為解決紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及能耗問題，本文經(jīng)過分析、實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，研發(fā)設(shè)計(jì)并提出基于高速智能化溫度及運(yùn)行控制系統(tǒng)、共直流母線技術(shù)的傳動(dòng)系統(tǒng)。經(jīng)驗(yàn)證，本文研制的紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合新型生產(chǎn)線具有生產(chǎn)效率提高和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。
擠出復(fù)合機(jī)是生產(chǎn)食品軟包裝材料的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，它將熱塑性塑料在擠出復(fù)合機(jī)中熔融，從扁平機(jī)頭中呈薄膜狀均勻流出并連續(xù)涂復(fù)在基材上，經(jīng)復(fù)合制成多層復(fù)合薄膜。我國(guó)在上世紀(jì)80年代后期開始對(duì)紙塑鋁多層共擠出復(fù)合設(shè)備進(jìn)行研究，但由于核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)水平有限，生產(chǎn)機(jī)械普遍存在數(shù)字化控制程度不高、運(yùn)行不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低下、能源消耗大等缺點(diǎn)，基本上是分散控制，產(chǎn)品附加值不高，高端控制元器及控制系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，特別缺乏針對(duì)數(shù)控機(jī)械的機(jī)、電、氣、液、控一體化特點(diǎn)進(jìn)行的系統(tǒng)智能化集成。基于這一現(xiàn)狀，本論文提出研發(fā)基于高速智能化溫度及運(yùn)行集成控制系統(tǒng)、共直流母線技術(shù)的傳動(dòng)系統(tǒng)，來(lái)提高擠出復(fù)合機(jī)的生產(chǎn)效率及降低生產(chǎn)過程能耗，最終提高擠出復(fù)合薄膜的產(chǎn)量、降低制造成本。
一、高速智能化系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)
1、高速智能化溫度及運(yùn)行控制系統(tǒng)
本生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的功能主要是獨(dú)立且精確控制各設(shè)備的溫度和動(dòng)作過程，要求有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作方式。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求，提高系統(tǒng)可靠性，控制系統(tǒng)由可編程控制器(PLC)系統(tǒng)和上位計(jì)算機(jī)連網(wǎng)組成，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。PLC完成各設(shè)備的動(dòng)作和溫度控制，即實(shí)現(xiàn)設(shè)備的位置、溫度等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)向上位機(jī)傳送這些數(shù)據(jù)并根據(jù)接受的指令和傳感器反饋信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備動(dòng)作和溫度的閉環(huán)控制。同時(shí)，本生產(chǎn)線中所有的張力控制運(yùn)算和邏輯運(yùn)算等都由 PLC來(lái)處理。上位計(jì)算機(jī)包括管理層計(jì)算機(jī)和工程師計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制和管理。通過人機(jī)對(duì)話進(jìn)行參數(shù)和指令程序的設(shè)定、編輯和修改，將PLC傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)以各種圖表、曲線等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以利于系統(tǒng)的維護(hù)與故障診斷。從控制精度、掃描速度以及系統(tǒng)維護(hù)性等方面考慮，PLC采用SIEMENS公司的 S7‐300 系列PLC和相關(guān)I/O模塊。
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圖1 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)的人機(jī)界面與 PLC 控制系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過Profibus 總線組成一個(gè)可靠的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)總線，最高速度可以到達(dá) 10Mbps。而由于溫度控制系統(tǒng)與人機(jī)界面之間的通訊數(shù)據(jù)量大，各個(gè)站點(diǎn)分布在移動(dòng)平臺(tái)上，造成布線困難，且電磁環(huán)境復(fù)雜，容易受到變頻器的干擾，所以本系統(tǒng)采用基于工業(yè)以太網(wǎng)的 MODBUS/TCP 總線來(lái)組網(wǎng)。工業(yè)以太網(wǎng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，容易低成本擴(kuò)展。Modbus/TCP 是 Modbus 的延伸，它基于以太網(wǎng)和標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP協(xié)議，直接應(yīng)用第四層。它定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、開放和廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議，用于主從式通信。在本控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)中央控制人機(jī)界面作為一個(gè) MODBUS/TCP 的主站，每臺(tái)擠出機(jī)都作為一個(gè) modbus/TCP 的從站，通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在使用遠(yuǎn)程維護(hù)功能時(shí)，也可以通過以太網(wǎng)進(jìn)行程序更新。
