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蔡涵康，周  辰，翟  青

1  引言

    纖維濾棒成型機(jī)是制造卷煙過(guò)濾嘴必不可少的設(shè)備之一。它所生產(chǎn)的濾棒經(jīng)切割處理后成為符合要求的香煙過(guò)濾嘴。煙嘴質(zhì)量的好壞直接影響到香煙的口感和對(duì)煙氣中有害物質(zhì)的過(guò)濾。近年來(lái)，隨著卷煙生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是卷煙生產(chǎn)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)管理信息化水平的不斷提高，各煙廠對(duì)濾棒質(zhì)量和濾棒生產(chǎn)設(shè)備的性能提出了更新、更高、更嚴(yán)格的要求。

2  技術(shù)改造

2.1 技術(shù)改造方案的提出
    按照工藝要求，制造濾棒的原料-纖維絲束在成型以前必須經(jīng)開(kāi)松輥開(kāi)松，并按照質(zhì)量要求添加增塑劑。機(jī)組原型如圖1所示：輥輪A為前張緊輥，輥輪B為后張緊輥。運(yùn)行時(shí)，這組輥輪會(huì)產(chǎn)生相對(duì)速度差，從而產(chǎn)生不同的張緊效果。機(jī)組借此對(duì)輸入絲束進(jìn)行張緊處理，調(diào)節(jié)它們之間的速比可以生產(chǎn)出不同要求的濾棒。輥輪C為輸出輥，主要用于提供絲束前進(jìn)的動(dòng)力；輥輪D為一組變速箱，用于噴灑增塑劑，調(diào)節(jié)其速比，可以控制單位長(zhǎng)度內(nèi)濾棒內(nèi)增塑劑的含量。在原先的機(jī)組中，這些動(dòng)作由主電機(jī)帶動(dòng)齒輪組件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，依靠無(wú)級(jí)變速箱進(jìn)行調(diào)速。這套機(jī)械傳動(dòng)存在一定的不足，例如：無(wú)級(jí)變速箱存在漏油問(wèn)題，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過(guò)程中產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)較大，溫度較高，機(jī)械傳動(dòng)件長(zhǎng)期工作易磨損等。

    針對(duì)上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)采用伺服系統(tǒng)代替原有機(jī)械傳動(dòng)的方案，用伺服電機(jī)直接帶動(dòng)輥?zhàn)雍驮鏊軇﹪姙⒀b置, 變?cè)械逆渹鲃?dòng)和無(wú)級(jí)變速箱為伺服電子軸和電子齒輪。

2.2 技術(shù)改造的硬件部分

    本伺服系統(tǒng)的硬件部分選用德國(guó)倫茨（Lenze）公司的9300系列交流伺服系統(tǒng)，包括：

    (1)   五臺(tái)伺服電機(jī) 一臺(tái)電機(jī)取代原來(lái)的主電機(jī)。三臺(tái)電機(jī)作為從動(dòng)電機(jī)，分別帶動(dòng)兩個(gè)開(kāi)松輥和一個(gè)輸送輥，依靠電子齒輪與主機(jī)實(shí)現(xiàn)同步聯(lián)動(dòng)。一臺(tái)配備減速機(jī)帶動(dòng)增塑劑泵，其轉(zhuǎn)速與主機(jī)有嚴(yán)格比例關(guān)系。

    (2)   五個(gè)伺服控制器 分別對(duì)應(yīng)控制五臺(tái)電機(jī)。

    (3)   一個(gè)制動(dòng)斬波器 對(duì)電壓進(jìn)行斬波處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)控制。

    (4)   兩個(gè)制動(dòng)電阻 用于消耗制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量。

    (5)   五個(gè)濾波器 用于消除電機(jī)輸入電壓的高次諧波，去除電磁干擾，起穩(wěn)定電壓效果。

    (6)   PROFIBUS-DP總線及通訊端口一套 用于伺服控制器和上位PLC間的通訊。

    (7)   主電機(jī)與從動(dòng)電機(jī)的速度同步采用Lenze公司9300交流伺服控制器特有的數(shù)頻級(jí)聯(lián)控制（如圖2所示），速度比例可通過(guò)比例系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)單可靠，又不會(huì)增加PLC的編程量。

