论文部分内容阅读
摘 要 针对HCF80装盘机原有的链条直流驱动系统中调速装置A20和直流电动机M7存在的不足，如调速装置A20是采用专用的线路板式逻辑控制装置，设定调节困难，而且故障率高，出现的故障点多，并且难于查找；直流电动机换向器结构复杂，价格昂贵，特别在长时间运行，碳刷与换向器因烟尘接触不良，容易产生火花，产生安全隐患；此外电刷容易磨损，在运行中需要有经常性的维护检修。提出了一种利用变频器与交流异步电动机构成的交流调速系统对其进行改进的方法，通过采用这种改进，解决了直流驱动系统存在的不足，提升了设备的有效作业率，降低了企业的生产和维护成本。
关键词 链条直流驱动系统；M7电机；变频器
中图分类号：TD642 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
在卷烟设备中，有很多电动机需要按生产工艺的要求进行调速，由于电动机功率较小，大多数都采用直流调速。HCF-80装盘机是我国九十年代初从德国引进并经过技术消化的烟机设备，是一个将上游卷烟机（成型机）生产的烟支（滤棒）存储在烟盘内，或将卷烟机（成型机）生产的烟支（滤棒）直接输送给下游机的设备。该设备形成生产、输送过程的自动化，提高了企业的生产效率。但是其链条驱动系统为专用电路板控制的直流系统，其调速装置——A20由调速板和功率驱动板以及专用直流电动机M7组成。并且在烟草行业运用多年。
1 HCF80装盘机链条直流驱动系统工作原理及存在的问题
1.1 HCF-80转盘机链条直流驱动系统工作原理
在装盘机设备中，链条驱动系统是装盘机装盘过程中的重要环节，链条直流驱动电机M7驱动链条托盘装置，使烟盘作垂直下降运动。与此同时，M7还带动一个有六个凸轮块的控制轴，这些凸轮块用来激发各个相应的接近开关。在烟盘下降的整个过程中，控制轴转一圈，满足整个装盘机的装盘、换盘、空盘输送、满盘输送的整个运转过程。在装盘过程中，烟盘慢速下行，装满后快速下降，接近满盘时又转为慢速，烟盘到达满盘台后M7电动机停止，之后又一个新的装盘过程开始，M7重复以上的运动。其中在链条电机运行中，链条的启动，停止、下降及下降的速度必须与烟支的落入情况相匹配，以免烟支在装盘过程中出现混乱的现象。其的链条驱动系统是由专用电路板控制的直流系统，其调速装置——A20（如下图）由调速板和功率驱动板以及专用直流电动机M7组成。
1.2 链条直流调速系统逻辑控制原理
原链条驱动电动机M7的转速由伺服放大器A20控制，可编程控制器PLC通过以下方式控制A20的逻辑单元，从而获得电动机M7的“慢速”、“快速”和“零”。（分配表如下）
其中“慢速”档即装填速度，可通过电位器R71进行调节，如果按动操作面板上的按钮S31，继电器F立即合上，从而使电动机M7与A20的功率单元分开（M7获得释放），此时，M7可用手轮盘动；同样道理，如果PLC的输出信号使M7停止，那么，大约在设定的时间内，释放自动产生，电动机停止运行。
1.3 HCF-80转盘机链条直流驱动系统存在的问题
1.3.1 直流电动机
直流电动机本身存在着许多的不足，如换向器结构复杂，价格昂贵，且在运行中容易产生火花，产生安全隐患。由于国内直流电动机质量的问题，原来一直从德国进口直流电机，成本很高而且在工作过程中直流电动机的碳刷由于长期摩擦容易损坏，使用周期短，维修人员要经常进行定期维护；电动机的安装位置在维护保养时很不方便，出现故障的时候维修消耗的时间长，影响设备的有效作业率的提高。
1.3.2 调速装置
虽然直流电机调速系统动态特性良好，且调速方便，但是其的调速装置（A20）是采用专用的线路板式逻辑控制装置，设定调节困难，而且故障率高，出现的故障点多，并且难于查找。特别是线路板问题，由于专用零备件，价格高，而且由于线路板对温度和湿度的要求高，零备件储存也是个问题。
1.3.3 备件问题
装盘机直流链条电动机和调速装置A20为专用产品，其备件价格昂贵而且供货周期长，经常影响生产。
2 HCF80装盘机链条直流驱动系统的改造
2.1 装盘机直流链条驱动系统改造方案
选用变频器替代A20调速装置，选用三相通用交流电动机替代原来的专用直流电动机M7，改造后交流调速系统为数字量控制，速度为开环的变频调速系统，首先在变频器上设定好慢速和快速的频率，然后由PLC根据金属接近开关对各个凸轮的运行状态，经逻辑运算处理后发出控制信号作用于变频器，使交流电动M7按照工艺设计要求运行。（M7变频调速系统原理图见下）
