ZB45包装机烟库电机控制系统的改进.docx

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1、吉林大学逐程敖育本科生毕业论文（设计）中文题目ZB45包装机烟库电机控制系统的改进学生姓名肖二凯专业电气工程及其自动化层次年级专升本1303学号201208279822指导教师马彦职称工程师学习中心溪河水利技工学校成绩2015年4月8日摘要摘要ZB45硬盒卷烟包装机组是目前国内卷烟工业企业中广泛应用的高速卷烟包装设备之一。然而在长期使用的过程中发现，下烟库拨烟辑电机控制是由直流驱动实现，调速不方便，直流电机驱动器抗干扰和耐热能力不强，碳刷易磨损，严重可造成电枢环火，由于电机安装是平置的,碳刷电枢部分容易进油直接造成电机损坏，驱动器也极易损毁，故在设备运转中常常由于晃烟电机运转不稳定导致整套设备

2、的稳定性差，维护频率增高。而直流驱动器和直流电机不但价格昂贵，维修成本始终居高不下之外，而且其备件组织的周期也长。随着烟草行业对产品质量的要求越来越高，以及对设备的稳定性、设备维护成本的要求越来越高，这就需要减少设备的故障率和减少设备的维护率，为此，通过采用变频器和交流电机技术，取代了价格高的原装直流控制系统，解决了因直流电机碳刷严重磨损而停机之难题，减少了维修、维护的时间，提高了设备有效作业率。关键词：ZB45包装机抖晃电机变频器F/V转换器第一章前言11 .现状分析12 .设计缺陷23 .国内研究现状分析2第二章技术方案31 .技术方案设计32 .电控系统的设计32.I原烟库电机控制分析3

3、2.2烟库电机的运行特性52.3新系统元件的选取52.4新系统电控构成52.5新系统运行原理分析73FZV频压转换模块说明74变频器的工作原理说明8结论9参考文献10致谢H第一章前言ZB45包装机是我国于上世纪八十年代从意大利引进的香烟包装设备，该设备在我国各个卷烟生产企业中都有应用。但是，随着时间的推移以及现代科学技术生产力的高速发展，此包装机机组的技术缺陷日益突出。在电气传动方面,其控制方式、控制器件的单一性和局限性、不仅严重影响了生产，降低了设备的有效作业率，也使维修费用居高不下，生产成本提高，这同建立现代企业制度的要求根本相悖,也远低于现代化生产工厂的需求。本着为企业高度负责的精神，决

4、定对拨烟辑电机及其控制系统进行改造。通过运用现代控制技术,攻克技术难关,为企业节能降耗,将“科学技术是第一生产力”这一理念付诸实践。ZB45包装机烟库电机原设计是用一直流驱动器控制的直流电机，通过驱动器的控制，电机按设备所匹配的速度进行运转，使烟支能够以合适的速度、合理的工艺要求，均匀地落入到下烟库通道中，继而被包装成盒,作为成品烟流入到市场。对下烟库电机的改造就是本着对原设计的卷烟产品工艺要求，在设备的硬件和硬件控制方面下功夫，用通用型变频器控制一个三相异步电动机，以同样的效果完成相同的驱动要求，同时又做到了节能、更易于调速、减少了故障率和维护率，使设计本身更接近于通用化、方便化，从而克服了

5、烟草设备在电器行业内的局限性和垄断性。1 .现状分析烟库驱动电机带动20个搅动根和一个拍打器。通过搅动辐和拍打器不停地动作，使烟支顺利地下落到下烟通道内。下烟库中的烟支经过拨烟辑流入到下烟通道时，拨烟辐的左右旋转速度既不能太快、又不能太慢。如果速度过快，就容易使烟支在下落过程中由于频繁的旋转造成空头烟、甚至使烟支表面造成褶皱，严重地影响了烟支的内在质量和外观质量；而如果拨烟根的速度过慢，则容易造成烟库中的烟支在进入下烟通道时不流畅、不连贯，使得进入到烟支模盒中的烟支不全，造成设备的剔除与停机，频繁的停机就使得设备的有效作业率大大降低。这两种情况都不是一个现代化企业所要求的。ZB45包装机在原设

