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

1 引言

一般而言，塑料薄膜機械對傳動系統(tǒng)的要求有以下幾點：

(1) 能在一定范圍內(nèi)平滑調(diào)速，通過調(diào)節(jié)主電機、牽引電機的轉(zhuǎn)速來生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品；
(2) 啟動、停止平穩(wěn)，因為塑料機是恒轉(zhuǎn)矩負載，啟動、停止平穩(wěn)可避免太大的機械沖擊，另一方面也可減少啟動過程中的不合格產(chǎn)品；
(3) 電機只需單方向運行；
(4) 性能穩(wěn)定，工作可靠。

為達到以上目的，在塑料機械傳動的發(fā)展史上，曾相繼采用過直流調(diào)速、電磁調(diào)速，但目前已經(jīng)越來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，采用變頻器的目的包括：

(1) 節(jié)約能源：根據(jù)變頻器的運行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30%以上，在低速運行節(jié)能效果更加顯著；
(2) 提高產(chǎn)品質(zhì)量：變頻調(diào)速性能相當穩(wěn)定；
(3) 減少啟動時對電網(wǎng)的沖擊，啟動電流可控制在額定電流內(nèi)不構(gòu)成對電壓沖擊；
(4) 減少啟動時對機械的沖擊，平滑啟動可延長機械的使用壽命；
(5) 滿足無級調(diào)速要求，調(diào)速簡單、操作方便；
(6) 保護功能強大。

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

2 變頻器在吹膜機中的應(yīng)用
主機傳動是塑料擠出機的主要組成部分之一，它的作用是驅(qū)動擠出機的螺桿，并使螺桿能在選定的工藝條件下(如機頭壓力、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)牽引機在定型套上冷卻定型，再由卷取機卷成成品。對于牽引電機的控制必須引入牽引比的概念，就是牽引輥的速度和機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，牽引電機的控制必須與擠出電機同步且通過電位器可以方便將擠出速度按照牽伸比進行比例調(diào)整放大(本方案中采用信號放大器)。

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，一般吹膜機還會裝設(shè)有浮動輥。通過浮動輥位置的變化，將會送出一個相應(yīng)的電壓信號給變頻器，同時通過PID進行調(diào)節(jié)收卷的速度以保證浮動輥穩(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，它是由電動機通過帶或鏈帶動主動輥，卷取輥靠在主動輥上，依靠二者之間的摩擦力帶動卷取輥卷在卷取輥上。這種卷取線速度取決于主動輥的圓周速度，而不受膜卷的直徑而變化。

MD320變頻器有個重要的特點就是頻率源的自由組合，如在本方案中，要考慮到主動輥卷取電機既不能單獨工作在張力PID閉環(huán)狀態(tài)，這樣會造成在主機升速過程中響應(yīng)滯后，也不能單獨采用速度跟隨牽引電機，這樣會造成張力不穩(wěn)，而應(yīng)該采用以速度跟隨為主、PID控制為輔的控制方案。對于MD320來講，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，控制就非常方便。

本系統(tǒng)的控制方式參見圖1，擠出電機M1采用無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M2的速度通過M1的輸出按照牽伸比進行信號放大來控制；卷取電機M3的速度則由牽引電機M2和浮動輥信號進行PID微調(diào)控制。

圖1 吹膜機變頻控制

匯川變頻器的參數(shù)設(shè)置如下：

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

M2： F0-02=1(端子運行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F5-07=0(AO1輸出運行頻率)；
M3： F0-01=0(無速度傳感器控制方式)； F0-02=1(端子運行命令)； 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(積分時間)； FA-08=0.2(采樣周期)。

3 變頻器在薄膜制袋機中的應(yīng)用

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

圖2 制袋機變頻控制

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

供料電機功率一般都較小，可由單相匯川變頻器MD320驅(qū)動，采用主速度與輔助速度合成的方式以保證送料的自動化。主速度由制袋電機的實際運行速度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：當塑料在薄膜監(jiān)視電眼2范圍時，供料電機的頻率降低(即DOWN)，當塑料薄膜不在監(jiān)視電眼1范圍時，供料電機的頻率增加(即UP)。也就是用監(jiān)視電眼來自動控制供料速度。

