刘威, 阮三星



卷烟机风室负压调节的改进

刘威, 阮三星

(常德烟草机械有限责任公司研究所, 湖南常德, 415000)

针对传统卷烟机调节风室负压的比例节流阀采购成本过高、能源浪费的问题, 提出了采用基于西门子SIMOTION平台的伺服变频驱动改进方案。改进后的设备成本更低, 更加节能, 且能更好地满足系统要求。

伺服变频驱动; SIMOTION; V/f控制

卷烟机风室负压的稳定直接影响到烟支的质量, ZJ116等传统卷烟机采用比例节流阀来调节风室负压的大小。风机抽吸风室中的空气产生负压, 使烟丝纤维被吸着在吸丝带上。风室负压的大小受比例阀控制而保持在设定值允许的波动范围内。传统卷烟机比例阀的采购成本过高、机械机构和气路设计复杂, 驱动风机的电机只能以固定的最大设计转速运转而造成能源浪费, 为此, 本设计采用基于西门子SIMOTION平台的变频驱动取代比例阀的控制, 并进行实验验证。

1 实验方案设计

实验采用基于西门子SIMOTION平台的伺服变频驱动控制方案, 如图1所示。伺服控制器通过变频调速驱动负压风机, 为风室提供可调节的负压气源。负压管路安装有负压检测的/转换器, 将工作负压(0～20 kPa)转换为0～10 V的电压信号反馈给伺服控制器, 伺服控制器再根据负压电压信号调节风机的转速, 将工作负压稳定地控制在参数设定值。

图1 改进的风室负压调节方案

2 伺服变频驱动系统设计

SIMOTION是西门子开发的一种全新的运动控制系统。该系统根据实际需要可以对电机进行同步控制、矢量控制、V/f控制等。其中SIMOTION D是基于驱动器设计的控制系统[1–3], 通过控制器与驱动器的结合使其具有极快的响应速度, 从而大大提高系统性能, 并得到了广泛应用[4–6]。本文基于SIMOTI- ON D设计了伺服变频驱动系统。考虑到伺服控制系统的控制精度和实时性, 本设计使用西门子SIZER软件进行功能模块的配置选型和评估, 选用D455为中央处理器, 配置1个55 kW调节型电源模块, 1个18 A的单轴电机模块, 选用西门子交流异步电机驱动风机。伺服变频驱动控制系统拓扑结构如图2所示。

图2 伺服变频驱动控制系统拓扑结构

在SIMOTION SCOUT软件中配置风机电机轴, 并指定风机电机轴为无编码器的速度控制模式, 打开电机轴的V/f控制模式进行相关参数的设置即可对风机进行V/f控制。

3 风机给定速度的算法设计

交流电机变频调速动态响应较慢, 开环的速度控制精度低, 因此根据负压反馈, 对其速度输出采取调节控制, 尽量提高其对气流压力的动态响应和控制精度。风机给定速度算法如图3所示。将风室设定负压与实际负压的差值, 经过调节计算出风机速度的修正值D, 最后将其叠加到当前风机速度o上, 给出最新的风机输出速度。当设定负压与实际负压的差值为0时, 说明风室负压达到设定值的稳定状态, 此时风机以恒定的速度运行。改变计算中的比例因子和积分因子, 可调整风机对压力波动的响应特性。该算法通过在SIMOTION SCOUT软件中运用ST高级编程语言来实现。

图3 风机给定速度算法

4 实验结果与分析

本实验模拟机器在带料情况下的卷烟生产。在机器恒速和变速2种情况下, 测量风机在伺服控制系统的变频控制下所产生负压的相关数据, 实验结果如表1和表2所示。

表1 机器在1 000支/min恒速运转时改变负压设定值实验结果

由表1和表2可知: (1) 机器在恒速运转, 改变负压设定值时, 风室负压均能在较短的时间内到达目标值, 且负压的波动范围小于0.1 kPa; (2) 机器在变速运转, 不改变负压设定值时, 风室负压均能稳定在设定值附近, 且负压波动范围小于0.1 kPa。实验结果表明, 该伺服控制系统对风机电机的V/f控制具有响应速度快、控制精度高等特点, 满足卷烟生产对负压稳定性的要求。

表2 机器在1 000～20 000支/min变速运转时不改变负压设定值实验结果/kPa

风机的耗能跟转速的1.7次方成正比, 因此风机的转速越低耗能也就越少。

实验还在风机驱动电机相同的情况下, 对比了在比例阀调节控制和伺服变频调节控制下风机的转速情况, 结果如表3所示。

表3 2种调节方案下风机的转速测定值

由表3可知, 在比例阀调节控制下风机以恒定的转速运行, 而在伺服变频调节控制下相同负压目标值时风机的平均转速更低, 因此更加的节能。由于伺服变频调节控制下取消了物理的比例节流阀, 使得机械气路和电气电路得到了简化, 因而成本更低。

5 结语

实践证明, 改进的风室负压调节方案能够满足卷烟生产的要求。机械结构和气路得到了简化, 取消了比例节流阀, 降低了采购成本, 且采用变频驱动后更加节能。后续可以对该控制系统进行进一步优化得到最佳的比例因子和积分因子, 从而进一步提高控制系统的控制精度。

[1] 刘威, 阮三星. 基于SIMOTION的多轴同步控制技术在卷烟机组中的应用[J].湖南文理学院学报(自然科学版), 2016, 28(2): 87–90.

[2] 宫悦, 尤晨. SIMOTION D在饮料自动装箱系统中的应用[J].自动化技术与应用, 2013, 32(1): 59–66.

[3] 邓开楠, 高宏岩, 徐一楠. 西门子Simotion运动控制器在普通卧式镗床中的应用[J].机床电器, 2012, 39(3): 11–13.

[4] 王庆鹏, 焦裕玺, 卫璐, 等. 基于SIMOTION控制器的追剪运动控制系统的研究[J].自动化与仪器仪表, 2015(2): 95–97.

[5] 张立群, 李铁才, 万筱剑. SIMOTION D在铜箔后处理生产线上的应用[J]. 制造业自动化, 2008, 30(6): 47–51.

[6] 张杨, 高明辉. SIMOTION在数字化对接系统中的多轴同步控制应用[J]. 航空制造技术, 2010(23): 114–116.

(责任编校:刘刚毅)

The improvement design of the negative pressure regulation of the air chamber in cigarette making and tipping machine combination

Liu wei, Ruan Sanxing

(Changde Tobacco Machinery Co Ltd, Changde 415000, China)

As to the problems of the traditional cigarette making and tipping machine combination which used proportional throttle valve to adjust the negative pressure of the air chamber such as high cost, energy waste, etc. The paper proposed an improvement scheme which use the servo variable frequency drive system based on the SIEMENS SIMOTION platform. The improved equipment is lower cost, more energy saving and can better meet the system requirements.

Servo variable frequency drive; SIMOTION; V/f control

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.01.013

TS 43

A

1672–6146(2017)01–0058–02

刘威, skygod2008@163.com。

2016–11–11

国家烟草专卖局资助项目(11020143270104)。