臺達H E S系列在注塑機節能改造系統中的應用

趙清榮 劉文烽

(1.廣西科技大學，廣西 柳州545001；2.柳州自動化科學研究所,廣西 柳州545001）

臺達H E S系列在注塑機節能改造系統中的應用

趙清榮1劉文烽2

(1.廣西科技大學，廣西 柳州545001；2.柳州自動化科學研究所,廣西 柳州545001）

本文介紹了注塑機的工作原理，論述了注塑機節能改造的可行性，分析了伺服節能效果,選擇用臺達HES系列伺服節能系統進行伺服調速,包括控制信號的選取與處理,伺服主電路和控制電路的設計從而使注塑機達到良好的節能效果。

注塑機；節能改造；HES系列伺服

0 引言

近幾年塑料行業正迎來一個飛速發展的機遇，發展越來越迅速。對于塑料制品行業來說，電耗是其生產成本的主要部分，而注塑機是塑料制品廠的主要能耗設備之一，因此降低注塑機的能耗成為注塑行業降低成本、提高產品競爭力的有效途徑。目前絕大多數的注塑機都屬于液壓傳動注塑機，液壓傳動系統中的動力由電機帶動油泵提供。在注塑周期的過程中，注塑機在不同工序下需要的流量和壓力不同，必須依靠流量閥和壓力閥調節不同工序所須的流量和壓力，所以液壓系統的負荷變化很大。由于定量泵不可調節輸出功率，因此多余的能量只能在油的回流、油路泄露、油的溫升中消耗掉。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，電機噪音過大，以及機械壽命縮短等現象。并且通常在設計中，用戶油泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，造成電能的大量浪費。因此推廣交流變頻調速裝置在注塑機上的應用，對于減少能源浪費具有重要意義。隨著變頻調速技術的推廣，伺服調速在電氣傳動控制和節能領域已日漸得到了廣泛應用，尤其在泵類負載場合采用伺服控制節能效果顯著。

1 注塑機工序及各階段所需壓力分析

注塑機主要用于熱塑性塑料的成型加工。注塑機成型工藝是一個按照預定的周期性動作過程，經過仔細地觀察和分析，注塑機的一個周期內的工作順序如下：合模，鎖緊，注射、保壓一冷卻、射儲，塑化、開模一頂出制品、合模。

一個周期工作流程中，負載的變化導致系統壓力變化比較大，在電機輕載和電機日空載的時候油泵電機仍在50Hz運行，其供油量是恒定不變的，多余的液壓油經溢流閥流回油箱，大量的電能被浪費掉，造成能源的損失。因此，若對油泵電機進行伺服調速，將定量泵改變為類似變量泵的特性，當系統所需壓力較高時，油泵電機以50Hz運行，系統所需壓力較小時，伺服裝置對油泵電機進行降頻控制運行。電機輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積正比，油泵電機轉速降低后，輸出軸功率降低，就可以達到有效節能。

對注塑機進行節能改造有一個前提是：改造后不能影響設備的生產質量和生產效率，所以要求所選取的信號要準確、穩定、可靠、及時。對電機而言，要在射膠時刻把轉速提到額定速度，在倒索完畢時把轉速降到能滿足開合模等工序即可;對電機日而言，要在開始射儲時刻把電機的轉速提起來，而在塑化完畢時刻把電機的轉速降下去，這樣就能達到良好的節能效果。考慮到電機從低速到高速切換要有一定的時間差，針對這一事實，電機全速運行的控制信號要選在射膠開始前一時刻的工作信號，而電機日全速運行的控制信號要選在射儲開始前一時刻的工作信號。注塑機上與工序有關的電子器件比較多，有接近開關、光電開關、壓力開關、限位開關、電子尺、電磁閥和編碼器等。其中電磁閥的控制信號來自于PLC的輸出，經過信號放大板后由24VDC電源來驅動電磁閥，滿足穩定、可靠的要求。

圖1

2 節能型注塑機控制結構示意圖（如圖1）

通過上位機采集現場閥門的壓力信號和流量信號、電機后部編碼器速度反饋信號，實時修正伺服裝置內部運行指令，控制電機運行、加減速時間、啟動和停止。

節能型注塑機控制方式：

圖2

3 調試中常出現的問題及處理方法

3.1 調試前注意事項

注塑機伺服節能電氣改造相對比較簡單，但在改造前應詳細了解注塑機工況，熟悉注塑機工藝流程，調試時應注意以下事項：安裝前查清注塑機原有電路接線方式，包括主電路和控制電路；仔細觀察注塑機工頻運行是否正常，油泵馬達是否經常處于過載狀態；根據注塑機的模具及注塑工藝觀察注塑機節電改造的潛能；控制信號線路注意正負極性不要接反；信號線與主回路線要分開布線等。

