生產(chǎn)廠家所關(guān)注的焦點。重點介紹塑料擠出機傳動系統(tǒng)中，多電動機同步控制的實現(xiàn)方法?！　〗陙?，伴隨著國家節(jié)能政策、住宅產(chǎn)業(yè)政策的實施，塑料異型材及塑料門窗作為一種新興的化學(xué)建材得到了大力推廣及應(yīng)用。塑料異型材的生產(chǎn)方法主要是擠出成型法，是指在200°C左右的高溫下使塑料熔融，熔融的塑料再通過模具形成所需要的形狀。擠出的產(chǎn)品可稱為“型材”，由于橫截面形狀大多不規(guī)則，因此又稱為“異型材”。作為該種新興化學(xué)建材的生產(chǎn)設(shè)備――塑料擠出機，目前也已成為眾多機械設(shè)備制造廠商所關(guān)注的焦點。　　塑料擠出機的電氣傳動以往大多采用直流傳動或電磁調(diào)速控制，但前者維護繁雜而且費用巨大，影響設(shè)備的使用效率，后者調(diào)速精度低，產(chǎn)品檔次低，這些都在很大程度上影響了擠出機的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣傳動技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)因控制精度高，調(diào)速性能好而成為擠出機傳動系統(tǒng)的控制主流。采用變頻器調(diào)速可以提高機械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的同步控制功能?！　∷芰蠑D出機的傳動系統(tǒng)簡介塑料擠出機傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如所示，主要有主驅(qū)動電動機M1、喂料電動機M2及牽引電動機M3構(gòu)成。傳動系統(tǒng)要求M1M33個電動機能夠同步運行，即在通常情況下給定主驅(qū)動電動機的運轉(zhuǎn)速度信號，同步控制的目的就是將這個速度值按一定的比例要求再分配給喂料電動機和牽引電動機，保證3個傳動電動機無論在加速、恒速還是減速過程中都能保持預(yù)先設(shè)定的比例，實現(xiàn)同步控制?！　】刂葡到y(tǒng)的構(gòu)成及硬件選擇本控制系統(tǒng)采用上、下位機管理控制方式，主要由PLC、觸摸屏、變頻器及常規(guī)的低壓電器元件構(gòu)成?！　恳齻鲃永鋮s定型機簡螺桿減速筘喂料電動機主驅(qū)動電動機牽引電動機傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖電氣傳動廣品與技術(shù)bookmark3觸摸屏（HMI）為整個控制系統(tǒng)的操作設(shè)置單元。選用SIMATICOP系列操作面板顯示器，在設(shè)計上盡量采用圖形、符號描述操作過程，并配有多幅畫面和棒狀圖顯示，使系統(tǒng)的操作變得直觀方便?！　∠到y(tǒng)選用西門子公司S7―300系列可編程序控制器作為主控元件，S7―300可編程序控制器是西門子的中小型PLC，其CPU軟硬件集成度較高，I/O模塊密度較高，大大降低了開發(fā)費用。另外還增加了一些高級智能模塊，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，運行更可靠?！　∽冾l器主要用于驅(qū)動電動機的無級調(diào)速，系統(tǒng)采用艾默生公司EV系列變頻調(diào)速器。EV系列是新一代高性能通用變頻器，由于采用了磁通補償、轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)差補償，既保證了低速運行的轉(zhuǎn)矩需求和穩(wěn)定性，同時又保證了對負載變化的準確快速響應(yīng)?！　≡贖MI上可以對整機的各個控制對象進行監(jiān)控，通過不同的畫面將PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)、I/O狀態(tài)、各個動作過程以及整機的工作狀態(tài)、工藝參數(shù)一一顯示出來，實時監(jiān)控整機的工作狀態(tài)；除了顯示功能外，還具有配方功能及密碼保護設(shè)定功能。系統(tǒng)監(jiān)控畫面如所示?！　≈校黩?qū)動電動機、喂料電動機及牽引電動機的速度調(diào)整應(yīng)具有一定的同步性。同步，顧名思義就是要按照一定比率來協(xié)調(diào)主機和從機之間的轉(zhuǎn)速，通常情況下，有一個主給定信號，然后其他兩個速度給定的信號應(yīng)按預(yù)先設(shè)置的比例關(guān)系自動跟隨主給定信號。例如選定主驅(qū)動電動機的運行信號為主給定信號，喂料電動機及牽引電動機與主驅(qū)動電動機的速度比例關(guān)系為1：2：3；則不論在加速、恒速，還是減速過程中，當主驅(qū)動電動機的速度改變時，其他兩個速度值也跟隨變化，但始終保持先前的比例關(guān)系不變。　　目前較為常用的有以下幾種同步控制方案?！　。?）采用同步控制器方式由于傳動系統(tǒng)中的各個傳動單元都是由獨立的變頻器來分別驅(qū)動的，因此可選擇一臺同步控制器來實現(xiàn)同步控制，控制方案如所示?！　⊥娇刂破鱓l卜主驅(qū)動變頰器喂料變頻器牽引變頻器HMI系統(tǒng)監(jiān)控畫面?zhèn)鲃酉到y(tǒng)同步控制的設(shè)計根據(jù)擠出機生產(chǎn)工藝的要求，在擠出生產(chǎn)線同步控制器結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)工作時，先通過各單元的電位器對各變頻器的運行速度分別整定，以達到工藝的要求。