制袋機的主傳動M2由三相變頻器MD320進行調(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，都建議安裝制動電阻以保證快速制動，同時也可以啟動直流制動功能。

主要的參數(shù)設(shè)置可以參考如下：

M1： F0-02=1(端子運行命令)； 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)運行)； F4-01=6(端子UP)； F4-02=7(端子DOWN)； F4-12=2HZ(調(diào)整自動變化率)。

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

4 變頻器在塑料復合機中的應(yīng)用

干式復合機是薄膜機械的一個重要設(shè)備，如圖3所示，復合基材薄膜卷通過放卷架，進入牽引輥后，在復合干燥箱中進行加熱處理，再與第二材料的薄膜進行復合，最后由中心收卷電機進行收卷。

圖3 干式復合機變頻控制

為了控制收卷的張力穩(wěn)定，復合機通過浮動輥的信號來調(diào)節(jié)牽引電機和復合輥電機的速度同步。在中心卷取的過程中，隨著卷徑的不斷增加，收卷電機的速度必須不斷減少，同時又要保證薄膜的張力相對平穩(wěn)。對于收卷系統(tǒng)而言，進行張力控制是核心技術(shù)，也是變頻調(diào)速的難點。在一般情況下，可以采用由直徑、轉(zhuǎn)矩補償和速度計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) 各種卷徑的計算，包括線速度計算、繞圈計算、模擬設(shè)定、上位機給定等；
(2) 卷徑模擬輸出，實現(xiàn)人機友好交互功能；
(3) 多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數(shù)字輸入等；
(4) 實現(xiàn)張力錐度的設(shè)定；
(5) 實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補償?shù)墓δ埽鐝澢匮a償、靜態(tài)力矩補償、慣性力矩補償?shù)龋?
(6) 具有自動換卷邏輯功能，實現(xiàn)在線換卷功能。

MD320變頻器共有3種張力控制方式，開環(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)濟而實用的開環(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)定所要控制對象的張力。此用法變頻器必須工作在閉環(huán)矢量方式，電機需要加裝旋轉(zhuǎn)編碼器。此方式控制最為簡單，無需加裝張力反饋裝置，而且可獲得比較穩(wěn)定的張力效果。通常用于復合機、分切機等張力精度不是特別高的應(yīng)用場合。

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

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

在本方案中，M1的參數(shù)設(shè)置比較簡單，就是速度控制；M2的參數(shù)設(shè)定與吹膜機中卷取主動輥的設(shè)置基本差不多；M3的設(shè)置比較復雜，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(端子運行命令)； F0-03=2(AI1)； F0-07=0(主頻率源X)； F4-00=1(正轉(zhuǎn)運行)； F5-07=0(A01輸出運行頻率)； FH-00=1(開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)； FH-01=0(收卷)； FH-03=XX(機械傳動比，由用戶決定)；FH-04=2(張力設(shè)定AI2)； FH-06=XXXX(最大張力)； FH-00=1(開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制)； FH-07=10%(零速張力提升)； FH-08=XX(零速閾值，即當變頻器運行速度在此參數(shù)所設(shè)定的速度以下時，認為變 頻器處于零速工作狀態(tài))； FH-09=XX(張力錐度系數(shù))； FH-10=0(卷徑來源為線速度計算法)； 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(卷徑計算最低線速度)； FH-34=1(斷料自動檢測有效，自動報警)……

5 結(jié)束語

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變頻器不是通過多個系列產(chǎn)品來實現(xiàn)(從而增加額外的制造、銷售、使用、維護成本)，而是在客戶需求合理細分的基礎(chǔ)上，進行模塊化設(shè)計，通過單系列產(chǎn)品的多模塊靈活組合，創(chuàng)建一個客戶化量身定做的平臺。

MD系列變頻器開創(chuàng)了未來變頻器領(lǐng)域的三個新概念：

(1) 首創(chuàng)了新一代變頻器三層模塊化的結(jié)構(gòu)標準；
(2) 首創(chuàng)了將用戶需求進行電機驅(qū)動、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準；
(3) 引領(lǐng)了將矢量控制技術(shù)大眾化的行業(yè)新趨勢。

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