变频器在塑料薄膜机械中的应用

1 引言 一般而言，塑料薄膜机械对传动系统的要求有以下几点： (1) 能在一定范围内平滑调速，通过调节主电机、牵引电机的转速来生产不同规格的产品； (2) 启动、停止平稳，因为塑料机是恒转矩负载，启动、停止平稳可避免太大的机械冲击，另一方面也可减少启动过程中的不合格产品； (3) 电机只需单方向运行； (4) 性能稳定，工作可靠。 为达到以上目的，在塑料机械传动的发展史上，曾相继采用过直流调速、电磁调速，但目前已经越来越多地采用了交流变频调速。综合多年的变频使用经验，采用变频器的目的包括： (1) 节约能源：根据变频器的运行V/f曲线可知，变频器是恒转矩输出的，与其它调速系统相比，平均节约电能达30%以上，在低速运行节能效果更加显著； (2) 提高产品质量：变频调速性能相当稳定； (3) 减少启动时对电网的冲击，启动电流可控制在额定电流内不构成对电压冲击； (4) 减少启动时对机械的冲击，平滑启动可延长机械的使用寿命； (5) 满足无级调速要求，调速简单、操作方便； (6) 保护功能强大。 本文将主要介绍了汇川变频器MD320在塑料薄膜机械的三个典型应用，即吹膜机、制袋机和复合机。 2 变频器在吹膜机中的应用 主机传动是塑料挤出机的主要组成部分之一，它的作用是驱动挤出机的螺杆，并使螺杆能在选定的工艺条件下(如机头压力、温度、转速等)，以必需的转矩和转速均匀地旋转，完成挤出过程。它在其适用的范围内能够提供最大的转矩输出和一定的可调速范围，同时还应使用可靠、维修方便。 塑料薄膜的生产是塑料颗粒经加热后用挤压的方法挤出，由压缩空气吹成塑料薄膜袋子，经牵引机在定型套上冷却定型，再由卷取机卷成成品。对于牵引电机的控制必须引入牵引比的概念，就是牵引辊的速度和机头口模处物料的挤出速度之比。通常牵引比为4~6，太大薄膜易拉断，且厚度控制较困难。因此，牵引电机的控制必须与挤出电机同步且通过电位器可以方便将挤出速度按照牵伸比进行比例调整放大(本方案中采用信号放大器)。 卷取装置的作用是将薄膜卷取成卷，并且使成卷的薄膜平整无皱纹，卷边整齐，卷轴上薄膜应松紧适中，以防止薄膜拉伸变形，保证质量。因此，要求卷取装置保证一定的卷取速度，这个速度不随膜管的直径变化而变化，并与牵引速度相匹配。为保证恒张力收卷，一般吹膜机还会装设有浮动辊。通过浮动辊位置的变化，将会送出一个相应的电压信号给变频器，同时通过PID进行调节收卷的速度以保证浮动辊稳定在某一位置。 在本系统中，采用了比较普遍的表面卷取，它是由电动机通过带或链带动主动辊，卷取辊靠在主动辊上，依靠二者之间的摩擦力带动卷取辊卷在卷取辊上。这种卷取线速度取决于主动辊的圆周速度，而不受膜卷的直径而变化。 MD320变频器有个重要的特点就是频率源的自由组合，如在本方案中，要考虑到主动辊卷取电机既不能单独工作在张力PID闭环状态，这样会造成在主机升速过程中响应滞后，也不能单独采用速度跟随牵引电机，这样会造成张力不稳，而应该采用以速度跟随为主、PID控制为辅的控制方案。对于MD320来讲，只需要设定两种频率源(主速度AI1+PID微调)即可，而微调的幅度也可以随意设定。这样一来，控制就非常方便。 本系统的控制方式参见图1，挤出电机M1采用无速度传感器的矢量控制方式，以保证挤出的高转矩和高精度速度控制；牵引电机M2的速度通过M1的输出按照牵伸比进行信号放大来控制；卷取电机M3的速度则由牵引电机M2和浮动辊信号进行PID微调控制。 图1 吹膜机变频控制 汇川变频器的参数设置如下： M1： F0-01=0(无速度传感器控制方式)； F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主频率源X)； F4-00=1(正转运行)； F5-07=0(AO1输出运行频率)； M2： F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主频率源X)； F5-07=0(AO1输出运行频率)； M3： F0-01=0(无速度传感器控制方式)； F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-04=8(PID控制)； F0-06=20%(辅助频率源范围)； F0-07=1(主频率源X＋辅助频率源Y)；FA-00=0(张力设定为面板数据)； FA-01=50%(张力设定数据)； FA-02=1(张力反馈AI2)； FA-05=20(P值)； FA-06=4(积分时间)； FA-08=0.2(采样周期)。 3 变频器在薄膜制袋机中的应用 塑料薄膜制袋机的控制系统如图2所示，制袋封口机的温控系统可以自动保持温度恒定，焊刀封压时间可以随意调节，以保证焊线牢固美观。 图2 制袋机变频控制 薄膜料卷经输送胶辊(由供料电机M1传动)以主机制袋速度带动后，依次进入光电眼、焊刀、焊口校正器，最后由切刀按照设定的长度切断后退料。 