枕式包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜瑞濤，馮振華

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

在現(xiàn)代電子技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，控制技術(shù)也開始向深層次進(jìn)步。在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中，交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用范圍越來越廣泛。以輸入電源頻率變化為核心技術(shù)，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)工作設(shè)備的變頻調(diào)速，最終達(dá)到電動(dòng)機(jī)調(diào)速的效果[1-5]。變頻調(diào)速技術(shù)具有效率高、范圍廣的特點(diǎn)使得該技術(shù)受到廣泛應(yīng)用，但隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)要求也越來越高。變頻調(diào)速在包裝機(jī)上的應(yīng)用就是一件極其有技術(shù)含量的工作，一旦出現(xiàn)意外極有可能造成設(shè)備的損壞。這種情況下可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）開始被應(yīng)用于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PLC 技術(shù)使得可編程控制器常常應(yīng)用于設(shè)備控制系統(tǒng)之中[6-10]。包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以預(yù)先制定顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速、遠(yuǎn)程控制調(diào)速的軟件，利用PLC 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能控制。此外，為了加強(qiáng)人機(jī)交互，基于觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的控制。該系統(tǒng)在完成了包裝機(jī)變頻調(diào)速的同時(shí)，也為變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了更加廣闊的空間。

1 枕式包裝機(jī)結(jié)構(gòu)

水果包裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1，該包裝機(jī)主要由水果傳送機(jī)構(gòu)、包裝膜傳送機(jī)構(gòu)、制袋成型器、撫平機(jī)構(gòu)、縱封機(jī)構(gòu)末端切斷機(jī)構(gòu)等組成[11-13]。水果傳送機(jī)構(gòu)主要由物料傳送電機(jī)、傳送鏈條、物料撥叉等機(jī)構(gòu)組成，通過上述機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水果的傳送，并將水果傳送到成型器中。薄膜輸送輥輪主要負(fù)責(zé)對(duì)塑料復(fù)合膜進(jìn)行運(yùn)輸，包裝機(jī)在運(yùn)行時(shí)縱封機(jī)構(gòu)與薄膜輸送輥輪相互協(xié)調(diào)，有效避免塑料薄膜所產(chǎn)生的誤差。制袋成型器是將塑料復(fù)合膜制成袋裝，將水果包裝在袋體中?？v封裝置是將成型器制成袋體的復(fù)合膜進(jìn)行縱向加熱封合，并牽引塑料復(fù)合膜往前運(yùn)動(dòng)。撫平裝置對(duì)縱向熱封過的塑料復(fù)合膜進(jìn)行表面的整理，以及對(duì)水果物料的向前推進(jìn)起到助力作用。

圖1 包裝機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of packaging machine

2 包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 可編程控制箱設(shè)計(jì)

包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心是控制設(shè)備PLC，正常情況下，需要設(shè)計(jì)可編程控制箱來保證安全設(shè)置。文中使用德國的西門子PLC 作為控制箱內(nèi)的核心設(shè)備，控制器周圍添加隔離端子實(shí)現(xiàn)電路隔離，保證設(shè)備安全性，整個(gè)裝置的電氣原理見圖2。

通過圖2 的原理設(shè)計(jì)可編程控制箱，在包裝機(jī)變頻調(diào)速控制中可以對(duì)變頻器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、啟動(dòng)、停止、速度進(jìn)行控制?？删幊炭刂葡溥€可以發(fā)揮設(shè)備運(yùn)行狀況檢測(cè)的作用，通過模擬量信號(hào)的輸入，識(shí)別變頻器運(yùn)行是否處于正常狀態(tài)。由于采用工業(yè)文本顯示控制信息，促進(jìn)了操作者的控制便利性。最后，隔離技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)了PLC 的抗干擾能力，提高了包裝機(jī)變頻調(diào)速控制的可靠性。

2.2 變頻器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中另一個(gè)不可或缺的硬件就是變頻器，良好的變頻器設(shè)計(jì)可以控制設(shè)備電流、穩(wěn)定電壓、解決能耗。經(jīng)由供電的頻率的變化實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速[14-15]。具體的變頻調(diào)速原理見圖3。

圖3 變頻調(diào)速原理Fig.3 Schematic diagram of variable frequency speed regulation

依據(jù)圖3 原理設(shè)計(jì)的變頻器主要職能是控制電機(jī)的變速運(yùn)行。變頻器除了擁有變頻調(diào)速功能還具有保護(hù)設(shè)備安全的能力。圖3 中整流部分由整流器構(gòu)成，它的作用在于將原電源向直流電源轉(zhuǎn)變，通過儲(chǔ)能部分促進(jìn)直流電的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的直流電經(jīng)由逆變部分轉(zhuǎn)換為交流電輸出。上述為包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

3 包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以硬件為基礎(chǔ)，首先對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，然后基于可編程控制箱，完成控制系統(tǒng)所需的PLC 程序。最終實(shí)現(xiàn)基于PLC 技術(shù)的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制。

3.1 設(shè)置變頻器參數(shù)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，依據(jù)變頻器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先對(duì)變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便達(dá)到更優(yōu)的變頻調(diào)速效果。通過對(duì)變頻器的核心異步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解，可以獲得其轉(zhuǎn)速公式為：

式中：fs、p為交流電的輸入頻率與定子極對(duì)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率，它的計(jì)算式為：

式中：fsr為旋轉(zhuǎn)頻率；ns為同步轉(zhuǎn)率。一般情況下s表示的參數(shù)變化都很小，可以忽略不計(jì)，所以影響最終轉(zhuǎn)速輸出的只有定子頻率。通過電磁環(huán)境可以獲得電機(jī)內(nèi)部的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算式：