2.2 装盘机HCF80链条直流驱动系统改链条新型交流拖动的具体实施
2.2.1 改造中链条新型交流拖动变频器、电机的选择
根据直流电动机M7的尺寸大小、参数的数据用YZA5634三相异步电动机（电压：380伏，转速：1400转/分，电流0.66安培，频率：50赫兹，功率180瓦）替代。通常所选变频器的额定电流要大于电动机的额定电流的基本要求，考虑到现时的通用变频器保护日趋完善，以及技术改造投入费用的减少，宜尽量选用容量合适的变频器，另外根据负载性质，若需要适应冲击性负载时应增大变频器容量，根据这些指标要求选用了株式会社日立产机系统中的HITACHI变频器SJ200-015HFEF-JM（输出电压：380～480，电流：3.8安培，功率：1.5/2千瓦，输出频率：0.5～400赫兹）可以满足对伺服放大器A20的替代。
2.2.2 变频器改造中的接线方式和参数设置
根据SJ200变频器的基本接线图（见下图），取1号独立逻辑输入端接入电机使能运行信号，取3号逻辑输入端（多段速度一）和4号逻辑输入端（多段速度二）分别接入电机“快速下降”和“慢速下降”信号，M7电机调速变频器BP2的控制端子接线如下（见下图示）：0776：A24-K1/6—BP2/PCS—A24-K2/9；（共用端24VDC）0774：A24-K1/5—BP2/4；（慢速下降）0778：A24-K2/11—BP2/3；（快速下降）0775：A24-K2/10—A24-K1/3；（无快速时送24V给K1-慢速）0777：A24-K1/8—BP2/1。（运行命令） 在出厂默认值的基础上对HITACHI变频器SJ200几个需调整参数和可以由用户根据实际情况自行微调参数进行参数设置：
A003=50，（基频设定）；
A004=100，（最大频率设定）；
A021=60，（M7电动机快速控制信号赫兹数，可以根据实际情况微调）；
A022=3～9，（M7电动机慢速控制信号赫兹数，可以根据实际情况微调）；
B012=3.8，（变频器额定电流）；
B022=5.7，（变频器过载限制设定，额定电流×1.5）；
F002=0.1，（加速时间设定）；
F003=0.1，（减速时间设定）；
F004=00，（运转方向正转）；
试机运行，链条驱动系统按照工艺设计要求运行。
2.3 调试及注意事项
1）变频器内置参数一般情况不得随意改变，以免造成变频器工作不正常。
2）根据装盘的速度相应调节A021/A022的参数，使M7的运行速度与烟支的落入情况相匹配。若A021设置的速度太快，会使满盘下降停止时产生冲击，使烟盘倾倒；若A022设置的速度太慢，烟支装盘太慢，而使烟支（滤棒）触发光电开关B50，产生“料斗太满”的故障，而引起设备停机。经过测试，A021设置为60，A022设置为3～9，能达到设备运行的要求。
3）参数F004设置要设置为正转（00），并通过变频器“RUN”键启动电动机观察电机的转向，运行时M7电机的运行方向应为正转。
4）由于控制方式为端子输入控制，特别注意位于前面板后的TM/PRG（端子/编程）DIP开关，当A001=1且A002=1时，不管TM/PRG开关位置如何，变频器的控制源都是端子输入控制（参数A001/A002默认值都是1）。当A001和A002设定值不是01时，TM/PRG开关可以强制实现端子输入控制。
5）“快速下降”与“慢速下降”应该相互连锁。
3 HCF80装盘机链条驱动系统改造后的性能和特点
1）选用通用交流电动机替代专用直流电动机，免碳刷维护，节约了维护时间，杜绝了产生火花的不安全因素。
2）调速方式改为变频调速技术，具有良好的人机界面，方便操作，并且对系统出现各个的故障点在显示面板上有故障代码显示，维修也更方便。
3）改造后控制系统结构更为简单，去掉了A20控制箱，M7电机链条驱动控制系统的故障率降低。
4）备件通用，维护更为简单，零备件采购容易，价格便宜，而且采购周期缩短，费用大大降低，节约了企业成本。
5）在用变频调速技术改造HCF-80装盘机链条直流驱动系统时，没有改变原机的控制功能。
4 结论
采用变频技术对HCF-80装盘机链条直流驱动系统进行改造，克服了原直流控制系统的弊病，降低了成本，为企业带来了可观的经济效益，而且增强了设备运行的安全性能，降低了用户的维修开支；此外，新型HCF-80装盘机链条变频调速系统结构简单、免维护、性能价格比高，在我国烟草行业中具有较高的推广价值。
参考文献
[1]HCF80电气设备操作说明书.HAUNI公司.
