為解決紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及能耗問題，本文經(jīng)過分析、實驗與驗證，研發(fā)設(shè)計并提出基于高速智能化溫度及運行控制系統(tǒng)、共直流母線技術(shù)的傳動系統(tǒng)。經(jīng)驗證，本文研制的紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合新型生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率提高和節(jié)能等優(yōu)點。
擠出復(fù)合機是生產(chǎn)食品軟包裝材料的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，它將熱塑性塑料在擠出復(fù)合機中熔融，從扁平機頭中呈薄膜狀均勻流出并連續(xù)涂復(fù)在基材上，經(jīng)復(fù)合制成多層復(fù)合薄膜。我國在上世紀(jì)80年代后期開始對紙塑鋁多層共擠出復(fù)合設(shè)備進行研究，但由于核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)水平有限，生產(chǎn)機械普遍存在數(shù)字化控制程度不高、運行不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低下、能源消耗大等缺點，基本上是分散控制，產(chǎn)品附加值不高，高端控制元器及控制系統(tǒng)主要依賴進口，特別缺乏針對數(shù)控機械的機、電、氣、液、控一體化特點進行的系統(tǒng)智能化集成。基于這一現(xiàn)狀，本論文提出研發(fā)基于高速智能化溫度及運行集成控制系統(tǒng)、共直流母線技術(shù)的傳動系統(tǒng)，來提高擠出復(fù)合機的生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)過程能耗，最終提高擠出復(fù)合薄膜的產(chǎn)量、降低制造成本。
一、高速智能化系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計
1、高速智能化溫度及運行控制系統(tǒng)
本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的功能主要是獨立且精確控制各設(shè)備的溫度和動作過程，要求有手動和自動兩種操作方式。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)由可編程控制器(PLC)系統(tǒng)和上位計算機連網(wǎng)組成，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。PLC完成各設(shè)備的動作和溫度控制，即實現(xiàn)設(shè)備的位置、溫度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，同時向上位機傳送這些數(shù)據(jù)并根據(jù)接受的指令和傳感器反饋信號等，實現(xiàn)對各設(shè)備動作和溫度的閉環(huán)控制。同時，本生產(chǎn)線中所有的張力控制運算和邏輯運算等都由 PLC來處理。上位計算機包括管理層計算機和工程師計算機，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)測、控制和管理。通過人機對話進行參數(shù)和指令程序的設(shè)定、編輯和修改，將PLC傳送上來的數(shù)據(jù)以各種圖表、曲線等進行實時顯示，以利于系統(tǒng)的維護與故障診斷。從控制精度、掃描速度以及系統(tǒng)維護性等方面考慮，PLC采用SIEMENS公司的 S7‐300 系列PLC和相關(guān)I/O模塊。
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圖1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)的人機界面與 PLC 控制系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)通過Profibus 總線組成一個可靠的實時控制系統(tǒng)總線，最高速度可以到達 10Mbps。而由于溫度控制系統(tǒng)與人機界面之間的通訊數(shù)據(jù)量大，各個站點分布在移動平臺上，造成布線困難，且電磁環(huán)境復(fù)雜，容易受到變頻器的干擾，所以本系統(tǒng)采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的 MODBUS/TCP 總線來組網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)速度快，抗干擾能力強，容易低成本擴展。Modbus/TCP 是 Modbus 的延伸，它基于以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP協(xié)議，直接應(yīng)用第四層。它定義了一個結(jié)構(gòu)簡單的、開放和廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。在本控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場中央控制人機界面作為一個 MODBUS/TCP 的主站，每臺擠出機都作為一個 modbus/TCP 的從站，通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。在使用遠程維護功能時，也可以通過以太網(wǎng)進行程序更新。
本系統(tǒng)通過一個網(wǎng)關(guān)將通訊系統(tǒng)的局域網(wǎng)連接到生產(chǎn)現(xiàn)場的管理層局域網(wǎng)或是廣域網(wǎng)。管理人員可以使用 Windows 的IE瀏覽器，即可訪問到感興趣的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)含有安全管理模塊，可以設(shè)定最多 8 個操作級別，每個操作級別可以設(shè)定多個用戶。每個用戶在登錄后，根據(jù)不同的授權(quán)，可以進行相關(guān)的操作或是瀏覽數(shù)據(jù)。同時，系統(tǒng)會生成一個事件記錄，將每個用戶的登錄信息進行記錄。
本系統(tǒng)舍棄了 Modem 撥號方式的遠程連接模式，而采用了基于ADSL網(wǎng)絡(luò)的遠程維護系統(tǒng)。廠家不僅能對 PLC程序也可以對人機界面和溫控模塊的程序進行遠程更新和維護，大大提高了檢修的速度和方便程度。
溫度控制對于擠出機來說是非常關(guān)鍵的，溫度控制不良，會直接影響到擠出均勻度與淋膜品質(zhì)。因此，為了保證控制精度，本系統(tǒng)將溫度控制系統(tǒng)完全從 PLC控制系統(tǒng)中獨立出來，采用專業(yè)的溫度控制模塊，每個模塊都有獨立的運算 CPU，再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C界面，這樣既保證了高質(zhì)量的溫度控制要求，又滿足了工藝數(shù)據(jù)的集中設(shè)定顯示以及保存的要求。
2、共直流母線技術(shù)的傳動系統(tǒng)
紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備一般含有兩臺放卷機，為維持放卷機的張力，放卷機的傳動電機需發(fā)生制動，而國內(nèi)的紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備中放卷機通常采用在電機的變頻器中配備制動單元和制動電阻來實現(xiàn)，變頻器通過短時間接通電阻，使制動產(chǎn)生的電能以熱方式消耗掉。這種消耗電能的方式致使傳統(tǒng)的紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備能耗大，生產(chǎn)成本高。
