变频器在塑料三层共挤出吹塑重包装复合膜机组上的应用

1 引言
塑料多层共挤出复合膜机组在国内包装膜的应用上已经越来越广泛,需求量也越来越大，对塑机的产量及各项制品精度的要求也越来越高,目前国内各塑机企业所生产的此类机械，无论各项制品精度及产量都与国外同类产品都有一定的差距。因此国内大中型塑料企业所应用的此类设备设备大都是由国外引进的，我厂在吸收消化国外（德国，意大利，加拿大等国）先进技术的基础之上研制开发的塑料三层共挤出吹塑重包装复合膜机组其制品产量及质量已达到国际水平。
随着变频技术的不断发展与完善，我厂在变频器的应用也有十五、六年的历史，目前在塑机上已广泛应用，我厂应用的品种比较多、三菱、富士、安川、AB、西门子、欧陆、CT、ABB、施耐德、台达、森兰等等。各因为变频电机维护方便节能的特点，也受到多数用户的欢迎。

2 系统构成
根据产品的需求机性能价格的比较我厂最近生产的塑料三层共挤出吹塑重包装复合膜机组的调速控制全部采用ABB公司ACS550-01系列变频器。全机采用12台变频器，用以各环节的速度，张力，力矩等控制，完成整机的自动控制过程。本设备是将塑料粒子经自动上料机送入自动称量机构，均匀加料给挤出机，三台挤出机将塑料经分层的流道挤入机头，在膜口处汇合，形成分层的复合膜，经外风环冷却及内冷控制，形成膜泡，再经过人字板夹匾，经上牵引机牵出，然后经过电晕处理，经过冷却辊冷却，再经过纠偏，张力辊，除静电装置，至下牵引机，从下牵引机穿过一个张力浮辊到摩擦辊，再由摩擦辊和中心卷取辊共同完成卷取。卷径达到设定要求后，由卷取机自动完成卸卷任务。该机的整条生产线可实现高度自动控制工作，参见附图。仅在卸卷完成后有人用车取走膜卷即可。


