摘要：本文將主要介紹了匯川變頻器MD320在塑料薄膜機(jī)械的三個(gè)典型應(yīng)用，即吹膜機(jī)、制袋機(jī)和復(fù)合機(jī)。
關(guān)鍵詞：變頻器 PID 張力控制

1 引言

一般而言，塑料薄膜機(jī)械對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求有以下幾點(diǎn)：

(1) 能在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速，通過(guò)調(diào)節(jié)主電機(jī)、牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品；
(2) 啟動(dòng)、停止平穩(wěn)，因?yàn)樗芰蠙C(jī)是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，啟動(dòng)、停止平穩(wěn)可避免太大的機(jī)械沖擊，另一方面也可減少啟動(dòng)過(guò)程中的不合格產(chǎn)品；
(3) 電機(jī)只需單方向運(yùn)行；
(4) 性能穩(wěn)定，工作可靠。

為達(dá)到以上目的，在塑料機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)展史上，曾相繼采用過(guò)直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來(lái)越多地采用了交流變頻調(diào)速。綜合多年的變頻使用經(jīng)驗(yàn)，采用變頻器的目的包括：

(1) 節(jié)約能源：根據(jù)變頻器的運(yùn)行V/f曲線可知，變頻器是恒轉(zhuǎn)矩輸出的，與其它調(diào)速系統(tǒng)相比，平均節(jié)約電能達(dá)30%以上，在低速運(yùn)行節(jié)能效果更加顯著；
(2) 提高產(chǎn)品質(zhì)量：變頻調(diào)速性能相當(dāng)穩(wěn)定；
(3) 減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，啟動(dòng)電流可控制在額定電流內(nèi)不構(gòu)成對(duì)電壓沖擊；
(4) 減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械的沖擊，平滑啟動(dòng)可延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命；
(5) 滿足無(wú)級(jí)調(diào)速要求，調(diào)速簡(jiǎn)單、操作方便；
(6) 保護(hù)功能強(qiáng)大。

本文將主要介紹了匯川變頻器MD320在塑料薄膜機(jī)械的三個(gè)典型應(yīng)用，即吹膜機(jī)、制袋機(jī)和復(fù)合機(jī)。

2 變頻器在吹膜機(jī)中的應(yīng)用
主機(jī)傳動(dòng)是塑料擠出機(jī)的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)的螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下(如機(jī)頭壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等)，以必需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均勻地旋轉(zhuǎn)，完成擠出過(guò)程。它在其適用的范圍內(nèi)能夠提供最大的轉(zhuǎn)矩輸出和一定的可調(diào)速范圍，同時(shí)還應(yīng)使用可靠、維修方便。

塑料薄膜的生產(chǎn)是塑料顆粒經(jīng)加熱后用擠壓的方法擠出，由壓縮空氣吹成塑料薄膜袋子，經(jīng)牽引機(jī)在定型套上冷卻定型，再由卷取機(jī)卷成成品。對(duì)于牽引電機(jī)的控制必須引入牽引比的概念，就是牽引輥的速度和機(jī)頭口模處物料的擠出速度之比。通常牽引比為4~6，太大薄膜易拉斷，且厚度控制較困難。因此，牽引電機(jī)的控制必須與擠出電機(jī)同步且通過(guò)電位器可以方便將擠出速度按照牽伸比進(jìn)行比例調(diào)整放大(本方案中采用信號(hào)放大器)。

卷取裝置的作用是將薄膜卷取成卷，并且使成卷的薄膜平整無(wú)皺紋，卷邊整齊，卷軸上薄膜應(yīng)松緊適中，以防止薄膜拉伸變形，保證質(zhì)量。因此，要求卷取裝置保證一定的卷取速度，這個(gè)速度不隨膜管的直徑變化而變化，并與牽引速度相匹配。為保證恒張力收卷，一般吹膜機(jī)還會(huì)裝設(shè)有浮動(dòng)輥。通過(guò)浮動(dòng)輥位置的變化，將會(huì)送出一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)給變頻器，同時(shí)通過(guò)PID進(jìn)行調(diào)節(jié)收卷的速度以保證浮動(dòng)輥穩(wěn)定在某一位置。