[2]HCF80电气图纸.HAUNI公司.
[3]HITACHI变频器SJ200系列变频器速查手册[M].株式会社，2006.
[4]吴忠志，吴加林.变频器应用手册第二版[M].北京：机械工业出版社，2003.
[5]张美英，刘永平.EX100PLC在装盘机控制系统的应用[J].微计算机信息，2002.
关键词 链条直流驱动系统；M7电机；变频器
中图分类号：TD642 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
在卷烟设备中，有很多电动机需要按生产工艺的要求进行调速，由于电动机功率较小，大多数都采用直流调速。HCF-80装盘机是我国九十年代初从德国引进并经过技术消化的烟机设备，是一个将上游卷烟机（成型机）生产的烟支（滤棒）存储在烟盘内，或将卷烟机（成型机）生产的烟支（滤棒）直接输送给下游机的设备。该设备形成生产、输送过程的自动化，提高了企业的生产效率。但是其链条驱动系统为专用电路板控制的直流系统，其调速装置——A20由调速板和功率驱动板以及专用直流电动机M7组成。并且在烟草行业运用多年。
1 HCF80装盘机链条直流驱动系统工作原理及存在的问题
1.1 HCF-80转盘机链条直流驱动系统工作原理
在装盘机设备中，链条驱动系统是装盘机装盘过程中的重要环节，链条直流驱动电机M7驱动链条托盘装置，使烟盘作垂直下降运动。与此同时，M7还带动一个有六个凸轮块的控制轴，这些凸轮块用来激发各个相应的接近开关。在烟盘下降的整个过程中，控制轴转一圈，满足整个装盘机的装盘、换盘、空盘输送、满盘输送的整个运转过程。在装盘过程中，烟盘慢速下行，装满后快速下降，接近满盘时又转为慢速，烟盘到达满盘台后M7电动机停止，之后又一个新的装盘过程开始，M7重复以上的运动。其中在链条电机运行中，链条的启动，停止、下降及下降的速度必须与烟支的落入情况相匹配，以免烟支在装盘过程中出现混乱的现象。其的链条驱动系统是由专用电路板控制的直流系统，其调速装置——A20（如下图）由调速板和功率驱动板以及专用直流电动机M7组成。
1.2 链条直流调速系统逻辑控制原理
原链条驱动电动机M7的转速由伺服放大器A20控制，可编程控制器PLC通过以下方式控制A20的逻辑单元，从而获得电动机M7的“慢速”、“快速”和“零”。（分配表如下）
其中“慢速”档即装填速度，可通过电位器R71进行调节，如果按动操作面板上的按钮S31，继电器F立即合上，从而使电动机M7与A20的功率单元分开（M7获得释放），此时，M7可用手轮盘动；同样道理，如果PLC的输出信号使M7停止，那么，大约在设定的时间内，释放自动产生，电动机停止运行。
1.3 HCF-80转盘机链条直流驱动系统存在的问题
1.3.1 直流电动机
直流电动机本身存在着许多的不足，如换向器结构复杂，价格昂贵，且在运行中容易产生火花，产生安全隐患。由于国内直流电动机质量的问题，原来一直从德国进口直流电机，成本很高而且在工作过程中直流电动机的碳刷由于长期摩擦容易损坏，使用周期短，维修人员要经常进行定期维护；电动机的安装位置在维护保养时很不方便，出现故障的时候维修消耗的时间长，影响设备的有效作业率的提高。
1.3.2 调速装置
虽然直流电机调速系统动态特性良好，且调速方便，但是其的调速装置（A20）是采用专用的线路板式逻辑控制装置，设定调节困难，而且故障率高，出现的故障点多，并且难于查找。特别是线路板问题，由于专用零备件，价格高，而且由于线路板对温度和湿度的要求高，零备件储存也是个问题。
1.3.3 备件问题
装盘机直流链条电动机和调速装置A20为专用产品，其备件价格昂贵而且供货周期长，经常影响生产。
2 HCF80装盘机链条直流驱动系统的改造
2.1 装盘机直流链条驱动系统改造方案
选用变频器替代A20调速装置，选用三相通用交流电动机替代原来的专用直流电动机M7，改造后交流调速系统为数字量控制，速度为开环的变频调速系统，首先在变频器上设定好慢速和快速的频率，然后由PLC根据金属接近开关对各个凸轮的运行状态，经逻辑运算处理后发出控制信号作用于变频器，使交流电动M7按照工艺设计要求运行。（M7变频调速系统原理图见下）
2.2 装盘机HCF80链条直流驱动系统改链条新型交流拖动的具体实施
2.2.1 改造中链条新型交流拖动变频器、电机的选择
