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老設(shè)備煥發(fā)新活力 ——復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)改善心得
時(shí)間:2015-07-30   來源: 包裝前沿   閱讀:61316次

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干法復(fù)合機(jī)是包裝印刷行業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備,根據(jù)其工藝特點(diǎn),對(duì)設(shè)備的張力控制要求較為嚴(yán)格,當(dāng)薄膜在設(shè)備上運(yùn)行時(shí),必須控制膜面不能因張力變化而產(chǎn)生破損、起皺和拉伸變形等,同時(shí)亦要保證產(chǎn)生的成品(收卷)不能發(fā)生膜松弛或卷心起皺等現(xiàn)象。

張力控制要求控制系統(tǒng)能夠持久地控制塑料薄膜運(yùn)行張力,這種控制對(duì)機(jī)器的任何運(yùn)行速度都必須保持有效,包括機(jī)器的加速、減速和勻速。即使在緊急停車情況下,它也有能力保證薄膜不產(chǎn)生絲毫破損、起皺和拉伸變形。

永新有一臺(tái)上世紀(jì)90年代中期引進(jìn)的臺(tái)灣干法復(fù)合機(jī),由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間已久,已經(jīng)達(dá)不到上述張力要求,為使其能夠繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),我們計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造。

一、臺(tái)灣干式復(fù)合機(jī)相關(guān)性能特點(diǎn)

1、工作原理如圖1所示:


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圖1復(fù)合工作原理框圖

在此系統(tǒng)中,一放機(jī)構(gòu)的薄膜首先進(jìn)入上膠牽引輥,在復(fù)合烘箱中進(jìn)行加熱處理,再與另外一層材料(由二放機(jī)構(gòu)控制)經(jīng)過貼合輥進(jìn)行復(fù)合,最后由收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行收卷。

2、放卷張力控制框圖如圖2所示:


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圖2放卷張力控制框圖

該放卷張力控制系統(tǒng)采用NIRECOTC640張力控制器,操作者根據(jù)原料的寬幅、厚度、工藝要求以及操作經(jīng)驗(yàn),手動(dòng)調(diào)整張力控制器輸出電壓的高低來控制放料磁粉剎車器的輸出力矩。

3、收卷張力控制框圖如圖3所示:


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圖3收卷張力控制框圖

該收卷張力系統(tǒng)采用NIRECOTC440張力控制器,由張力傳感器直接測(cè)定薄膜的實(shí)際張力值,然后把張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號(hào)反饋到張力控制器,通過此信號(hào)與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值對(duì)比,計(jì)算出控制信號(hào),去自動(dòng)控制直流電機(jī)控制板單元,并由直流電機(jī)控制板單元控制直流馬達(dá)電壓輸出,使實(shí)際張力值與預(yù)設(shè)張力值相等,達(dá)到張力穩(wěn)定的目的。

4、張力控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):制造工藝成熟,成本低,控制簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn):放卷張力控制粗糙,收卷張力控制精度低,反映速度慢,不能吸收張力的峰值,機(jī)械的加減速難以處理,不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷。因此,當(dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí),系統(tǒng)瞬間來不及反應(yīng),料帶上張力變化的幅度值會(huì)較大,對(duì)張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。

此外,放料系統(tǒng)的磁粉剎車器和收料系統(tǒng)的直流電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行,機(jī)械性能和電氣參數(shù)都不能達(dá)到正常生產(chǎn)的狀況,單耗、設(shè)備故障率一直居高,設(shè)備的張力系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)在的生產(chǎn)要求。

二、技術(shù)改造

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,經(jīng)過綜合考慮,本著遵循節(jié)約成本、切合實(shí)際的原則,對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理改造。在設(shè)備原有基礎(chǔ)上采用浮輥式(DancerArm)張力檢測(cè)和矢量變頻器的張力控制方式來替代原有的控制系統(tǒng),利用原有的張力控制器TC640和TC440及MB25張力傳感器,繼續(xù)作為用戶設(shè)定、實(shí)際張力顯示和張力演算單元,增加張力浮動(dòng)輥偏位檢測(cè)系統(tǒng)、電空變換器、安川G7型矢量變頻器和反饋編碼器,將一放和二放的磁粉張力器和收卷的直流電機(jī)用交流矢量變頻電機(jī)替代,從而達(dá)到張力自動(dòng)控制的目的,見圖4:


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圖4改造后的復(fù)合工作原理框圖

新增加的浮動(dòng)輥偏位檢測(cè)系統(tǒng),是通過低摩擦精密氣缸帶動(dòng)精密電位器輸出偏位信號(hào),提供安川變頻器速度修正值,以保證張力穩(wěn)定性。同時(shí)利用浮輥式張力檢測(cè)裝置自身的一種特性,對(duì)大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用,同時(shí)也能減弱料卷的偏心(橢圓)以及速度變化對(duì)張力的影響。