本系統(tǒng)通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)將通訊系統(tǒng)的局域網(wǎng)連接到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理層局域網(wǎng)或是廣域網(wǎng)。管理人員可以使用 Windows 的IE瀏覽器，即可訪問到感興趣的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)含有安全管理模塊，可以設(shè)定最多 8 個(gè)操作級(jí)別，每個(gè)操作級(jí)別可以設(shè)定多個(gè)用戶。每個(gè)用戶在登錄后，根據(jù)不同的授權(quán)，可以進(jìn)行相關(guān)的操作或是瀏覽數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)生成一個(gè)事件記錄，將每個(gè)用戶的登錄信息進(jìn)行記錄。
本系統(tǒng)舍棄了 Modem 撥號(hào)方式的遠(yuǎn)程連接模式，而采用了基于ADSL網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)。廠家不僅能對(duì) PLC程序也可以對(duì)人機(jī)界面和溫控模塊的程序進(jìn)行遠(yuǎn)程更新和維護(hù)，大大提高了檢修的速度和方便程度。
溫度控制對(duì)于擠出機(jī)來(lái)說是非常關(guān)鍵的，溫度控制不良，會(huì)直接影響到擠出均勻度與淋膜品質(zhì)。因此，為了保證控制精度，本系統(tǒng)將溫度控制系統(tǒng)完全從 PLC控制系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)，采用專業(yè)的溫度控制模塊，每個(gè)模塊都有獨(dú)立的運(yùn)算 CPU，再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺藱C(jī)界面，這樣既保證了高質(zhì)量的溫度控制要求，又滿足了工藝數(shù)據(jù)的集中設(shè)定顯示以及保存的要求。
2、共直流母線技術(shù)的傳動(dòng)系統(tǒng)
紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備一般含有兩臺(tái)放卷機(jī)，為維持放卷機(jī)的張力，放卷機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)需發(fā)生制動(dòng)，而國(guó)內(nèi)的紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備中放卷機(jī)通常采用在電機(jī)的變頻器中配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，變頻器通過短時(shí)間接通電阻，使制動(dòng)產(chǎn)生的電能以熱方式消耗掉。這種消耗電能的方式致使傳統(tǒng)的紙塑鋁多層共擠復(fù)合設(shè)備能耗大，生產(chǎn)成本高。
共直流母線技術(shù)是在多電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨(dú)的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，逆變器從母線上獲取電能;當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)電功率大于電動(dòng)功率時(shí)，制動(dòng)引起的再生能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng)，從而達(dá)到節(jié)能目的。
本項(xiàng)目的共直流母線控制系統(tǒng)由整流/回饋單元、公共直流母線、逆變器等組成。如圖2所示。主回路部分為交直電壓型，功率單元采用IGBT組件。本系統(tǒng)采用一套整流/回饋單元供應(yīng)多臺(tái)逆變器，每臺(tái)逆變器的直流母線均并聯(lián)在一起。每個(gè)電機(jī)都用單獨(dú)的逆變器驅(qū)動(dòng)。因此逆變器反饋的能量可以彼此再生利用。所有逆變器能量不足的部分再由整流橋提供，由交流電源供電，因此這種應(yīng)用方式節(jié)電率最高。同時(shí)可以提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積。
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圖2 公共直流母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
整流/回饋單元把交流電源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源，即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時(shí)，該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定，其原理如圖3所示。該整流/回饋單元使用IGBT的四象限運(yùn)行，可以避免由于電網(wǎng)故障等引起的逆變器換向失敗。
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圖3 整流/回饋單元的原理圖
逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。其原理如圖4所示。
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圖4 逆變器原理圖