根据直流电动机M7的尺寸大小、参数的数据用YZA5634三相异步电动机（电压：380伏，转速：1400转/分，电流0.66安培，频率：50赫兹，功率180瓦）替代。通常所选变频器的额定电流要大于电动机的额定电流的基本要求，考虑到现时的通用变频器保护日趋完善，以及技术改造投入费用的减少，宜尽量选用容量合适的变频器，另外根据负载性质，若需要适应冲击性负载时应增大变频器容量，根据这些指标要求选用了株式会社日立产机系统中的HITACHI变频器SJ200-015HFEF-JM（输出电压：380～480，电流：3.8安培，功率：1.5/2千瓦，输出频率：0.5～400赫兹）可以满足对伺服放大器A20的替代。
2.2.2 变频器改造中的接线方式和参数设置
根据SJ200变频器的基本接线图（见下图），取1号独立逻辑输入端接入电机使能运行信号，取3号逻辑输入端（多段速度一）和4号逻辑输入端（多段速度二）分别接入电机“快速下降”和“慢速下降”信号，M7电机调速变频器BP2的控制端子接线如下（见下图示）：0776：A24-K1/6—BP2/PCS—A24-K2/9；（共用端24VDC）0774：A24-K1/5—BP2/4；（慢速下降）0778：A24-K2/11—BP2/3；（快速下降）0775：A24-K2/10—A24-K1/3；（无快速时送24V给K1-慢速）0777：A24-K1/8—BP2/1。（运行命令） 在出厂默认值的基础上对HITACHI变频器SJ200几个需调整参数和可以由用户根据实际情况自行微调参数进行参数设置：
A003=50，（基频设定）；
A004=100，（最大频率设定）；
A021=60，（M7电动机快速控制信号赫兹数，可以根据实际情况微调）；
A022=3～9，（M7电动机慢速控制信号赫兹数，可以根据实际情况微调）；
B012=3.8，（变频器额定电流）；
B022=5.7，（变频器过载限制设定，额定电流×1.5）；
F002=0.1，（加速时间设定）；
F003=0.1，（减速时间设定）；
F004=00，（运转方向正转）；
试机运行，链条驱动系统按照工艺设计要求运行。
2.3 调试及注意事项
1）变频器内置参数一般情况不得随意改变，以免造成变频器工作不正常。
2）根据装盘的速度相应调节A021/A022的参数，使M7的运行速度与烟支的落入情况相匹配。若A021设置的速度太快，会使满盘下降停止时产生冲击，使烟盘倾倒；若A022设置的速度太慢，烟支装盘太慢，而使烟支（滤棒）触发光电开关B50，产生“料斗太满”的故障，而引起设备停机。经过测试，A021设置为60，A022设置为3～9，能达到设备运行的要求。
3）参数F004设置要设置为正转（00），并通过变频器“RUN”键启动电动机观察电机的转向，运行时M7电机的运行方向应为正转。
4）由于控制方式为端子输入控制，特别注意位于前面板后的TM/PRG（端子/编程）DIP开关，当A001=1且A002=1时，不管TM/PRG开关位置如何，变频器的控制源都是端子输入控制（参数A001/A002默认值都是1）。当A001和A002设定值不是01时，TM/PRG开关可以强制实现端子输入控制。
5）“快速下降”与“慢速下降”应该相互连锁。
3 HCF80装盘机链条驱动系统改造后的性能和特点
1）选用通用交流电动机替代专用直流电动机，免碳刷维护，节约了维护时间，杜绝了产生火花的不安全因素。
2）调速方式改为变频调速技术，具有良好的人机界面，方便操作，并且对系统出现各个的故障点在显示面板上有故障代码显示，维修也更方便。
3）改造后控制系统结构更为简单，去掉了A20控制箱，M7电机链条驱动控制系统的故障率降低。
4）备件通用，维护更为简单，零备件采购容易，价格便宜，而且采购周期缩短，费用大大降低，节约了企业成本。
5）在用变频调速技术改造HCF-80装盘机链条直流驱动系统时，没有改变原机的控制功能。
4 结论
采用变频技术对HCF-80装盘机链条直流驱动系统进行改造，克服了原直流控制系统的弊病，降低了成本，为企业带来了可观的经济效益，而且增强了设备运行的安全性能，降低了用户的维修开支；此外，新型HCF-80装盘机链条变频调速系统结构简单、免维护、性能价格比高，在我国烟草行业中具有较高的推广价值。
参考文献
[1]HCF80电气设备操作说明书.HAUNI公司.
[2]HCF80电气图纸.HAUNI公司.
[3]HITACHI变频器SJ200系列变频器速查手册[M].株式会社，2006.
[4]吴忠志，吴加林.变频器应用手册第二版[M].北京：机械工业出版社，2003.
[5]张美英，刘永平.EX100PLC在装盘机控制系统的应用[J].微计算机信息，2002.