新增安川矢量變頻器和交流矢量電機(jī),增加反饋編碼器和PG測(cè)速卡,形成速度閉環(huán)控制,利用其優(yōu)異性能替換磁粉張力器和直流馬達(dá),從而克服磁粉張力器易發(fā)熱、直流馬達(dá)維護(hù)麻煩等缺點(diǎn),并極大改善張力特性。
其中:

(1)NERICOTC640/TC440張力控制器用于操作張力值設(shè)定、實(shí)際張力顯示和運(yùn)行張力演算,并提供電空變換器電壓輸出和安川變頻器力矩控制信號(hào);

(2)MB25張力傳感器用于張力檢測(cè),將板簧微變毫伏電壓信號(hào)輸入到NERICOTC640/TC440張力控制器中,供其與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算;

(3)電空變換器、低摩擦精密氣缸、精密電位器組成浮動(dòng)輥位置檢測(cè)系統(tǒng),將浮動(dòng)輥位置變化轉(zhuǎn)換成精密電位器輸出的±10V電壓信號(hào),提供安川G7矢量變頻器位置修正信號(hào),該信號(hào)與主機(jī)(貼合輪)速度信號(hào)進(jìn)行疊加,對(duì)安川G7矢量變頻器進(jìn)行速度控制;

(4)安川G7矢量變頻器根據(jù)A1端子的速度指令和A3端子的力矩指令,控制交流矢量電機(jī)的速度變化。PG測(cè)速反饋卡用于接收編碼器檢測(cè)的速度脈沖信號(hào),形成矢量閉環(huán)控制,以確保交流矢量電機(jī)運(yùn)行速度的精度。測(cè)速反饋編碼器安裝在交流矢量電機(jī)尾部軸部。

改造后的張力控制系統(tǒng)原理如下:

(1)用戶通過設(shè)定NERICOTC640/TC440張力控制器設(shè)定需要的張力值,通過提取該設(shè)定電壓信號(hào)(0—10V),輸出到電空變換器,使之供給低摩擦精密氣缸一個(gè)氣壓值。精密汽缸帶動(dòng)精密電位器偏移產(chǎn)生位置偏移電壓信號(hào)(-10V—+10V),輸出到安川矢量變頻器中,并與主機(jī)速度信號(hào)進(jìn)行疊加,計(jì)算出速度修正值,從而控制交流矢量電機(jī)速度變化;

(2)張力傳感器檢測(cè)的張力信號(hào)輸入到張力控制器,與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值對(duì)比,計(jì)算出張力變化力矩控制信號(hào),輸出到安川矢量變頻器中,提供力矩控制信號(hào),以達(dá)到控制張力變化的目的。

(3)交流矢量電機(jī)尾部的反饋編碼器提供電機(jī)的速度信號(hào),輸出到安川變頻器的PG測(cè)速卡上,形成速度閉環(huán)控制,用以保證速度的精度,以達(dá)到控制張力穩(wěn)定的目的。

改造后的張力控制原理框圖見圖5:


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圖5改造后張力控制系統(tǒng)框圖

三、改造所需的實(shí)際硬件選型

1、交流矢量電機(jī)

該機(jī)生產(chǎn)速度最大為160m/min,最大可設(shè)置張力F=50kgf,同步皮帶傳動(dòng)效率n=0.9,則所應(yīng)提供的平均功率P為:

P1=f×V=F×g×V

其中,f為張力,單位為N;g為重力加速度,單位為m/s,則有:

P1=F×g×V=(50×9.8×160)/60=1306(W)=1.3(kW)

采用同步皮帶傳動(dòng)減速,則電機(jī)輸出的最小功率P為:

P=P1/n=1.3/0.9=1.45(kW)

考慮到快速響應(yīng)對(duì)加減速的要求,比照原直流電機(jī)的選擇,在此選擇交流電機(jī)功率為3.7kW

2、變頻器

選擇安川400V3.7KWG7變頻器,配套PG卡。

3、電空變換器

采用SMCITV2031-312L5

4、精密汽缸

采用SMCMQMLB6-30D

5、精密電位器

采用塑料精密電位器2K

四、硬件改造

1、增加浮動(dòng)輥系統(tǒng)

在第一放卷、第二放卷和收卷單元新增浮動(dòng)輥系統(tǒng),增加精密汽缸及同步齒輪帶動(dòng)的精密電位器,并在配電柜中增加電空變換器和±10V直流電源;