在本系統(tǒng)中，采用了比較普遍的表面卷取，它是由電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶或鏈帶動(dòng)主動(dòng)輥，卷取輥靠在主動(dòng)輥上，依靠二者之間的摩擦力帶動(dòng)卷取輥卷在卷取輥上。這種卷取線速度取決于主動(dòng)輥的圓周速度，而不受膜卷的直徑而變化。

MD320變頻器有個(gè)重要的特點(diǎn)就是頻率源的自由組合，如在本方案中，要考慮到主動(dòng)輥卷取電機(jī)既不能單獨(dú)工作在張力PID閉環(huán)狀態(tài)，這樣會(huì)造成在主機(jī)升速過(guò)程中響應(yīng)滯后，也不能單獨(dú)采用速度跟隨牽引電機(jī)，這樣會(huì)造成張力不穩(wěn)，而應(yīng)該采用以速度跟隨為主、PID控制為輔的控制方案。對(duì)于MD320來(lái)講，只需要設(shè)定兩種頻率源(主速度AI1+PID微調(diào))即可，而微調(diào)的幅度也可以隨意設(shè)定。這樣一來(lái)，控制就非常方便。

本系統(tǒng)的控制方式參見(jiàn)圖1，擠出電機(jī)M1采用無(wú)速度傳感器的矢量控制方式，以保證擠出的高轉(zhuǎn)矩和高精度速度控制；牽引電機(jī)M2的速度通過(guò)M1的輸出按照牽伸比進(jìn)行信號(hào)放大來(lái)控制；卷取電機(jī)M3的速度則由牽引電機(jī)M2和浮動(dòng)輥信號(hào)進(jìn)行PID微調(diào)控制。

圖1 吹膜機(jī)變頻控制

匯川變頻器的參數(shù)設(shè)置如下：

M1： F0-01=0(無(wú)速度傳感器控制方式)； F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F4-00=1(正轉(zhuǎn)運(yùn)行)； F5-07=0(AO1輸出運(yùn)行頻率)；

M2： F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F5-07=0(AO1輸出運(yùn)行頻率)；
M3： F0-01=0(無(wú)速度傳感器控制方式)； F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-04=8(PID控制)； F0-06=20%(輔助頻率源范圍)； F0-07=1(主頻率源X＋輔助頻率源Y)；FA-00=0(張力設(shè)定為面板數(shù)據(jù))； FA-01=50%(張力設(shè)定數(shù)據(jù))； FA-02=1(張力反饋AI2)； FA-05=20(P值)； FA-06=4(積分時(shí)間)； FA-08=0.2(采樣周期)。

3 變頻器在薄膜制袋機(jī)中的應(yīng)用

塑料薄膜制袋機(jī)的控制系統(tǒng)如圖2所示，制袋封口機(jī)的溫控系統(tǒng)可以自動(dòng)保持溫度恒定，焊刀封壓時(shí)間可以隨意調(diào)節(jié)，以保證焊線牢固美觀。

圖2 制袋機(jī)變頻控制

薄膜料卷經(jīng)輸送膠輥(由供料電機(jī)M1傳動(dòng))以主機(jī)制袋速度帶動(dòng)后，依次進(jìn)入光電眼、焊刀、焊口校正器，最后由切刀按照設(shè)定的長(zhǎng)度切斷后退料。

