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Lenze 9400在ZL22C纤维滤棒成型机组上的应用

--Lenze 9400在ZL22C纤维滤棒成型机组上的应用

供稿:伦茨(上海)传动系统有限公司 2016/6/2 15:46:07

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  • 关键词: 伺服同步驱动
  • 摘要:本文通过对9300与9400系列伺服控制器ZL22C纤维滤棒成型机上应用的对比,充分体现了9400系列伺服的优越性,阐述了9400系列伺服的具体应用,ZL22C机组的整个传动系统采用了9400系列伺服后,使该机组的控制精度更高、实时响应性更好,为了更好地配合9400系列伺服,我们将系统的主控部分从PLC改为了PC控制,通讯从Profibus改为了EtherCAT通讯,使9400系统伺服通过上位机PC给定的启停、速度、比例等通讯数据响应更快,更具有实时性。

1. 概述
       纤维滤棒成型机组是卷烟厂生产过滤嘴棒设备。近年来,卷烟生产技术不断发展,过滤嘴棒质量直接影响到香烟口感和对烟气中有害物质过滤,而过滤嘴棒质量很大一部分原因取决于设备动态及稳定运行,我厂现主要生产的是ZL22A滤棒成型机组,ZL22A机组动力是靠变速箱及同步齿形带来传递,开松辊三个辊调速是靠无级变速器来实现,为了能使设备更稳定运行,我们对该设备进行伺服了改造,取消无级变速器等的机械传动,用伺服控制器来代替,改造后的设备称为ZL22C纤维滤棒成型机组,它的生产速度由400m/min提高到500m/min;其主控部分采用的是SIEMENS的S7-300系列PLC(可编程控器),机组的主传动采用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器组成的电轴同步系统,该系统跟随精度高、可靠性强,它取代了ZL22A开松机部分的无级减速器等机械部件,使维修更加方便、控制更加灵活。PLC与9300系列伺服通过Profibus  DP总线进行通讯,将主轴的启停信号、运行速度、从轴的运行比例预置到发送给各控制器,控制器将一些动态运行数据返回给上位机。在换纸技术上,ZL22C采用的是不降速换纸,这样使操作方便、快捷,同时也提高了生产效率, 使吸阻更稳定操作和维修更方便。下图为ZL22C型纤维滤棒成型机组的同步系统控制图:

       ZL22C滤棒成型机组性能虽然在ZL22A滤棒成型机组的基础上有了很大改进,但是为了在烟草行业能有更大的市场、更强的竞争力,我们还必须对ZL22C机组做进一步的改进,通过对烟草市场的调研、分析,我们将提高滤棒长度的控制精度、系统的实时快速响应性提到日程上来。提高棒长的控制精度使机组的性能更优越,提高控制系统的实时快速响应性它不但可以将大家都关心的同步控制精度的同步误差实时的显示出来,还可以为将来开发一些实时在线检测设备留有开发空间。
2. 提高棒长的控制精度
2.1 ZL22C型纤维滤棒成型机组滤棒的形成
       ZL22C型纤维滤棒成型机组由开松机、成型机、装盘机三部分组成,纤维束通过悬臂上的扁平喷咀吹开纤维束使其宽些,再经过两个转速不同的开松辊对其进行拉伸和开松,然后进入喷淋室喷洒三醋酸甘油乙脂,再经过转向辊传送到成型机上的收集喇叭口,接着丝束与过滤棒纸带一起送到成型腔中成型,形成过滤棒后由切刀装置切成单根的过滤棒,最后进入装盘机进行装盘。下图为ZL22C滤棒形成示意图:

2.2如何提高棒长的控制精度
       ZL22C型纤维滤棒成型机组的过滤棒长度主要是由同步系统中控制物料进给的布带轮电机与控制切割的刀头电机的同步性来决定的,提高棒长控制精度主要是提高它们的电机编码器反馈精度及伺服控制器的控制精度。
ZL22C型纤维滤棒成型机组选用的是LENZE公司的9300系列伺服控制器及旋转变压器反馈的伺服电机。我们的具体做法就是将旋转变压器反馈的伺服电机该为编码器反馈伺服电机,下面的表格为反馈精度的对比表。

注:以3000转为基础
提高伺服控制器的控制精度,我们将9300系列控制器升级到处理速度更快的9400系列。

3. 9400系列伺服在ZL22C型机组上的具体应用
3.1 9400系列伺服控制器的突出特点
       9400系列控制器之所以优于9300系列控制器是由它的自身特点决定的。
  *具有高性能驱动,具有模块化设计、全组装概念以及简便可集成的安全技术。
  *中心处理器由9300系列的16位改为32位,信号分辨率提高一倍。
  *它的安装背板和驱动电子模块是分开的,使它的组装和使用非常的方便;模块化的驱动系统更容易地适应用户的应用,使用户具有更大的自由度;
  *可选的、可插拔的安全模块满足IEC61508SIL8安全标准。