附图 塑料三层共挤出复合膜机组生产线
2.1 整机完全实现网络化控制
主控部分是由奥地利B&R公司的计算机可编程控制器（PCC）来实现的。整机实现网络化控制，与上位工控机采用TCP/IP通讯，其他有工业以太网总线及Modbus通讯。
整机采用了12台变频器，所有变频器全部与PCC进行通讯，由于变频器与PCC都具有Modbus通讯口，互相通讯就很方便，无需再加任何通讯模块，可以省掉很大一笔通讯模块的成本，但由于整机通讯的数据量较大Modbus通讯速度在时间上会有一个滞后的问题，（本机经过试验）大约滞后0.5s。这在设计具体情况要考虑到适时性的问题。在后面将会具体介绍。
所有变频器全部采用矢量速度控制。由于所有变频电机基本均无过载情况，故变频器容量均选择在刚好超过电机额定功率即可。
● 通讯内容
采集的信号：各变频电机的运行频率，速度，电流，故障报警信号。
控制信号：启动，停止，正、反向运行，速度给定信号等。
各变频电机的运行频率，速度，电流，故障报警信号在计算机可编程控制器中进行处理后可以在位于操作柜的触摸屏上显示出来。电机的正反转，启动停止，速度给定等亦可由触摸屏上给出，很方便地实现人机对话。
三台主电机的功率分别为一台75kW和两台45kW变频电机由于挤出机工作特性无过载工作所以选择一台ACS550-01-157A-4和两台ACS550-01-96A-4即可。主电机的速度是由产量计算出来的，当操作人员在触摸屏上设定了产量，制品厚度，制品宽度，每层膜所占的厚度比例，料的比重后计算机可编程控制器就可以给出整机的线速度及每台主机的加料量，并提供给系自动控制主电机转速，根据计算出的加料量的设定值与定量加料（失重计量）检测的实际值的偏差微量调整主电机的转速，达到闭环控制的作用。其过渡过程是缓慢的，所以主电机的给定信号不受通讯时间滞后的影响，故主电机给定值可由 Modbus通讯给出。
2.2 变频器的应用
因为要精确对应产量，主电机的速度要求是一个精确值，故而主电机采用光电编码器反馈闭环控制。变频器要选用编码器模块，型号OTAC-01。编码器采用SBH-1024-2T型。
上牵引机的速度给定值是由计算而来（前面已经提到），同时根据膜的厚度的设定值与实际值的偏差微调上牵引机速度,而且整个过渡过程是比较缓慢的，故给定信号不受通讯时间滞后的影响，其给定值选择是由Modbus通讯给出。但是所要求的速度值是一个高精度的，这对于精确计算产量很重要，故而上牵引电机采用光电编码器反馈闭环控制。编码器由德国诺顿电机（电机直连减速机）原装配套。
上牵引与下牵引之间形成一个张力区间。上牵引的反馈值作为下牵引的基本速度给定,同时叠加一个张力微调控制信号，这个信号由张力给定信号，与张力反馈信号比较（张力反馈信号由张力辊两端的张力轴承检测），再经过PID运算，叠加到下牵引的速度给定端，形成一个张力闭环控制，使上下牵引区间的张力保持在稳定的设定值。因为有张力反馈自动控制，故下牵引电机不需要编码器反馈,但张力控制闭环要求适时性很高,所以下牵引机的给定输入采用模拟量直接输入。变频器选择模拟量4-20mA端子输入。
下牵引与摩擦辊之间又是一个张力区，下牵引的反馈值作为摩擦卷的基本速度给定，同时叠加一个张力微调控制信号，这个信号由张力给定信号,与张力反馈信号比较（张力反馈信号由张力浮辊所带动的位移传感器检测，见附图），再经过PID运算，叠加到下牵引的速度给定端，形成一个张力闭环控制，使下牵引与摩擦卷区间的张力保持在稳定的设定值。因为有张力反馈自动控制,故下牵引电机不需要编码器反馈,同下牵引机一样张力控制闭环要求适时性很高,所以摩擦卷取机的给定输入亦采用模拟量直接输入。变频器选择模拟量4-20mA端子输入。
中心卷取机的作用是和摩擦卷取共同完成膜的收卷工作，同时使膜在入卷时自动收紧并保持一定张力,但又不可张力过大将中心卷的卷轴拉出支架,此时选择变频器控制就不能保证最低转矩,所以中心卷取选用伺服控制器,变力矩输出。
旋转器电机是带动旋转人字板往返360°旋转的电机，无速度精度要求开环即可满足。由触摸屏给定一个速度值，Modbus通讯给到变频器即可。无编码器反馈涡旋泵电机是为上牵引的气垫辊提供压力气源的，电机转速要求工作在70Hz范围内，所以变频器的给定频率的上限值设定75Hz，电机额定频率参数亦选75Hz，最大频率参数亦选75Hz，恒功率调速。由触摸屏给定一个速度值，Modbus通讯给到变频器即可。无编码器反馈转位杆电机的作用是在卷取换卷切割时将膜挑起切割完毕将卷轴慢慢放回卷取位在卷取切割周期内按程序绕摩擦卷旋转一周,无速度精度要求开环即可满足。由触摸屏给定一个速度值，Modbus通讯给到变频器，无编码器反馈。不同之处在向下放卷轴时会有一个被动旋转过程，有时会报超速故障，此时将变频器的速度最大值的参数放大一点即可解决。更理想的状态是启用制动单元。这在以后的产品中考虑。
风环电机是给外风环通风冷却用膜的外表面用的。其速度控制采用开环控制即可满足工艺要求。根据实际调试的结果,电机的实际电流还有一定的余量,而工艺上还可以再进一步加大冷却能力。所以变频器的给定频率的上限值设定60Hz,电机额定频率参数亦选60Hz,最大频率参数亦选60Hz,此时电机的功率刚接近额定功率。由触摸屏给定一个速度值,Modbus通讯给到变频器,无编码器反馈。
内冷控制的原理是排风风机设定在根据工艺要求的一个固定速度，根据超声波反馈的膜泡直径（通过测量超声波到膜泡的距离，折算出膜泡的直径）与设定的膜泡直径的偏差经PID自动调节进风风机的进风量，达到稳定膜泡直径的作用，这就要求进风电机要有快速跟随调节作用，考虑到风机的惯性较大，在速度由高向低调节时会因惯性而加长过渡过程，进风变频器选择了带制动电阻制动功能，进风变频器ACS550-01-12A-4装置自带内置制动单元，外选一个制动电阻即可，制动电阻参数按照ACS550用户手册380V-480V传动选型列表选取100欧姆750瓦。（根据实际生产结果看，这个数字有些保守下一台设备准备选用80欧姆600瓦。）由此进风变频器选4-20mA模拟量端子输入，因有膜泡直径反馈闭环控制无须选编码器反馈。排风变频器由触摸屏给定一个速度值，经Modbus通讯给到变频器,无编码器反馈。

3 结束语
配合我厂专利的内冷自控技术使控制膜泡折径控制产生奇佳效果，折径误差小于正负2毫米，达到国际先进水平。
由以上12台变频调速为主组成的生产线经在用户厂调试及生产实践完全达到了预期设计的目标,整机运行状态平稳可靠，所有数据,参数,操作及人机对话均由触摸屏实现显示,完全实现自动化,平均每条线一人即可操作，整条生产线得到用户的高度评价。

信息来源于：变频器世界