供料電機(jī)功率一般都較小，可由單相匯川變頻器MD320驅(qū)動(dòng)，采用主速度與輔助速度合成的方式以保證送料的自動(dòng)化。主速度由制袋電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度A01決定，輔助速度為數(shù)字設(shè)定UP/DOWN端子(DI2和DI3)，合成方式為主速度+輔助速度。具體如下：當(dāng)塑料在薄膜監(jiān)視電眼2范圍時(shí)，供料電機(jī)的頻率降低(即DOWN)，當(dāng)塑料薄膜不在監(jiān)視電眼1范圍時(shí)，供料電機(jī)的頻率增加(即UP)。也就是用監(jiān)視電眼來(lái)自動(dòng)控制供料速度。

制袋機(jī)的主傳動(dòng)M2由三相變頻器MD320進(jìn)行調(diào)速，其核心是凸輪裝置，并形成制袋工作循環(huán)系統(tǒng)。在一般情況下，都建議安裝制動(dòng)電阻以保證快速制動(dòng)，同時(shí)也可以啟動(dòng)直流制動(dòng)功能。

主要的參數(shù)設(shè)置可以參考如下：

M1： F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-04=0(數(shù)字設(shè)定UP/DOWN，不記憶)； F0-07=1(主頻率源X+輔助頻率源Y)； F4-00=1(正轉(zhuǎn)運(yùn)行)； F4-01=6(端子UP)； F4-02=7(端子DOWN)； F4-12=2HZ(調(diào)整自動(dòng)變化率)。

M2： F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F0-17=3(加速時(shí)間)； F0-18=0.2(減速時(shí)間)；F5-07=0(A01輸出運(yùn)行頻率)； F6-13=50%(停機(jī)直流制動(dòng)電流)； F6-14=0.1(停機(jī)直流制動(dòng)時(shí)間)

4 變頻器在塑料復(fù)合機(jī)中的應(yīng)用

干式復(fù)合機(jī)是薄膜機(jī)械的一個(gè)重要設(shè)備，如圖3所示，復(fù)合基材薄膜卷通過(guò)放卷架，進(jìn)入牽引輥后，在復(fù)合干燥箱中進(jìn)行加熱處理，再與第二材料的薄膜進(jìn)行復(fù)合，最后由中心收卷電機(jī)進(jìn)行收卷。

圖3 干式復(fù)合機(jī)變頻控制

為了控制收卷的張力穩(wěn)定，復(fù)合機(jī)通過(guò)浮動(dòng)輥的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)牽引電機(jī)和復(fù)合輥電機(jī)的速度同步。在中心卷取的過(guò)程中，隨著卷徑的不斷增加，收卷電機(jī)的速度必須不斷減少，同時(shí)又要保證薄膜的張力相對(duì)平穩(wěn)。對(duì)于收卷系統(tǒng)而言，進(jìn)行張力控制是核心技術(shù)，也是變頻調(diào)速的難點(diǎn)。在一般情況下，可以采用由直徑、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和速度計(jì)算等模塊組成的匯川張力卡。

帶有張力卡的MD320變頻器具有卷取控制的各種功能：

(1) 各種卷徑的計(jì)算，包括線速度計(jì)算、繞圈計(jì)算、模擬設(shè)定、上位機(jī)給定等；
(2) 卷徑模擬輸出，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互功能；
(3) 多種線速度測(cè)量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數(shù)字輸入等；
(4) 實(shí)現(xiàn)張力錐度的設(shè)定；
(5) 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)墓δ埽鐝澢匮a(bǔ)償、靜態(tài)力矩補(bǔ)償、慣性力矩補(bǔ)償?shù)龋?
(6) 具有自動(dòng)換卷邏輯功能，實(shí)現(xiàn)在線換卷功能。

MD320變頻器共有3種張力控制方式，開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式、閉環(huán)速度控制模式、閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式。此三種方案的配置主要是考慮系統(tǒng)的張力控制精度要求、系統(tǒng)的成本要求以及裝設(shè)傳感器的位置等，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況決定采用哪種張力控制方式。

