塑料擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步 控制的研究

中國(guó)注塑網(wǎng)

「變頻器」　　塑料擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步控制的研究文/中國(guó)海洋大學(xué)李厥瑾近年來(lái)，隨著節(jié)能政策、住宅產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)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(jī)已成為眾多機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)廠家所關(guān)注的焦點(diǎn)。重點(diǎn)介紹塑料擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，多電動(dòng)機(jī)同步控制的實(shí)現(xiàn)方法?！　〗陙?lái)，伴隨著國(guó)家節(jié)能政策、住宅產(chǎn)業(yè)政策的實(shí)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(guò)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(jī)，目前也已成為眾多機(jī)械設(shè)備制造廠商所關(guān)注的焦點(diǎn)?！　∷芰蠑D出機(jī)的電氣傳動(dòng)以往大多采用直流傳動(dòng)或電磁調(diào)速控制，但前者維護(hù)繁雜而且費(fèi)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(jī)的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電氣傳動(dòng)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制主流。采用變頻器調(diào)速可以提高機(jī)械的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的同步控制功能。　　塑料擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介塑料擠出機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如所示，主要有主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1、喂料電動(dòng)機(jī)M2及牽引電動(dòng)機(jī)M3構(gòu)成。傳動(dòng)系統(tǒng)要求M1M33個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠同步運(yùn)行，即在通常情況下給定主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度信號(hào)，同步控制的目的就是將這個(gè)速度值按一定的比例要求再分配給喂料電動(dòng)機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)，保證3個(gè)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)無(wú)論在加速、恒速還是減速過(guò)程中都能保持預(yù)先設(shè)定的比例，實(shí)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(jī)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?dòng)冷卻定型機(jī)簡(jiǎn)螺桿減速筘喂料電動(dòng)機(jī)主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖電氣傳動(dòng)廣品與技術(shù)bookmark3觸摸屏（HMI）為整個(gè)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(jì)上盡量采用圖形、符號(hào)描述操作過(guò)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。　　系統(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(fèi)用。另外還增加了一些高級(jí)智能模塊，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，運(yùn)行更可靠。　　變頻器主要用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)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(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，既保證了低速運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩需求和穩(wěn)定性，同時(shí)又保證了對(duì)負(fù)載變化的準(zhǔn)確快速響應(yīng)?！　≡贖MI上可以對(duì)整機(jī)的各個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)不同的畫面將PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)、I/O狀態(tài)、各個(gè)動(dòng)作過(guò)程以及整機(jī)的工作狀態(tài)、工藝參數(shù)一一顯示出來(lái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整機(jī)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(hù)設(shè)定功能。系統(tǒng)監(jiān)控畫面如所示。　　中，主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、喂料電動(dòng)機(jī)及牽引電動(dòng)機(jī)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(lái)協(xié)調(diào)主機(jī)和從機(jī)之間的轉(zhuǎn)速，通常情況下，有一個(gè)主給定信號(hào)，然后其他兩個(gè)速度給定的信號(hào)應(yīng)按預(yù)先設(shè)置的比例關(guān)系自動(dòng)跟隨主給定信號(hào)。例如選定主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)為主給定信號(hào)，喂料電動(dòng)機(jī)及牽引電動(dòng)機(jī)與主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(guò)程中，當(dāng)主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的速度改變時(shí)，其他兩個(gè)速度值也跟隨變化，但始終保持先前的比例關(guān)系不變?！　∧壳拜^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(dòng)系統(tǒng)中的各個(gè)傳動(dòng)單元都是由獨(dú)立的變頻器來(lái)分別驅(qū)動(dòng)的，因此可選擇一臺(tái)同步控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步控制，控制方案如所示?！　⊥娇刂破鱓l卜主驅(qū)動(dòng)變頰器喂料變頻器牽引變頻器HMI系統(tǒng)監(jiān)控畫面?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)同步控制的設(shè)計(jì)根據(jù)擠出機(jī)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(shí)，先通過(guò)各單元的電位器對(duì)各變頻器的運(yùn)行速度分別整定，以達(dá)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(huì)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(guò)給定積分器輸出，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)與軟停車。同步控制器一般能輸出4路或8路模擬量信號(hào)給變頻器?！　〔捎猛娇刂破鲗?shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)的同步控制，雖然在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)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(huì)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(jī)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(wàn)案，米用RS485通信接口對(duì)變頻器進(jìn)行控制，無(wú)疑是目前最具吸引力的選擇?！　⊥ǔＧ闆r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(guò)變頻器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置的RS485口可方便地實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，同時(shí)也可掛現(xiàn)場(chǎng)總線或局域網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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。　　又主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)喂料電動(dòng)機(jī)比例控制結(jié)構(gòu)圖牽引電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員通過(guò)HMI設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，然后通過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出DC010V或420mA的模擬量信號(hào)控制各變頻器的速度指令，使各個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)按給定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。各變頻器間運(yùn)轉(zhuǎn)速度的比例關(guān)系會(huì)自動(dòng)保存到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，并在HMI的相關(guān)界面顯示?！　‘?dāng)需要改變其中任一個(gè)的速度值時(shí)，其他變頻器的速度參數(shù)會(huì)自動(dòng)按已保存的比例關(guān)系來(lái)進(jìn)行改變，使各變頻器間運(yùn)轉(zhuǎn)速度的比例關(guān)系保持不變?！　〔捎么朔N控制方式，對(duì)于電動(dòng)機(jī)數(shù)目不多，電動(dòng)機(jī)分布相對(duì)比較集中的應(yīng)用系統(tǒng)比較合適。但是，對(duì)于大規(guī)模的生產(chǎn)線，一方面由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)分布的范圍較大，距離較遠(yuǎn)，而速度控制指令信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中易造成衰減，同時(shí)也易受外界的干擾，因此會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低?！　⊥ㄟ^(guò)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(shí)，輸出端經(jīng)過(guò)一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)導(dǎo)線，進(jìn)入變頻器輸入端，而變頻器內(nèi)部又經(jīng)過(guò)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器才能參與控制，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不同和導(dǎo)線的損耗都會(huì)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(hào)，中間不需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，沒(méi)有誤差，在傳輸過(guò)程中也不會(huì)造成損耗，而且響應(yīng)速率也會(huì)更高?！　∧壳?，隨著變頻器制造技術(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(dòng)電動(dòng)機(jī)喂料電動(dòng)機(jī)牽引電動(dòng)機(jī)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(lái)連接，使得系統(tǒng)連接更加簡(jiǎn)單。同時(shí)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(guò)PLC的加密進(jìn)行技術(shù)保密，提高了系統(tǒng)的保密性?！　∷芰蠑D出機(jī)傳動(dòng)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(huì)成為一種十分理想的控制方式，傳動(dòng)系統(tǒng)的同步控制精度將會(huì)更高，操作將更加方便；而對(duì)于設(shè)備的性能、產(chǎn)品的質(zhì)量也會(huì)有很大的提高。EA李厥瑾：（1974.7），男，山東章丘人，漢族，中國(guó)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(dòng)化工程系，主要從事電氣自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)及自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)等工作。