6、计上是通过一直流驱动器来控制一直流电机来完成对拨烟辑的驱动。2M614为直流电机，由控制柜内的一直流控制器A456控制，2G614为一测速电机，用来测量2M614的速度。电机速度的参考值是由P1C输出的，通过N2模拟板第四路输出给控制器A456一频率信号，频率信号的大小决定电机速度的快慢。2 .设计缺陷原ZB45包装机烟库下烟器驱动采用永磁直流伺服控制模式，由一个永磁直流伺服电机(2M614)作为动力源。该系统存在以下缺陷：(1)永磁直流伺服电机易烧毁。因为该电机是水平方向安装，当油密封圈老化时，下烟器减速箱内的液体润滑油会沿电机轴渗透密封圈进入电机内部，然后逐渐溶解电机定子绕组上的绝缘漆，溶

7、解达到一定程度时，绝缘漆被击穿，定子绕组间发生短路而使电机烧毁。(2)电机伺服板(A456)易损坏。该板采用GA1(通用阵列逻辑)器件16V8作为伺服的核心器件，原理复杂，器件多，系统可靠性低，故障率高，而且是四层板结构，所以故障很难排除。另外，伺服控制实时性较差，当电机因绕组间绝缘强度降低或其他原因而发生过流时，该伺服系统不能及时作出反应，结果导致电机被烧坏，伺服板也同时损坏。(3)直流电机要定期清洁换向器，而且需要更换碳刷。这既增加了维护工作量，又降低了生产效率。(4)原装电机及伺服板价格贵，供货周期长，不利于设备的维护保养。3 .国内研究现状分析针对ZB45包装机原拨烟辐电机及其驱动装置

8、的种种缺陷，许多烟草专业内的外协厂家曾做过多种改进。比如上海蕴龙工业自动工程有限公司是采用西门子变频器控制，交流电机一台、法兰盘一个、传动齿轮一个、F/V变换器一个、接触器一个、ZB45包装机控制软件一套进行的改造；宝鸡圭彬光电设备有限公司是自行研发设计采用换向机构将无刷结构的拨烟辑电机YKSF-04以垂直方式进行安装，克服了以前由于润滑油腐蚀造成电机线圈线扎间短路从而烧坏电机的弊端；安徽蚌埠市科达电器有限公司是采用自制的伺服接口板，采用交流伺服代替原机的直流伺服进行的改造等等。我们通过对多家外协厂家的改造进行分析、比较，从中受到了很多启发和自主改造上的帮助，但同时也发现了各厂家在改造上存在的

9、一些问题，汇总如下：(1)对原设备的改动过大。(2)操作控制系统过于复杂。(3)备件(电机、控制器)选择上过于单一、垄断。(4)改造费用过于昂贵。针对如上所述，我们决定攻克技术难关，自主对拨烟转电机系统进行改造。第二章技术方案1 .技术方案设计(I)尽量借用原机控制线路，保持原机运行方式不发生变化，将部分的相关信号融入电控系统的控制中。(2)取消原直流驱动器，将烟库直流电机更改为三相交流电机，采用台大变频器进行驱动控制。(3)将原控制系统的速度信号经过F/V频压转换器变为电压信号，作为变频器的速度输入，使烟库电机的运转速度与包装设备的运行速度完美匹配。系统控制方框图1如下：图1烟库电机改造系统

10、框图2 .电控系统的设计2.1原烟库电机控制分析ZB45包装机组采用MICROTI电气控制系统，控制柜中插有各种不同的功能电路板，用于采集信号控制执行元件。其中功能板2号板4通道输出一个频率在IOOo300OHZ范围内变化的信号，主要控制直流烟库电机2M614不同的运行速度。直流电动机存在以下缺点：（1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短；（2）由于直流电动机存在换向火花,难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;（3）结构复杂，难以制造出大容量、高转速和高电压的直流电动机。而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点：（1）结构坚固，工作可靠，易于维修保养；（2）不存在换向火花，可