本生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)采用共直流母線技術(shù)后，解決了多電機(jī)間電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾，放卷機(jī)產(chǎn)生的電能回饋至電網(wǎng)，用于驅(qū)動(dòng)收卷機(jī)的運(yùn)行，運(yùn)行后節(jié)電效果明顯，節(jié)電率達(dá)40%(輔機(jī))。同時(shí)采用共直流母線控制系統(tǒng)后，各電機(jī)運(yùn)行特性較好，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，使電機(jī)軸承、斷面密封等部件不易磨損，且由于變頻器功能強(qiáng)大，可靠性高，使得機(jī)械故障、電器故障減少，設(shè)備壽命延長(zhǎng)，從而大大減少了設(shè)備維修工作量和費(fèi)用。
二、生產(chǎn)線效能分析
1、效率分析
本研究項(xiàng)目以三層共擠復(fù)合材料LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm、EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm分組進(jìn)行生產(chǎn)過程檢測(cè)，主要對(duì)生產(chǎn)速度、機(jī)械速度、生產(chǎn)產(chǎn)量、生產(chǎn)效率方面進(jìn)行分組測(cè)試、實(shí)驗(yàn)與分析，具體生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)比見表1。
表1 傳統(tǒng)型生產(chǎn)線與新研發(fā)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝指標(biāo)對(duì)比一覽表
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項(xiàng)?目 |
傳統(tǒng)型三共擠生產(chǎn)線 |
新研發(fā)三共擠生產(chǎn)線 |
對(duì)比增幅（%） |
||
|
速度參數(shù)（m/min） |
生產(chǎn)速度 |
120～150 |
240～260 |
+73.3～100 |
|
|
機(jī)械速度 |
160～200 |
280～300 |
+50.0～75.0 |
||
|
溫度偏差（℃） |
±7 |
±1 |
-600 |
||
|
生產(chǎn)產(chǎn)量 （kg/h） |
第1組 |
C |
138.8 |
208.5 |
+50.2 |
|
D |
217.2 |
326.1 |
+50.1 |
||
|
E |
152.7 |
229.7 |
+50.4 |
||
|
第2組 |
F |
147.6 |
221.8 |
+50.3 |
|
|
G |
215.7 |
325.9 |
+51.1 |
||
|
H |
232.9 |
343.6 |
+47.5 |
||
|
生產(chǎn)效率 |
68.6～71.2 |
94.8～98.3 |
+38.2 |
||
*三層共擠復(fù)合材料第1組為：LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm，第2組為：EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm，擠出量以單機(jī)最大值計(jì)，生產(chǎn)效率以連續(xù)生產(chǎn)同一產(chǎn)品在同一時(shí)間內(nèi)單位產(chǎn)量計(jì)算(注：生產(chǎn)效率=[生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)量×實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間]÷[設(shè)計(jì)產(chǎn)量×生產(chǎn)總時(shí)間] ×100%)。
上述檢測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，隨著智能化程度的提高，特別對(duì)于溫度控制系統(tǒng)、速度PLC伺服系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)高度精準(zhǔn)控制，加上機(jī)械速度提高超過50%，生產(chǎn)產(chǎn)量提高了47.5%～51.1%，紙塑鋁多層共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率也大大提高。
2、節(jié)能分析
本研究項(xiàng)目同樣以三層共擠復(fù)合材料LDPE10μm-LDPE10μm-EAA7μm、EAA7μm-LDPE12μm-LDPE12μm分組進(jìn)行生產(chǎn)過程檢測(cè)，主要對(duì)加熱系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和輔機(jī)系統(tǒng)的電流、使用功率進(jìn)行測(cè)試，與傳統(tǒng)型生產(chǎn)線電機(jī)功率進(jìn)行對(duì)比及節(jié)能分析見表2、表3。
表2 傳統(tǒng)型生產(chǎn)線與新研發(fā)生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程能耗對(duì)比一覽表
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項(xiàng)?目 |
傳統(tǒng)型三共擠生產(chǎn)線 |
新研發(fā)三共擠生產(chǎn)線 |
||
|
裝機(jī)功率 |
實(shí)際有用 |
裝機(jī)功率 |
實(shí)際有用 |
|
|
加熱系統(tǒng)(KW) |
600 |
550 |
420 |
235 |
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擠出系統(tǒng)(KW) |
550 |
450 |
450 |
270 |
|
輔機(jī)系統(tǒng)(KW) |
100 |
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