式中：Ir為轉(zhuǎn)子電流；FM為每極磁通量；KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；cosθ為轉(zhuǎn)子電流的功率因數(shù)。對(duì)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及負(fù)載阻抗特性關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其變化關(guān)系見圖4。

圖4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性及負(fù)載阻抗特性Fig.4 Torque-speed characteristics and load impedance characteristics of motor

由圖4 可知，由于轉(zhuǎn)差率增大會(huì)導(dǎo)致功率因子降低，使得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小，與之相對(duì)應(yīng)的是增加啟動(dòng)時(shí)的功率因子，轉(zhuǎn)矩同樣會(huì)隨之增長(zhǎng)。所以為了保證變頻器使用效果，需要采用低頻率交流電源。除此之外，變頻器主要的參數(shù)設(shè)置見表1。

PLC 程序采用核心微處理器進(jìn)行控制工作，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)形成具有靈活性。由于目前PLC 技術(shù)普遍具有的功能是模擬量信號(hào)處理，也就是經(jīng)由A/D、D/A 模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。再將輸出的信號(hào)輸入變頻器，控制變頻器電源輸出頻率。PLC 程序控制的方式需要保證，變頻器與PLC 程序距離保持不遠(yuǎn)并且要實(shí)現(xiàn)一對(duì)一控制。在包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，PLC 程序的應(yīng)用正好符合需求。

PLC 程序的設(shè)計(jì)見圖5。程序開啟時(shí)M 8000 呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，D5 代表著數(shù)據(jù)寄存器按照正常速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的值保存在D7 中。圖5 中啟動(dòng)按鈕被按下時(shí)MO 呈現(xiàn)閉合狀態(tài)。然后利用D/A轉(zhuǎn)換模塊，將D7 的數(shù)據(jù)值向通道16 轉(zhuǎn)換。依據(jù)判定條件，獲取下降沿，通過D5 的值判斷Y1、Y2 正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)。此外，發(fā)現(xiàn)特殊情況時(shí)，通過X2 控制電機(jī)停止工作。

圖5 PLC 測(cè)試程序Fig.5 PLC test program

3.2 基于PLC 實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制

通過對(duì)PLC 程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制。將PLC、變頻器的功能結(jié)合起來，完成包裝機(jī)變頻調(diào)速控制。文中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，同時(shí)控制變頻器的通信、現(xiàn)場(chǎng)管理等。利用PLC 程序的控制使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，變頻調(diào)速控制的精度和抗干擾性能得以提升?；赑LC實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制后，觸摸屏顯示出變頻調(diào)速控制信息，經(jīng)由觸摸屏完成操作人員的遠(yuǎn)程控制。依靠傳感器測(cè)速系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速信息傳達(dá)給PLC 程序，采用模擬量信號(hào)處理的方式將對(duì)應(yīng)的模擬量向觸摸屏輸出，觸摸屏顯示出對(duì)應(yīng)時(shí)間段的包裝機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速值，并且以圖像的方式將轉(zhuǎn)速波形展現(xiàn)出來。操作人員通過對(duì)觸摸屏上的數(shù)值、圖像的分析，識(shí)別電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否符合工作需求。最終，完成基于PLC 的變頻調(diào)速系統(tǒng)控制。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

完成整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，為了保證文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具備良好的效果，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)程序存放至TPC7062K 中，并且將一體化觸摸屏連接三菱FX2N-48MR 的PLC。利用編寫完成的 PLC 程序完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，然后經(jīng)由FXON-3A 模擬電壓信號(hào)，用0～10 V 的電壓測(cè)試變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。依據(jù)給出的模擬信號(hào)輸出頻率，并且完成電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)的運(yùn)行界面見圖6，通過測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，判斷系統(tǒng)的性能。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試界面Fig.6 Running test interface of system

文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試主要針對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行的，從分段調(diào)速到模擬調(diào)速來進(jìn)行不斷測(cè)試，從電機(jī)運(yùn)行的曲線圖來觀察數(shù)字量調(diào)速的變化。采用數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊設(shè)定好變頻器的參數(shù)。根據(jù)圖5 所示的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)的整體運(yùn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行曲線相符合。確定文中設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行正常后，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行所需能耗進(jìn)行測(cè)試。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，選擇2 個(gè)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)作為對(duì)照組，對(duì)3 個(gè)控制系統(tǒng)在相同條件下進(jìn)行測(cè)試。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在工作過程中，包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由于需要對(duì)變頻器進(jìn)行控制，會(huì)產(chǎn)生較大能耗。對(duì)3 種控制系統(tǒng)在不同壓力下的能耗情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，文中基于PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)的包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，隨著壓力不斷降低，在保證變頻調(diào)速控制水平的情況下，所需能耗同樣在降低，從最初的0.368 kw·h 下降至0.257 kw·h。2 種傳統(tǒng)系統(tǒng)控制變頻調(diào)速所需的能耗雖然也在發(fā)生波動(dòng)，但是并沒有出現(xiàn)具體的規(guī)律變化，而且能耗變化不大。當(dāng)壓力為0.1 MPa 時(shí)，文中系統(tǒng)與2 種傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，能耗分別降低了49.5%和39.2%。

表2 控制系統(tǒng)不同壓力下能耗統(tǒng)計(jì)Tab.2 Energy consumption of control system under different pressure

5 結(jié)語

文中以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)包裝機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。通過文中的設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備變頻調(diào)速的控制，并且在保證控制效果的基礎(chǔ)上降低了控制系統(tǒng)運(yùn)行所需的能耗，降低了生產(chǎn)成本。文中的設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果，但是隨著研究的深入，必然會(huì)將系統(tǒng)更加完善。