3.2 9400系列伺服控制器的硬件配置
       为了控制系统的的兼容性,我们将ZL22C机组的整个电轴同步系统都改为9400系列。我们采用的是9400多轴伺服驱动,内置制动斩波器,整个同步系统配置一个电源模块,采用直流母线方式供电,它比单轴伺服驱动的有很好的性价比,配置如下图:

E94APNE1004为电源模块
E94AMHE0244、E94AMHE0074、E94AMHE0024为9400伺服控制器
E94AZEX100为直流输入模块
X109、X110为直流母线供电
3.3 9400系列伺服控制器同步系统的控制方式
       在9300系统里采用的是实主轴控制方式,由实际主轴(刀头伺服)发送自身的位置,通过数频级联的方式把主轴的位置传递给从轴,从轴(布带轮等)按一定跟随比例跟随主轴同步运行,主轴自身会比从轴滞后一个1ms扫描周期,要想克服这个滞后,在9400系统中,我们采用虚拟主轴控制方式,即采用第三方控制器通过CAN总线发送同步报文,我们将装盘机的链条电机作为虚拟主轴,它只用来发送同步报文不参与控制,虚拟主轴通过报文将主轴的位置告知从轴,从轴刀头电机、布带轮等同时收到报文后按一定的比例同时随动,这大大提高了同步系统的控制精度。控制方式如下图:

3.4 9400系列伺服控制器软件介绍
       9400系列伺服控制器软件为Engineer  9400 工程软件,它是一体化的编程、调试软件,即一个项目一个程序,多根轴同时编辑在一个项目里,调试时可多根轴同时占线调试。这样给编程、调试带来更大的方便。
下图示出伺服控制主要信号流程图:

       伺服控制系统是通过Ethercat总线来完成上位机PC与伺服控制器之间通讯, 参数通道传送速度比较慢,用于一些不需要实时处理的控制参数如:控制器上升时间、下降时间等参数的设定,而过程通道传送速度比较快,用于一些需要快速处理的参数如:速度给定、比例调整、速度读出、急停等控制。
主要功能块介绍:
       NSET  速度设定及斜坡发生器设定模块
       虚拟主的速度通过模拟量的电位器或数字量的上位机将速度给定到NSET模块,设定后速度可通过内部斜坡发生器来控制其平稳增减速度及启停。
       MCTRL  电机控制模块
       它可对电机速度和相位进行控制,它内部是一个三闭环控制系统即速度环、相位环、电流环,可调节模块中PI参数来实现调节电机稳定性。
       DFSET  比例调节模块
       用于从机与主机比例关系设定。
       9400系统伺服控制器程序介绍,ZL22C滤棒成型机组各电机控制曲线如下图所示。

工作过程
       机组工作方式有两种,一种是手动控制,将速度给定电位器接到模拟输入端子上。另一种是自动控制,总线模块Ethercat将工作速度输入到伺服控制器,两种工作方式靠选择模块ASW选择输入到NSET模块,NSET速度输出端再与电机模块MCTRL连接,控制电机。ASW选择端ASW-SET及电机转向R/L/Q靠Ethercat的BOOL量控制。虚拟主机靠总线CAN模块发送同步报文将速度及相位量传给从机(三个辊),从机通过CAN总线接收同步报文后按比例运行,从机比例调整则依靠DFSET模块来完成。,比例分母保持不变,将比例分子端连到Ethercat过程通道,通过上位机给定。
       换纸电机M6控制器程序
       该从控制器程序与其他不同的是,它有自己启停曲线要求,即保证新旧纸盘顺利拼接,启动新纸盘时,新盘纸不被拉断,所以需用NSET 模块的斜坡需按“S”形爬升,当速度与主机同步运行时发送给上位机一同步信号,产生接纸动作,接纸动作完成后,一定延时,接纸电机停止运行,再延时松开使能,准备下次接纸。纸接头的跟踪靠伺服控制器两个相位积分PHINT1和PHINT2的差决定剔除位置,由Ethercat总线通知上位机PC打开剔出电磁阀产生剔出动作。
       甘油泵M15电机控制器程序
       该从控制器程序与辊控制器程序基本相同,不同是它启动信号单独控制,即按钮按下启动信号后,立即跟随主机达到同步速度。

4. 提高主控系统的实时快速响应性
4.1倍福(BECKHOFF)PC的选择

为了使9400的快速处理速度得到充分发挥,应该提高上位机的处理速度,ZL22C型纤维滤棒成型机组系统的主控部分为SIMATIC  S7-300可编程控器,整个系统的执行扫描周期为27ms,我们生产一支滤棒的扫描周期为t=60秒/5000支=12ms(生产速度为500m/min;每支棒100mm长)这样对于检测每支滤棒参数的实时性是无法达到的,扫描周期想大幅度的提高,必须将PLC改为PC控制,下图为PLC与PC控制的扫描周期对比图:

        从上图可以看出PC的执行时间远小于PLC,所以我们选择PC作为机组的主控系统,我们选定德国倍福(BECKHOFF)CP62 xx系列的PC作为整个系统的中心处理主站单元,它配有高性能的 Intel� 处理器(Core™ Duo 和 Core™ 2 Duo)。
倍福(BECKHOFF)CP62 xx系列的PC(12〃、800�600像素)是一种嵌入式面板 PC ,它的主要性能指标如下:
*   采用 3.5 英寸高度集成的主板,适用于 Intel� Core™ Duo 或 Core™2 Duo 2.0 GHz 处理器
*   512 MB DDR2RAM,可在出厂前扩展到 2 GB
*   主板集成显卡、Intel� GMA950、DVI-I 接口
*   主板集成双以太网适配器,
*   结合 Windows XP 或 Windows CE 下运行的的高性能 TwinCAT 自动化软件
*   用于在失电保护时保存数据的 NOVRAM 也可通过迷你 PCI 插槽插入

4.2系统的通讯
       我们选择CP6201自身集成的通讯方式EtherCAT,因为EtherCAT是一种基于以太网的高性能工业通信协议,具备灵活的网络拓扑结构,它扩展了IEEE 802.3以太网标准,使得数据传输中具有可预测性、定时及高精度同步等特点。EtherCAT通讯速度极快,系统循环时间为100 �s (min. 50 �s),减小了数据传输时间,加快了任务的执行速度,1000 个分布式 I/O 数据的刷新时间仅为 30μs - 其中包括端子模块周期时间。通过一个以太网帧,可以交换高达 1486 字节的过程数据,几乎相当于 12000 个数字量 I/O。而这一数据量的传输仅用 300 μs。
5. ZL22C滤棒成型机组同步控制系统
       L22C滤棒成型机组的主控部分选择了BECKHOFF的PC,传动部分选择了LENZE的9400系列伺服,通讯采用的是EtherCAT总线,现行的控制系统图如下图:

       系统的总线端子模块I/O通过EtherCAT与CP6201进行通讯,连接通讯的总线耦合器EK1100作为总线通讯端子模块,它能自动识别所连接的总线端子模块,并自动将输入/输出分配到过程映像区的字节中。该系统用到了常规的数字量模块外,还用到了温度模块EL3204和高速模块EL1502,这些模块,所有模块均为12mm宽,非常小巧,而且每个模块的最小通道可为1通道,使系统非常灵活,维修费用大大降低。
       现场总线端子盒通过EtherCAT将装盘机的接近开关、光电开关的信号直接返给CP,大大提高了其响应速度,另外将接近开关、光电开关集成管理即节约了成本也减少了工人的工作量。
       传动部分通过9400伺服控制器与伺服电机组成一个电轴同步系统,同步系统的启停信号及比例参数和运行数据等信息通过EtherCAT总线在PC与同步系统之间传送,同步系统的位置信号通过虚拟主的CAN总线发送的同步报文告知各从轴的具体位置。

6. 改造效果

6.1提高了滤棒的长度精度
       下表为系统改进前后连续10支滤棒长度对比表(L=120mm)

车速:4166filter/min
测试厂家:
改前江西某卷烟厂
改后广东某卷烟厂
从上面折线图上我们可以清晰地看出棒长的稳定性、控制精度比改前好很多。

6.2缩短系统的扫描周期
       系统的扫描周期从27ms下降到2ms,大大提高了系统的实时性、快速响应性,使得伺服控制系统的跟随误差曲线得以实时的显示,如下图:


       上图的两条曲线的数据是从伺服控制器传送给上位机PC6201的,以前的扫描周期是无法快速地传送该动态数据。
       由于系统的实时性、快速响应性远小于生产一支滤棒的扫描周期为t=12ms,这样为以后系统配置一些实时检测设备(如:吸阻的测量仪)奠定了基础

 

6.3提高了系统的响应速度
       改完后,系统的响应速度大大提高了,从换纸接头的剔出能很明显的反应出来,纸接头的剔出位置是同通过检测电机的位移量,来回馈给执行器件进行纸接头的剔出,理论位移量为生产46支棒产生的位移量,但由于原系统的响应速度慢,到54支棒产生的位移量才剔出,现在理论值就可以剔出。

7.结束语
       ZL22C型纤维滤棒成型机组的电控系统通过上述改进,提高了棒长的控制精度、系统的实时快速响应性,从而使机组的性能得以优化,为ZL22C型纤维滤棒成型机组在烟草行业拥有更大的市场奠定了一定的基础。

更多内容请访问 伦茨(上海)传动系统有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=36974)

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