9300ES在纖維濾棒成型機組上的應用

纖維濾棒成型機組是卷煙廠生產過濾嘴棒的設備。近年來，隨著卷煙生產技術的不斷發展，過濾嘴棒的質量直接影響到香煙的口感和對煙氣中有害物質的過濾，而過濾嘴棒的質量很大一部分原因取決于設備動態及穩定運行，特別是卷煙生產自動化水平和生產管理信息化水平的不斷提高，各煙廠對濾棒質量和濾棒生產設備的性能提出了更新、更高、更嚴格的要求。
方案的提出
沈陽市沈飛民品工業公司廠是ZL22A型濾棒成型機組的定點生產廠家之一，該設備生產速度為400m/min，它的主傳動采用的是直流調速(后改為交流變頻調速)，動力是靠變速箱及同步齒形帶來傳遞，開松輥的三個輥調速是靠無級變速器來實現的。這套機械傳動存在一定的不足。例如:無級變速箱工作過程中噪音大、漏油、溫度較高，機械傳動部件長期工作易磨損及維修困難(其中國產無級變速器斷軸)等。
針對上述問題，筆者采用伺服電機代替原有機械傳動的方案，去掉同步齒型帶傳動和無級變速箱，用伺服電機分別帶動輥子和增塑劑噴灑裝置。
過濾嘴棒的生產過程中，原材料為醋酸纖維束，簡稱絲束,在成型之前需要開松，機組的開松機有一個輸送輥，兩個開松輥，為了達到開松的效果，它們跟主傳動之間有不同的傳動比，即1.05:1.45:1.1(不同絲束、不同工藝指標有所不同)，但無論在恒速還是加減速過程中，都必須分別與主機保持固定的傳動比，即必須同步運行，另外，絲束在運行時，為了增加嘴棒的硬度，需對絲束進行甘油的定量噴灑，為了保證噴灑量均勻，噴淋泵電機也必須與主傳動同步。在換紙過程中新、舊盤紙的線速度必須相同才能保證盤紙的順利拼接，即盤紙電機必須與主機同步運行。由此組成一個同步運行系統。
伺服控制器采用倫茨公司的9300ES系列，通過設定數字頻率級聯控制方式實現各電機之間的轉速、相位同步控制，保證各輥輪都按自動/手動設定的比例進行高精度的同步工作。伺服電機的安裝全部采用同軸聯接方式減少機械傳動誤差。
依據轉向輥和兩個開松輥同主電機之間的比例關系及電機的最大轉速及負載扭矩等特性的要求，整個系統配置如下:
六臺伺服電機:一臺電機取代原來的主電機，三臺電機作為從動電機，分別帶動兩個開松輥和一個輸送輥，依靠電子齒輪與主機實現同步聯動，一臺配備減速機帶動甘油泵，其轉速與主機有嚴格比例關系，一臺電機用于換紙加速輥;
六臺伺服控制器:分別對應控制六臺電機;
一臺制動斬波器:對電壓進行斬波處理，實現電機制動控制;
兩個制動電阻:用于消耗制動過程中產生的能量;
PROFIBUS-DP總線及2131通訊模板五套:用于伺服控制器和上位機PLC之間的通訊;
根據機組的控制要求上位機選用西門子S7-300 PLC，PLC的CPU選用具有PROFIBUS-DP現場總線功能的CPU315-2DP模塊，實現與伺服控制器通訊，同時它的MPI口還可與觸摸屏通訊;
采用兩臺人機界面分別顯示開松機及成型機的各種信息，一臺采用西門子的TP170A,通訊形式為PROFIBUS-DP，用于顯示開松機各個輥的轉速、比例關系、線速度及甘油量。另一臺采用DIGITAI公司的GP2500S,用于顯示成型機的各種信息。

主電機與從動電機的速度同步采用LENZE公司伺服控制器特有的數頻級聯控制如圖1所示，主電機的自動給定速度及從動電機的比例可通過PROFIBUS-DP來調節，簡單可靠。
9300ES伺服同步控制系統
GDC軟件簡介
本伺服控制系統采用的是德國倫茨公司的編程調試軟件Global　Drive Control,簡稱GDC。通過CAN-BUS總線，對控制器進行讀寫操作，完成伺服電機各項參數的設定以及對其內部功能塊的靈活連接，實現如邏輯運算、比較等以前在PLC里完成的功能，同時還可以進行現場監控，使操作者時刻了解電機當前的運轉狀況，對現場調試非常方便，尤其對初學者來說，上手特別容易。
信號控制流程

