塑料挤出机传动系统实现同步 控制的研究

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「变频器」　　塑料挤出机传动系统实现同步控制的研究文/中国海洋大学李厥瑾近年来，随着节能政策、住宅产业政策的实施，塑料异型材及门窗等化学建材得到了大力推广及应用。作为新型化学建材生产的主要设备，塑料挤出机已成为众多机械设备生产厂家所关注的焦点。重点介绍塑料挤出机传动系统中，多电动机同步控制的实现方法。　　近年来，伴随着国家节能政策、住宅产业政策的实施，塑料异型材及塑料门窗作为一种新兴的化学建材得到了大力推广及应用。塑料异型材的生产方法主要是挤出成型法，是指在200°C左右的高温下使塑料熔融，熔融的塑料再通过模具形成所需要的形状。挤出的产品可称为“型材”，由于横截面形状大多不规则，因此又称为“异型材”。作为该种新兴化学建材的生产设备――塑料挤出机，目前也已成为众多机械设备制造厂商所关注的焦点。　　塑料挤出机的电气传动以往大多采用直流传动或电磁调速控制，但前者维护繁杂而且费用巨大，影响设备的使用效率，后者调速精度低，产品档次低，这些都在很大程度上影响了挤出机的发展。随着电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的飞速发展，电气传动技术也有了质的飞跃，交流变频调速系统因控制精度高，调速性能好而成为挤出机传动系统的控制主流。采用变频器调速可以提高机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的同步控制功能。　　塑料挤出机的传动系统简介塑料挤出机传动系统的结构如所示，主要有主驱动电动机M1、喂料电动机M2及牵引电动机M3构成。传动系统要求M1M33个电动机能够同步运行，即在通常情况下给定主驱动电动机的运转速度信号，同步控制的目的就是将这个速度值按一定的比例要求再分配给喂料电动机和牵引电动机，保证3个传动电动机无论在加速、恒速还是减速过程中都能保持预先设定的比例，实现同步控制。　　控制系统的构成及硬件选择本控制系统采用上、下位机管理控制方式，主要由PLC、触摸屏、变频器及常规的低压电器元件构成。　　牵引传动冷却定型机简螺杆减速筘喂料电动机主驱动电动机牵引电动机传动系统结构简图电气传动广品与技术bookmark3触摸屏（HMI）为整个控制系统的操作设置单元。选用SIMATICOP系列操作面板显示器，在设计上尽量采用图形、符号描述操作过程，并配有多幅画面和棒状图显示，使系统的操作变得直观方便。　　系统选用西门子公司S7―300系列可编程序控制器作为主控元件，S7―300可编程序控制器是西门子的中小型PLC，其CPU软硬件集成度较高，I/O模块密度较高，大大降低了开发费用。另外还增加了一些高级智能模块，使系统的结构更简单，运行更可靠。　　变频器主要用于驱动电动机的无级调速，系统采用艾默生公司EV系列变频调速器。EV系列是新一代高性能通用变频器，由于采用了磁通补偿、转矩控制和转差补偿，既保证了低速运行的转矩需求和稳定性，同时又保证了对负载变化的准确快速响应。　　在HMI上可以对整机的各个控制对象进行监控，通过不同的画面将PLC内部数据、I/O状态、各个动作过程以及整机的工作状态、工艺参数一一显示出来，实时监控整机的工作状态；除了显示功能外，还具有配方功能及密码保护设定功能。系统监控画面如所示。　　中，主驱动电动机、喂料电动机及牵引电动机的速度调整应具有一定的同步性。同步，顾名思义就是要按照一定比率来协调主机和从机之间的转速，通常情况下，有一个主给定信号，然后其他两个速度给定的信号应按预先设置的比例关系自动跟随主给定信号。例如选定主驱动电动机的运行信号为主给定信号，喂料电动机及牵引电动机与主驱动电动机的速度比例关系为1：2：3；则不论在加速、恒速，还是减速过程中，当主驱动电动机的速度改变时，其他两个速度值也跟随变化，但始终保持先前的比例关系不变。　　