变频器在B1卷烟包装机组上的应用

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1 引言
      春城卷烟厂成立1954年，是云南省发展较早的卷烟厂，目前拥有莫林斯、长城、斯慕门公司的多条烟机生产设备，光BE机就有20多台套，设备普遍使用时间10年以上，烟机内部的各种板件、配套传动驱动器以及备机、备件基本全部出现过故障，而且很难采购到原配套器件和设备，即使能够买到，价格和货期都无法接受，目前各制烟设备均靠维修维持生产运转，因此产品技术改造和更新势在必行。由于制烟设备大量使用了变频器，而变频器经过10余年的发展，无论是技术指标、功能还都有了长足的发展，且国内订购非常容易，因此我们决定从各类制烟设备上的配套传动驱动器着手，利用现有市场上变频器产品，替代原来的传动装置。我们决定首先对小油封机（RC）的主传动系统进行技术改造。
2 改造设备介绍
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/ e$ T! ?6 q9 M      德国斯慕门公司（Schmermund）型包装机组是英国莫林斯（Molins）烟草机械公司生产的卷烟机的后续包装机，完成对烟支的集合、初装（内层铝箔的包装）、精装、油封、打包、粘合的全过程。B1机包含三部分：主机（BE）、小油封机(RC)、条盒机（FHZ/NK）。主机完成单支烟装盒的全过程，然后传送至小油封机进行玻璃纸的封装，最后在条盒机上合成为条盒的纸壳包装，再经传送带送到整装车间进行装箱、打包出厂。RC系统的情况如下：RC系统配有一台主驱动电机，电机转速范围为1440-1980rpm，拖动有微型槽的皮带，并拖动园盘，然后拖动齿轮箱，达到350～360包/分的包装速度，即每转一周完成一包烟的包装。同时主传动还带动一套凸轮机构，再由直线槽轮带动八角轮实现往复间歇运动。八角轮每转动一周有一个光电开关动作，使单板机进行复位控制，这样周而复始地对每一包烟的表面进行玻璃纸封装。主驱动电机的速度受控于RC入口光电传感器,该传感器检测烟盒的密集程度并反馈至单板机，单板机自动对输出到变频器的模拟电压（0-8V）进行随机动态调整，电机将自动跟随，由详细工作过程如下:

$ g- ~, r1 m! p- \; D    由主机传送来的盒烟，源源不断地传送到小油封机，小油封机入口处由0.75KW电机拖动皮带送入，入口有两个对射光电检测开关，在烟包拥挤时自动实现对变频器的减速控制，烟包进入后，经过棘轮对烟包翻转后转动放平，油凸轮带动推杆进行间歇运动，推动八角轮送入一包烟，送纸机构开始进行包装动作，将烟包上部、底部封装成形，由于八角轮的间歇转动，会用烙铁对测边自动封口，然后由推杆推出，完成了折角及玻璃纸的全部封装。由提升块合成二包一摞，再由推杆推出，在出口处有四八烙铁进行双边封口，至此完成玻璃纸封装的全过程，送入下道工序――条盒机。
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8 c" }$ H# i9 p! p4 j3 `    八角轮上部装有光电开关，对玻璃纸的工作状态进行检测，油封纸的传动是多轮传动的拉纸机构，有着一系列的过轮，并配有刹车装置，控制纸的张力。
　　
　　3 传动特点和变频器选型

    由上述RC系统描述知：RC用传动系统虽然应用功能比较简单，但对传动的动态性能有较高的要求，要求系统快速跟随，因此必须选用高性能变频器才能满足需求。我们对市场上各知名品牌变频器的资料进行详细，并和原配套变频器进行对比，重点考察变频器的动态技术指标，最终我们选用了美国艾默生TD3000变频器。TD3000系列变频器是艾默生公司开发生产的高性能矢量控制通用变频器。它具有如下特点：
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+ F0 T+ A5 @1 b$ i! L0 k' y　　　　1. 采用先进的矢量控制算法，对电机磁通电流和转矩电流的分别进行解耦控制，配合电机参数自动辨识，能实现电机转矩的快速响应和准确控制，具有极高的稳速精度和快速动态响应，能满足各类高性能场合的传动控制要求。
　　　　2. 自带LCD键盘,不仅能够中文显示运行数据和故障代码，还能进行参数的拷贝和下载功能，非常方便调试和后期维护，
$ c! i/ X/ f/ t) W6 I- X0 F　　　　3. 内置多种功能和丰富的硬件接口
; }6 M+ J$ c( S9 b/ i/ ?　　　　4. 内置RS485接口，通过TDS－PA01总线适配器可以接入符合国际标准的PROFIBUS现场总线控制系统，满足日后组网要求。
. n1 i2 e+ R7 }1 e( S　　　　5. 结构紧凑，安装灵活，满足原系统对变频器的尺寸要求，且温升，适合烟机相对较小的安装空间
( Q5 J0 {3 d8 i  n' }( {" j1 Z7 F　　　　6. 产品满足IEC61800-3。
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# B/ f' Z7 e/ L　以下是TD3000的各项关键指标和技术特点
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4 系统改造方案
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　　改造系统必要要解决以下问题：

　　1、首要任务是弄清原系统的工作原理。
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. J+ q, A  [0 Y  O) Q7 {- F) A　　2、TD3000变频器和原系统接口问题，要保证改造后的变频器和原系统无缝对接。
　　
5 |! x. Q+ L9 X* z3 |　　3、要考虑变频器对原单板机系统可能存在的EMI问题，（原系统是以是单板机为控制核心，变频器作为一个重要执行单元。）
　　
9 p) o* f2 v/ Y) M    图1就是原RC传动应用原理图，电机4.0KW，内带光电编码器和电机过热保护热敏电阻，变频器采用闭环矢量控制。这种配置方法在国外常见，而国内非常少，配置价格也较为昂贵，国内配套也相对较难。而且系统要求较快的动态跟随性能和高稳速精度。由于TD3000变频器开环矢量无论从动态性能还是稳态精度上都高于原变频器，因此我们决定先使用开环矢量控制检验TD3000的性能，看是否能能满足系统要求，对于电机保护热敏电阻，由于TD3000变频器内部自带电机过载保护，且RC主电机的工作负荷也较轻，因此这路控制可以完全舍弃。使用TD3000的应用原理图见图2：
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0 @& u' ]  k2 k* U& ]基本运行参数设置如下：
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     经过反复修改参数，多次调试，新改造方案终于达到了预期的效果。经过一周的连续生产，证明使用TD3000变频器开环控制完全可以达到原闭环控制的效果，而且无需进行电机调谐（拆换传动皮带非常麻烦），生产效率和原系统完全相同，而且省去了编码器和电机热敏保护，对日后的主电机改造打下了良好的基础。在系统接口上，为了方便日后更换，我们特意设计了专用的接口板，原变频器接插件可直接插入该接口板，确保了TD3000和原变频器的快速切换，方便日后生产，减少了因传动切换导致的时间和经济损失。
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　　结束语
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    这次改造是春城卷烟厂进行的一次非常有意义的尝试，通过这次成功的改造，增强了我们继续进行后续设备改造的决心，将为春城卷烟厂带来巨大的经济效应，在整个卷烟行业将起到示范作用。