2、NERECOTC640/TC440電路改造

(1)通過電路改造,我們提取TC640和TC440張力設(shè)定V1(0—10VDC)電壓信號(hào)作為電空變換器控制電壓;

(2)TC440輸出電壓信號(hào)即為0—10V,可以直接控制安川矢量變頻器。但TC640原來是直接控制磁粉張力器,輸出電壓信號(hào)為0—24V6A,不能直接控制安川矢量變頻器,因此通過電路改造,提取TC640電流增幅單元前級(jí)的V2電壓信號(hào),該信號(hào)為0—10V,可以用來控制安川矢量變頻器,見圖6、圖7。


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圖6TC640內(nèi)部單元框圖


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圖7TC440內(nèi)部單元框圖

3、電機(jī)更換

將原系統(tǒng)的磁粉張力器和直流馬達(dá)更換為3.7KW1750RpmABBQABP系列變頻電動(dòng)機(jī),并在電機(jī)尾部安裝歐姆龍LMA-60B-S185Y編碼器;

4、安裝變頻器

在配電柜中增加第一放卷、第二放卷和收卷單元安川G7交流矢量變頻器,并在變頻器中安裝PG-B2PG測(cè)速反饋卡;

5、配線

按照設(shè)計(jì)要求將各部分進(jìn)行配線連接

五、硬件調(diào)試

1、變頻器重要參數(shù)設(shè)置


QQ截圖20150312145249.jpg

2、電機(jī)自學(xué)習(xí)

安川變頻器與交流矢量電機(jī)在初次運(yùn)行時(shí),需要進(jìn)行自學(xué)習(xí)操作,目的是使安川變頻器自動(dòng)計(jì)算和設(shè)定電機(jī)的參數(shù),以達(dá)到最佳匹配效果。

3、浮動(dòng)輥精密電位器位置調(diào)整

當(dāng)浮動(dòng)輥在中心位置時(shí),將精密電位器輸出值調(diào)整為0V;

當(dāng)浮動(dòng)輥朝出膜方向偏轉(zhuǎn)到底時(shí),將精密電位器輸出值調(diào)整為-10V;

當(dāng)浮動(dòng)輥朝出膜相反方向偏轉(zhuǎn)到底時(shí),將精密電位器輸出值調(diào)整為+10V;

電位器采用360°旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電電位器,其有效擺角為330°,正常使用時(shí)旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)小于330°且留有一點(diǎn)余量,以免擺動(dòng)幅度較大時(shí),進(jìn)入電壓死區(qū)影響張力控制。

4、電空變換器電壓/氣壓調(diào)整

調(diào)整電空變換器,使得輸入電壓0—10V變化時(shí),輸出氣壓值為0—5Kg變化。

5、NERECOTC640/TC440張力控制器Zero和Span調(diào)整

(1)Zero調(diào)整

在張力傳感器導(dǎo)輥上無任何膜的情況下,調(diào)整TC640/TC440內(nèi)部Zero電位器,使得TC640/TC440張力顯示為0Kg;

(2)Span調(diào)整

在張力傳感器導(dǎo)輥上掛重20kg,調(diào)整TC640/TC440內(nèi)部Span電位器,使得TC640/TC440張力顯示為20Kg。

六、改造效果

改造后通過試運(yùn)行,效果較為理想,我們對(duì)改造前后收放卷張力、實(shí)際生產(chǎn)單耗情況做了一個(gè)比較,見下圖8、9、10:


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圖8改造前的張力值


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圖9改造后的張力值


QQ截圖20150312145312.jpg

圖10改造前后單耗對(duì)比圖

由于改造后的整套張力系統(tǒng)采用先進(jìn)的矢量變頻器控制,不僅具備較高的控制性能,還有著調(diào)速范圍廣、低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)、精確的轉(zhuǎn)矩控制、迅速的指令響應(yīng)性和安全可靠的保護(hù)功能等特點(diǎn),而且收放卷均工作在閉環(huán)矢量控制模式下,通過浮動(dòng)輥精密電位器的實(shí)時(shí)檢測(cè),在加減速過程中張力控制更穩(wěn)定,并通過設(shè)置PID參數(shù)來補(bǔ)償由于系統(tǒng)慣量、磨擦阻力及材料慣量引起的啟動(dòng)或加速過程中速度不均勻的情況,獲得非常平穩(wěn)的張力控制效果。

總體來說,通過技術(shù)改造,使得老設(shè)備重新煥發(fā)活力,延續(xù)其使用壽命,并為今后類似設(shè)備改造,獲得了寶貴的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。


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