在本系統(tǒng)中選用了經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式，即變頻器工作在轉(zhuǎn)矩控制模式，只需設(shè)定所要控制對(duì)象的張力。此用法變頻器必須工作在閉環(huán)矢量方式，電機(jī)需要加裝旋轉(zhuǎn)編碼器。此方式控制最為簡(jiǎn)單，無(wú)需加裝張力反饋裝置，而且可獲得比較穩(wěn)定的張力效果。通常用于復(fù)合機(jī)、分切機(jī)等張力精度不是特別高的應(yīng)用場(chǎng)合。

在本方案中，復(fù)合輥電機(jī)的線速度通過(guò)AI1口進(jìn)入變頻器MD320，張力設(shè)定值和張力錐度通過(guò)高精度電位器輸入到AI2、AI3口。數(shù)字輸入端子應(yīng)包括啟動(dòng)停止命令、卷徑復(fù)位命令；另外需外加PG接口卡，以保證轉(zhuǎn)矩控制方式的正常進(jìn)行。

為保證操作者的正常使用，MD320變頻器具有直徑信號(hào)、張力信號(hào)模擬量輸出值，因此可以方便地外接數(shù)顯表來(lái)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，卷徑得到指示，方便操縱者換卷和卷徑復(fù)位。

在本方案中，M1的參數(shù)設(shè)置比較簡(jiǎn)單，就是速度控制；M2的參數(shù)設(shè)定與吹膜機(jī)中卷取主動(dòng)輥的設(shè)置基本差不多；M3的設(shè)置比較復(fù)雜，具體為：

M3主要有張力參數(shù)F0-01=1(有速度傳感器矢量控制方式)； F0-02=1(端子運(yùn)行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F4-00=1(正轉(zhuǎn)運(yùn)行)； F5-07=0(A01輸出運(yùn)行頻率)； FH-00=1(開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)； FH-01=0(收卷)； FH-03=XX(機(jī)械傳動(dòng)比，由用戶決定)；FH-04=2(張力設(shè)定AI2)； FH-06=XXXX(最大張力)； FH-00=1(開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)； FH-07=10%(零速?gòu)埩μ嵘?； FH-08=XX(零速閾值，即當(dāng)變頻器運(yùn)行速度在此參數(shù)所設(shè)定的速度以下時(shí)，認(rèn)為變 頻器處于零速工作狀態(tài))； FH-09=XX(張力錐度系數(shù))； FH-10=0(卷徑來(lái)源為線速度計(jì)算法)； FH-11=XX(最大卷徑)；FH-12=XX(卷軸直徑)； FH-13=0(初始卷徑為面板輸入，并通過(guò)多功能端子選擇其中之一)； FH-24=1(線速度輸入AI1)； FH-25=XX(最大線速度)； FH-26=XX(卷徑計(jì)算最低線速度)； FH-34=1(斷料自動(dòng)檢測(cè)有效，自動(dòng)報(bào)警)……

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的變頻器相比，在滿足客戶不同性能、功能需求方面，MD320變頻器不是通過(guò)多個(gè)系列產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)(從而增加額外的制造、銷售、使用、維護(hù)成本)，而是在客戶需求合理細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)單系列產(chǎn)品的多模塊靈活組合，創(chuàng)建一個(gè)客戶化量身定做的平臺(tái)。

MD系列變頻器開(kāi)創(chuàng)了未來(lái)變頻器領(lǐng)域的三個(gè)新概念：

(1) 首創(chuàng)了新一代變頻器三層模塊化的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)；
(2) 首創(chuàng)了將用戶需求進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)、通用功能和專用功能等主模塊及各種子模塊劃分的物理標(biāo)準(zhǔn)；
(3) 引領(lǐng)了將矢量控制技術(shù)大眾化的行業(yè)新趨勢(shì)。

正是基于MD320系列變頻器完善的功能、高可靠性和優(yōu)秀的性能價(jià)格比，能夠滿足用戶對(duì)于塑料薄膜機(jī)械的各個(gè)領(lǐng)域的不同要求。