供料电机功率一般都较小，可由单相汇川变频器MD320驱动，采用主速度与辅助速度合成的方式以保证送料的自动化。主速度由制袋电机的实际运行速度A01决定，辅助速度为数字设定UP/DOWN端子(DI2和DI3)，合成方式为主速度+辅助速度。具体如下：当塑料在薄膜监视电眼2范围时，供料电机的频率降低(即DOWN)，当塑料薄膜不在监视电眼1范围时，供料电机的频率增加(即UP)。也就是用监视电眼来自动控制供料速度。 制袋机的主传动M2由三相变频器MD320进行调速，其核心是凸轮装置，并形成制袋工作循环系统。在一般情况下，都建议安装制动电阻以保证快速制动，同时也可以启动直流制动功能。 主要的参数设置可以参考如下： M1： F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-04=0(数字设定UP/DOWN，不记忆)； F0-07=1(主频率源X+辅助频率源Y)； F4-00=1(正转运行)； F4-01=6(端子UP)； F4-02=7(端子DOWN)； F4-12=2HZ(调整自动变化率)。 M2： F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主频率源X)； F0-17=3(加速时间)； F0-18=0.2(减速时间)；F5-07=0(A01输出运行频率)； F6-13=50%(停机直流制动电流)； F6-14=0.1(停机直流制动时间) 4 变频器在塑料复合机中的应用 干式复合机是薄膜机械的一个重要设备，如图3所示，复合基材薄膜卷通过放卷架，进入牵引辊后，在复合干燥箱中进行加热处理，再与第二材料的薄膜进行复合，最后由中心收卷电机进行收卷。 图3 干式复合机变频控制 为了控制收卷的张力稳定，复合机通过浮动辊的信号来调节牵引电机和复合辊电机的速度同步。在中心卷取的过程中，随着卷径的不断增加，收卷电机的速度必须不断减少，同时又要保证薄膜的张力相对平稳。对于收卷系统而言，进行张力控制是核心技术，也是变频调速的难点。在一般情况下，可以采用由直径、转矩补偿和速度计算等模块组成的汇川张力卡。 带有张力卡的MD320变频器具有卷取控制的各种功能： (1) 各种卷径的计算，包括线速度计算、绕圈计算、模拟设定、上位机给定等； (2) 卷径模拟输出，实现人机友好交互功能； (3) 多种线速度测量方式，包括脉冲输入、模拟输入、数字输入等； (4) 实现张力锥度的设定； (5) 实现转矩补偿的功能，如弯曲力矩补偿、静态力矩补偿、惯性力矩补偿等； (6) 具有自动换卷逻辑功能，实现在线换卷功能。 MD320变频器共有3种张力控制方式，开环转矩控制模式、闭环速度控制模式、闭环转矩控制模式。此三种方案的配置主要是考虑系统的张力控制精度要求、系统的成本要求以及装设传感器的位置等，用户可以根据实际情况决定采用哪种张力控制方式。 在本系统中选用了经济而实用的开环转矩控制模式，即变频器工作在转矩控制模式，只需设定所要控制对象的张力。此用法变频器必须工作在闭环矢量方式，电机需要加装旋转编码器。此方式控制最为简单，无需加装张力反馈装置，而且可获得比较稳定的张力效果。通常用于复合机、分切机等张力精度不是特别高的应用场合。 在本方案中，复合辊电机的线速度通过AI1口进入变频器MD320，张力设定值和张力锥度通过高精度电位器输入到AI2、AI3口。数字输入端子应包括启动停止命令、卷径复位命令；另外需外加PG接口卡，以保证转矩控制方式的正常进行。 为保证操作者的正常使用，MD320变频器具有直径信号、张力信号模拟量输出值，因此可以方便地外接数显表来实时显示，同时，卷径得到指示，方便操纵者换卷和卷径复位。 在本方案中，M1的参数设置比较简单，就是速度控制；M2的参数设定与吹膜机中卷取主动辊的设置基本差不多；M3的设置比较复杂，具体为： M3主要有张力参数F0-01=1(有速度传感器矢量控制方式)； F0-02=1(端子运行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主频率源X)； F4-00=1(正转运行)； F5-07=0(A01输出运行频率)； FH-00=1(开环转矩控制)； FH-01=0(收卷)； FH-03=XX(机械传动比，由用户决定)；FH-04=2(张力设定AI2)； FH-06=XXXX(最大张力)； FH-00=1(开环转矩控制)； FH-07=10%(零速张力提升)； FH-08=XX(零速阈值，即当变频器运行速度在此参数所设定的速度以下时，认为变 频器处于零速工作状态)； FH-09=XX(张力锥度系数)； FH-10=0(卷径来源为线速度计算法)； FH-11=XX(最大卷径)；FH-12=XX(卷轴直径)； FH-13=0(初始卷径为面板输入，并通过多功能端子选择其中之一)； FH-24=1(