目前较为常用的有以下几种同步控制方案。　　（1）采用同步控制器方式由于传动系统中的各个传动单元都是由独立的变频器来分别驱动的，因此可选择一台同步控制器来实现同步控制，控制方案如所示。　　同步控制器Wl卜主驱动变颊器喂料变频器牵引变频器HMI系统监控画面传动系统同步控制的设计根据挤出机生产工艺的要求，在挤出生产线同步控制器结构图系统工作时，先通过各单元的电位器对各变频器的运行速度分别整定，以达到工艺的要求。调整好各单元后，如需升速或降速，只需调整总的同步电位器，各单元便会以预先调整好的比例速度同步工作，总的主令设定电压（由精密电位器决定）通过给定积分器输出，可实现软起动与软停车。同步控制器一般能输出4路或8路模拟量信号给变频器。　　采用同步控制器实现多电动机的同步控制，虽然在技术实现上比较简单，但由于是采用模拟量控制，受元器件的影响比较大，因而会影响同步控制精度，技术保密性也比较差。　　（2）传统比例控制方式传统比例控制方式的基本结构如所示人机界面HMI1/可编程序控制器S7变频器监控。作为低成本的控制连接万案，米用RS485通信接口对变频器进行控制，无疑是目前最具吸引力的选择。　　通常情况下，采用PLC与变频器构成RS485多分支通信控制网络，如所示。通过变频器标准内置的RS485口可方便地实现与上位机的通信，同时也可挂现场总线或局域网，通过网络进行信息交换，主要有PRFIBUS、Modbus及FF等不同的网络总线形式，采用哪种形式必须配用相应的接口卡。　　又主驱动电动机喂料电动机比例控制结构图牵引电动机系统工作时，操作人员通过HMI设定运行参数，然后通过PLC的D/A转换模块发出DC010V或420mA的模拟量信号控制各变频器的速度指令，使各个变频器驱动电动机按给定的速度运转。各变频器间运转速度的比例关系会自动保存到PLC的数据寄存器中，并在HMI的相关界面显示。　　当需要改变其中任一个的速度值时，其他变频器的速度参数会自动按已保存的比例关系来进行改变，使各变频器间运转速度的比例关系保持不变。　　采用此种控制方式，对于电动机数目不多，电动机分布相对比较集中的应用系统比较合适。但是，对于大规模的生产线，一方面由于电动机数目较多，所以需配置大量的D/A转换模块，从而使系统成本显著增加；另一方面电动机分布的范围较大，距离较远，而速度控制指令信号在长距离传输中易造成衰减，同时也易受外界的干扰，因此会使得整个系统的稳定性和可靠性降低。　　通过网络设定频率是一种高精度的频率设定方式。在采用模拟量控制时，输出端经过一个D/A转换器，经过导线，进入变频器输入端，而变频器内部又经过一个A/D转换器才能参与控制，两个转换器的位数不同和导线的损耗都会造成一定的误差。　　而采用通信总线的控制方式，直接传递的是数字量信号，中间不需要经过转换，没有误差，在传输过程中也不会造成损耗，而且响应速率也会更高。　　目前，随着变频器制造技术的发展，大多数的变频器都具有RS485通信接口，用于系统的配置和主驱动电动机喂料电动机牵引电动机通信总线控制结构图采用该种控制方式，只需用一根双绞线手拉手方式来连接，使得系统连接更加简单。同时由于使用程序和通信控制同步系统，技术上有一定的复杂性，因此可通过PLC的加密进行技术保密，提高了系统的保密性。　　塑料挤出机传动系统同步控制的精度如何，将直接决定设备的使用效果。目前多数厂家仍采用传统比例控制方式，相信随着现代技术的不断发展和完善，通信总线控制方式将会成为一种十分理想的控制方式，传动系统的同步控制精度将会更高，操作将更加方便；而对于设备的性能、产品的质量也会有很大的提高。EA李厥瑾：（1974.7），男，山东章丘人，汉族，中国海洋大学在读工程硕士，现就职于山东电子职业技术学院自动化工程系，主要从事电气自动化专业的教学及自动化控制系统的设计、研发等工作。