11、以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境；（3）容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。2. 机组进行烟支包装时，烟库烟支的梳理工作，主要由直流烟库电机2M614的抖晃来完成。伺服控制模块A456运行需要两个条件：一是+stop使能端需得到功能板15号板8通道输出一个控制信号；二是+REF端得到一个功能板2号板4通道输出的控制频率，满足条件模块A456就会输出直流电压驱动2M614。并经直流测速电机2G614把速度信号反馈到模块A456的+TACH、-TACH端，来控制直流烟库电机2M614的运行性能。模块故障时-DOK端子会输出到功能板10号板27通道上，经MICRo-口电气控制系统处理后通

12、知机组停机。如图23. 2烟库电机的运行特性1）烟库电机转速同包装机转速的关系，通过实际测量，直流电机的实际转速在160-1060（rmin）,虽然直流调速系统的额定转速是1500rmin,但是实际直流运行速度不超过I1OOrmino2）负载机械特性，根据包装机调试手册，烟库电机拖动的机械装置负载转矩是动态变化量，最大值1.5（N.m）。3）动态响应速度，根据经验及现场实测数据，烟库装置对速度的精度要求不是很高。2. 3新系统元件的选取1）交流电机的选择，异步电机必须满足系统要求。选用通用交流电机，额定转速1380rmin,功率0.37kW,额定电流1.78Ao经计算，其转矩适合系统要求。2）

13、变频的选择，变频的容量选择以变频的额定电流大于或者等于电动机的最大正常工作电流为原则，这可最大限度节约资金。选用台达内置闭环矢量变频器VFD007M23D对电机进行控制，该变频器具有很高的运行可靠性和功能多样性。其保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护，完全满足新系统要求。变频调速系统主要有两种方式：VVVF及矢量调速，改造中选择无速度传感器矢量调速系统，可改善电机低速时转矩不足，甚至在低速区电机也能输出足够的转矩。无速度传感器矢量调速系统价格低廉，性能在额定频率时基本上类似直流系统，在低频3HZ以上时的转速接近直流系统的额定转矩，而新系统不会工作在3HZ一下。2. 4新系统电控构成1）拆除

14、原直流电机，改为定制的三相异步电动机。2）利用原机功能板15号板8通道输出的信号，来控制一中间继电器J1,变频器的使能端M0,由J1的常开点提供12V3OV的电压（高电平）来控制，端子M1悬空。3）利用原机功能板2号板4通道输出的控制脉冲，经F/V转换器处理，使其输出01OV模拟电压信号给变频器AVI端，来控制交流抖晃电机的运行速度。4严将变频器VFD-M的频率指令来源设定为由AVI端模拟信号DC0+IOV控制。如图3图3：改进后交流烟库电机控制原理图5）按照表1设置变频的参数。表1参数代码参数含义设定值说明POO频率指令的来源01主频率输入由模拟信号DCO-+10V控制（AVI）PO1运转指

15、令01运转指令由外部端子控制P02电机停止方式01电机以自由运转方式停止P24禁止反转01禁止反转P38多功能输入端子M0、M1功能选择00M0：断开停止、闭合正转M1：断开停止、闭合反转2 .5新系统运行原理分析设备上电后，变频器得电，当需拨烟辑电机旋转时，控制柜内的CPU一方面会令第15输出板上的第8通道输出一+24V的电压信号到变频器的28号接线端子，使变频器使能；另一面同时令模拟板2号板上的第4通道输出与机器转速相匹配的频率信号到频压转换器的输入端，该频率信号经频压转换器转换后，输出一定的正电压信号到变频器的模拟控制输入端。这样变频器就驱动着拨烟辐电机以与机器主电机相匹配的速度进行运转。当变频器发生故障而不能工作时，变频器内部的故障继电器失电，其常闭点KI2、K14闭合，则一24V的电压信号送到电柜内第10输入板的第27通道，经CPU处理后，使设备停机，并在OPC上显示红色故障信息：A456驱动器故障（注:因其故障输入点接在原驱动器的故障输入点上，故在此仍然显示的是A456驱动器）。3 F/V频压转换模块说明如图4所示，脉冲信号从F1+,F1.加入模块，经过光电隔离后送入频压转换模块，变成电压信号，该信号再经过驱动，送出到端子VOUt1上。