工作過程
機組的工作方式有兩種，一種是手動控制，將速度給定電位器接到模擬輸入X6端子上。另一種是自動控制，通過總線模塊AIF將工作速度輸入到伺服控制器，兩種工作方式靠選擇模塊ASW選擇輸入到NSET模塊，NSET的速度輸出端再與電機模塊MCTRL連接,從而控制電機。ASW的選擇端ASW-SET及電機的轉向R/L/Q靠AIF的BOOL量控制。主機靠數字頻率輸出模塊DFOUT將速度及相位量傳給從機(三個輥)，從機的速度及相位量依靠X9接收，從機的比例調整則依靠DFSET模塊來完成。將比例分子端連到AIF的過程通道，比例分母保持不變。用PLC通過AIF控制比例分母，達到控制從機的目的。
換紙電機M6的控制器程序
該從控制器程序與其它從控制器程序不同的是，它有自己的啟停曲線要求，即為了保證新舊紙盤的順利拼接，啟動新紙盤時，為了新盤紙不被拉斷，啟動曲線在NSET 的控制下按“S”形爬升，當速度與主機同步運行時通過Profibus總線上位機PLC得到同步信號，產生接紙動作，接紙動作完成后，通過一定的延時，接紙電機停止運行，再通過延時松開使能，準備下次接紙。紙接頭的跟蹤靠伺服控制器的相位積分PHINT3得到，兩個相位積分的差值即為剔出值，由 Profibus總線通知上位機PLC打開剔出電磁閥產生剔出動作。
甘油泵M15的電機的控制器程序
該從控制器程序與輥控制器程序基本相同，不同的是它的啟動信號單獨控制，即按鈕按下啟動信號后，立即跟隨主機達到同步速度。
改造效果
改造前后質量對比如表1所示(以下數據來自于云南某卷煙廠品管質檢科)。
圖4示出了改造前后質量對比的直捧圖。表2示出了改造前后設備的有效作業率統計。

圖4和表1、2的說明如下:
表1質量對比

以上數據來自云南某卷煙廠設備管理部，設備的有效作業率提高了1.382個百分點。
AVG是濾棒吸阻的平均值，用來表明數據中各檢測值相對集中較多的中心位置，用于反映數據的集中性，即檢測值以某一數值為中心而分布的性質;
SD是濾棒吸阻的標準差，標準差的大小受數據中每個檢測值的影響。如檢測值間變異大，求得的標準差也大，反之則小;濾棒吸阻的標準差大小說明了濾棒吸阻檢測值偏離目標值程度，數據越大，偏離程度越大，濾棒吸阻的標準差越小說明了濾棒吸阻越穩定;
CV是濾棒吸阻的變異系數，變異系數是標準差與平均值的比值，是衡量數據中各檢測值變異程度的另一個統計量。
SD、CV用于反映數據的離散性，即檢測值分散變異的性質。
從圖4示可知，在保持吸阻目標值恒定的條件下，濾棒吸阻的標準差已由原來的9.81%下降到6.95%，濾棒吸阻的變異系數已由原來的2.84下降到1.91。通過對開松輥控制的改造，可以看出濾棒吸阻的穩定性得到了很大的提高。
在應用了伺服系統后，開松機變得簡潔寬敞、運轉過程中噪音和震動大大降低、機組的平穩性有了大大的改善、電機能夠嚴格按照工藝要求運轉。在調速過程中，伺服電機能很快的響應上位信號而做出相應動作，在收到故障停車信號后，電機在帶負載情況下能夠按要求短時間停車，不僅很大程度減少了原材料的浪費，而且大大提高了安全性。
結束語
從用戶反映看，本次設計是比較成功的，得到了眾多卷煙廠的肯定，伺服系統的應用保留了原先機組的優點，改進了其不足之處，提高機組的性能。本次改進后的機組不僅可以作為新產品打開市場，也為日后同類機組的升級改造打下了基礎。從2001年開始，以伺服控制系統為主的機型已經變成主流機型，并已通入批量生產。