共直流母線技術(shù)是在多電機交流調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能;當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)電功率大于電動功率時，制動引起的再生能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng)，從而達到節(jié)能目的。
本項目的共直流母線控制系統(tǒng)由整流/回饋單元、公共直流母線、逆變器等組成。如圖2所示。主回路部分為交直電壓型，功率單元采用IGBT組件。本系統(tǒng)采用一套整流/回饋單元供應(yīng)多臺逆變器，每臺逆變器的直流母線均并聯(lián)在一起。每個電機都用單獨的逆變器驅(qū)動。因此逆變器反饋的能量可以彼此再生利用。所有逆變器能量不足的部分再由整流橋提供，由交流電源供電，因此這種應(yīng)用方式節(jié)電率最高。同時可以提高設(shè)備運行可靠性，減少設(shè)備維護量和設(shè)備占地面積。
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圖2 公共直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
整流/回饋單元把交流電源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源，即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時，該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定，其原理如圖3所示。該整流/回饋單元使用IGBT的四象限運行，可以避免由于電網(wǎng)故障等引起的逆變器換向失敗。
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圖3 整流/回饋單元的原理圖
逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機平滑調(diào)速的目的。其原理如圖4所示。
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圖4 逆變器原理圖
本生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用共直流母線技術(shù)后，解決了多電機間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾，放卷機產(chǎn)生的電能回饋至電網(wǎng)，用于驅(qū)動收卷機的運行，運行后節(jié)電效果明顯，節(jié)電率達40%(輔機)。同時采用共直流母線控制系統(tǒng)后，各電機運行特性較好，電機的轉(zhuǎn)速降低，使電機軸承、斷面密封等部件不易磨損，且由于變頻器功能強大，可靠性高，使得機械故障、電器故障減少，設(shè)備壽命延長，從而大大減少了設(shè)備維修工作量和費用。
二、生產(chǎn)線效能分析
1、效率分析
本研究項目以三層共擠復(fù)合材料LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm、EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm分組進行生產(chǎn)過程檢測，主要對生產(chǎn)速度、機械速度、生產(chǎn)產(chǎn)量、生產(chǎn)效率方面進行分組測試、實驗與分析，具體生產(chǎn)指標(biāo)對比見表1。
表1 傳統(tǒng)型生產(chǎn)線與新研發(fā)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝指標(biāo)對比一覽表
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項?目 |
傳統(tǒng)型三共擠生產(chǎn)線 |
新研發(fā)三共擠生產(chǎn)線 |
對比增幅（%） |
||
|
速度參數(shù)（m/min） |
生產(chǎn)速度 |
120～150 |
240～260 |
+73.3～100 |
|
|
機械速度 |
160～200 |
280～300 |
+50.0～75.0 |
||
|
溫度偏差（℃） |
±7 |
±1 |
-600 |
||
|
生產(chǎn)產(chǎn)量 （kg/h） |
第1組 |
C |
138.8 |
208.5 |
+50.2 |
|
D |
217.2 |
326.1 |
+50.1 |
||
|
E |
152.7 |
229.7 |
+50.4 |
||
|
第2組 |
F |
147.6 |
221.8 |
+50.3 |
|
|
G |
215.7 |
325.9 |
+51.1 |
||
|
H |
232.9 |
343.6 |
+47.5 |
||
|
生產(chǎn)效率 |
68.6～71.2 |
94.8～98.3 |
+38.2 |
||
*三層共擠復(fù)合材料第1組為：LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm，第2組為：EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm，擠出量以單機最大值計，生產(chǎn)效率以連續(xù)生產(chǎn)同一產(chǎn)品在同一時間內(nèi)單位產(chǎn)量計算(注：生產(chǎn)效率=[生產(chǎn)實際產(chǎn)量×實際生產(chǎn)時間]÷[設(shè)計產(chǎn)量×生產(chǎn)總時間] ×100%)。
上述檢測數(shù)據(jù)及對比實驗表明，隨著智能化程度的提高，特別對于溫度控制系統(tǒng)、速度PLC伺服系統(tǒng)等實現(xiàn)高度精準(zhǔn)控制，加上機械速度提高超過50%，生產(chǎn)產(chǎn)量提高了47.5%～51.1%，紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率也大大提高。
2、節(jié)能分析
本研究項目同樣以三層共擠復(fù)合材料LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm、EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm分組進行生產(chǎn)過程檢測，主要對加熱系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和輔機系統(tǒng)的電流、使用功率進行測試，與傳統(tǒng)型生產(chǎn)線電機功率進行對比及節(jié)能分析見表2、表3。
表2 傳統(tǒng)型生產(chǎn)線與新研發(fā)生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程能耗對比一覽表
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項?目 |
傳統(tǒng)型三共擠生產(chǎn)線 |
新研發(fā)三共擠生產(chǎn)線 |
||
|
裝機功率 |
實際有用 |
裝機功率 |
實際有用 |
|
|
加熱系統(tǒng)(KW) |
600 |
550 |
420 |
235 |
|
擠出系統(tǒng)(KW) |
550 |
450 |
450 |
270 |
|
輔機系統(tǒng)(KW) |
100 |
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