2.3   技術(shù)改造的軟件部分

    本伺服系統(tǒng)采用Lenze公司的Global Drive Control(GDC)控制軟件，通過(guò)CAN-BUS總線，對(duì)伺服控制器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，并完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定以及功能塊的連接，同時(shí)還可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，使操作者隨時(shí)了解電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

3  信號(hào)控制流程

    本系統(tǒng)依靠PROFIBUS-DP總線完成伺服控制器之間以及伺服控制器與上位PLC之間的通訊。PLC與伺服控制器之間通過(guò)參數(shù)通道和過(guò)程通道相互傳遞數(shù)據(jù)信息。參數(shù)通道的特點(diǎn)是可以傳送64位的長(zhǎng)數(shù)據(jù)，但其傳送速度比較低，一般在10ms級(jí)；而過(guò)程通道傳送速度比較快，其速度一般在1ms級(jí)，但是只能傳輸16位的數(shù)據(jù)。

    (1) 主電機(jī)的信號(hào)流程如圖3所示，由于主電機(jī)的車速信號(hào)需要經(jīng)常改變，對(duì)其傳輸速度有要求，所以該信號(hào)由PLC過(guò)程通道給出。

    該信號(hào)由DP總線傳入控制器后，經(jīng)過(guò)一個(gè)可定義的斜坡環(huán)節(jié)，如果輸入速度信號(hào)不變，則該函數(shù)不起作用；一旦速度信號(hào)發(fā)生改變，則原速度信號(hào)按照這個(gè)斜坡爬升或下降到給定轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)主電機(jī)的上下坡時(shí)間由PLC給出。由于時(shí)間信號(hào)比較大，而且是直接寫(xiě)到控制器的內(nèi)部參數(shù)中，所以該信號(hào)通過(guò)參數(shù)通道傳送。

    如果機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生故障，PLC收到故障信號(hào)，通過(guò)過(guò)程通道發(fā)送急停命令，要求伺服電機(jī)緊急停車。由于發(fā)生了故障，為了避免損失要求機(jī)組能夠以最快的速度停車，PLC原來(lái)給出的下坡時(shí)間可能過(guò)大，所以控制器將選擇較小的下坡時(shí)間來(lái)停車。當(dāng)急停信號(hào)給出的同時(shí)，速度信號(hào)將通過(guò)選通輸入另一個(gè)斜坡（選通信號(hào)也由PLC給出），這個(gè)斜坡的下降時(shí)間是事先設(shè)定的0.5秒，專門用于停車。

    速度信號(hào)經(jīng)過(guò)斜坡函數(shù)后，經(jīng)過(guò)反相、上升、限幅等環(huán)節(jié)的處理后，得到比較穩(wěn)定準(zhǔn)確的信號(hào)，然后該信號(hào)進(jìn)入速度控制環(huán)節(jié)。為了得到較好的調(diào)速效果，本伺服系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋方式進(jìn)行速度控制。旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)反饋至控制器后，經(jīng)過(guò)增益等處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速信號(hào)，這時(shí)該信號(hào)描述的是當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速。筆者將它與給定速度信號(hào)形成負(fù)反饋進(jìn)行比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過(guò)處理形成加速度信號(hào)傳送到下個(gè)環(huán)節(jié)。如果兩者之間差值為零，則說(shuō)明當(dāng)前轉(zhuǎn)速與給定值相同，于是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩等于當(dāng)前負(fù)載力矩，速度保持不變。如果兩者產(chǎn)生正差值，則說(shuō)明實(shí)際轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速，控制器將差值轉(zhuǎn)換為加速度信號(hào)，使電機(jī)產(chǎn)生正向大于負(fù)載力矩的轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)逐漸加速，同時(shí)繼續(xù)比較給定值和實(shí)際值之間的差值，直到兩者相等（兩者差值為負(fù)，情況相同）。

    然后，將信號(hào)值送到PWM環(huán)節(jié)中，由控制器調(diào)節(jié)施加在電機(jī)上的電壓頻率值來(lái)達(dá)到調(diào)速的目的。同時(shí)讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后通過(guò)過(guò)程通道傳回給PLC。