調(diào)整好各單元后，如需升速或降速，只需調(diào)整總的同步電位器，各單元便會以預(yù)先調(diào)整好的比例速度同步工作，總的主令設(shè)定電壓（由精密電位器決定）通過給定積分器輸出，可實現(xiàn)軟起動與軟停車。同步控制器一般能輸出4路或8路模擬量信號給變頻器?！　〔捎猛娇刂破鲗崿F(xiàn)多電動機的同步控制，雖然在技術(shù)實現(xiàn)上比較簡單，但由于是采用模擬量控制，受元器件的影響比較大，因而會影響同步控制精度，技術(shù)保密性也比較差?！　。?）傳統(tǒng)比例控制方式傳統(tǒng)比例控制方式的基本結(jié)構(gòu)如所示人機界面HMI1/可編程序控制器S7變頻器監(jiān)控。作為低成本的控制連接萬案，米用RS485通信接口對變頻器進行控制，無疑是目前最具吸引力的選擇。　　通常情況下，采用PLC與變頻器構(gòu)成RS485多分支通信控制網(wǎng)絡(luò)，如所示。通過變頻器標準內(nèi)置的RS485口可方便地實現(xiàn)與上位機的通信，同時也可掛現(xiàn)場總線或局域網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，主要有PRFIBUS、Modbus及FF等不同的網(wǎng)絡(luò)總線形式，采用哪種形式必須配用相應(yīng)的接口卡?！　∮种黩?qū)動電動機喂料電動機比例控制結(jié)構(gòu)圖牽引電動機系統(tǒng)工作時，操作人員通過HMI設(shè)定運行參數(shù)，然后通過PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出DC010V或420mA的模擬量信號控制各變頻器的速度指令，使各個變頻器驅(qū)動電動機按給定的速度運轉(zhuǎn)。各變頻器間運轉(zhuǎn)速度的比例關(guān)系會自動保存到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，并在HMI的相關(guān)界面顯示?！　‘斝枰淖兤渲腥我粋€的速度值時，其他變頻器的速度參數(shù)會自動按已保存的比例關(guān)系來進行改變，使各變頻器間運轉(zhuǎn)速度的比例關(guān)系保持不變?！　〔捎么朔N控制方式，對于電動機數(shù)目不多，電動機分布相對比較集中的應(yīng)用系統(tǒng)比較合適。但是，對于大規(guī)模的生產(chǎn)線，一方面由于電動機數(shù)目較多，所以需配置大量的D/A轉(zhuǎn)換模塊，從而使系統(tǒng)成本顯著增加；另一方面電動機分布的范圍較大，距離較遠，而速度控制指令信號在長距離傳輸中易造成衰減，同時也易受外界的干擾，因此會使得整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低?！　⊥ㄟ^網(wǎng)絡(luò)設(shè)定頻率是一種高精度的頻率設(shè)定方式。在采用模擬量控制時，輸出端經(jīng)過一個D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過導(dǎo)線，進入變頻器輸入端，而變頻器內(nèi)部又經(jīng)過一個A/D轉(zhuǎn)換器才能參與控制，兩個轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不同和導(dǎo)線的損耗都會造成一定的誤差。　　而采用通信總線的控制方式，直接傳遞的是數(shù)字量信號，中間不需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，沒有誤差，在傳輸過程中也不會造成損耗，而且響應(yīng)速率也會更高?！　∧壳埃S著變頻器制造技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)的變頻器都具有RS485通信接口，用于系統(tǒng)的配置和主驅(qū)動電動機喂料電動機牽引電動機通信總線控制結(jié)構(gòu)圖采用該種控制方式，只需用一根雙絞線手拉手方式來連接，使得系統(tǒng)連接更加簡單。同時由于使用程序和通信控制同步系統(tǒng)，技術(shù)上有一定的復(fù)雜性，因此可通過PLC的加密進行技術(shù)保密，提高了系統(tǒng)的保密性?！　∷芰蠑D出機傳動系統(tǒng)同步控制的精度如何，將直接決定設(shè)備的使用效果。目前多數(shù)廠家仍采用傳統(tǒng)比例控制方式，相信隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，通信總線控制方式將會成為一種十分理想的控制方式，傳動系統(tǒng)的同步控制精度將會更高，操作將更加方便；而對于設(shè)備的性能、產(chǎn)品的質(zhì)量也會有很大的提高。EA李厥瑾：（1974.7），男，山東章丘人，漢族，中國海洋大學(xué)在讀工程碩士，現(xiàn)就職于山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，主要從事電氣自動化專業(yè)的教學(xué)及自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)等工作。