3.2 調試常見問題及處理方法

由于注塑機工藝的特殊性，在改造中會遇到各種故障，以下在注塑機伺服改造中遇到的問題及處理方法。

3.2.1 伺服裝置頻率無變化

由于伺服裝置采用注塑機閥控電流信號進行調速，伺服裝置運行后出現頻率顯示為0.0（有的伺服裝置顯示為0）現象，其主要原因為信號極性接反；信號取錯；信號接線端口與參數設定不符；注塑機輔助電源故障等，出現這種故障應先查明注塑機閥控制的類別是電流信號、電壓信號還是脈沖控制信號，及信號正負極性是否與伺服控制端子對應。

3.2.2 油泵噪音大

1)提高泵站壓力。將泵站壓力由31.4 MPa提高至37.0 MPa，保證支架具有足夠初撐力，可以抑制頂板早期下沉。

伺服裝置運行后有些注塑機會發出異常的噪音，這時應判斷噪聲源在何處，是來自電機還是油泵，若為油泵的噪音則可能原因有：注塑機液壓油過少，有空氣吸入：注塑機濾油器或油路阻塞；注塑機油泵葉片磨損較嚴重；遇到以情況應檢查注塑機油泵，排除故障后方可運行，另外當注塑處于低速高壓運行工作狀態時，也會出現油泵噪音異常情況，這時適當提高速度信號。

3.2.3 溫度控制干擾

注塑機伺服裝置改造中常遇到的問題是改造后因干擾注塑機不能正常運行，注塑機加熱單元采用熱電偶檢測溫度，這種檢測元件容易受諧波干擾從而造成注塑機溫度顯示和控制不準確，這時可以下方面排除干擾：盡量縮短伺服裝置與注塑機電機之間的連線，動力線用金屬軟管套裝，動力線與溫度檢測線不要靠近走線，在伺服裝置近端主回路線纜加裝電抗器或磁環；伺服裝置可靠接地：或給注塑機內部溫控電偶供電電源加阻容濾波電路。

4 伺服節能改造后的節電率分析與計算

對改造后的注塑機進行長時間的觀察，分別統計電機和電機日的滿載與輕載運行時間，把統計數據取平均值，得出如下結果，電機1滿載時間6.6S，輕載時間6.2S;電機2滿載時間6.1S，輕載時間6.7S;生產周期仍取平均周期12.8S。根據電機功率、電機輕載時間和生產周期，則可對節電率進行估算。

伺服裝置內部有濾波電容，使得cosφ=1從而減少了無功損耗，增加了電網的功功率，從另外一個角度來看，這點也達到了節能效果。在進行變頻節能改造之前，注塑機上兩臺電機每個工作日的耗電量為1753.5kWh(平均值)。對伺服節能改造后的注塑機進行日耗電量的統計，在每天早上8：00換班時刻記錄注塑機工頻配電柜內電度表讀數并乘于倍數4.5得出電度數，統計數據如表1所示。

表1 變頻節能改造后注塑機日耗電量統計表

根據表1統計數據計算實際節電率：

根據統計實際節電率達27.33%可知，將臺達HES系列變頻器變頻用于注塑機節能改造能達到良好的節能效果。

根據統計實際節電率達27.33%可知，將臺達HES系列變頻器變頻用于注塑機節能改造能達到良好的節能效果。

從以上的分析計算可以看出實際節電率27.33%比估算節電率31.86%有少許偏差，造成這一偏差的主要因素如下：伺服裝置內部有一定的功率損耗;伺服控制柜內其它電氣元件存在功率損耗;估算節電率是用公式分析計算的,存在一定的誤差。

5 伺服節能注塑機的系統特色

1）超省電節能：比變量泵油壓系統省電27.33%，比傳統定量泵油壓系統省電60%。在保持冷卻階段精密油電節能系統比傳統射出機節能，亦可保證產能及精度。

2）系統油溫低：油溫降低5-10度，用油可減少50%-60%，可減少50%郵箱容積；并可省去冷卻器或減小冷卻器規格。

3）重復精度高：除省電功能，成品重量偏差范圍在0.09%以下，更實現了精密的流量壓力控制。

4）保壓時間長：對壁厚制品十分有利。

5）頻率響應佳：采用交流同步伺服電機，流量響應可達50ms。

6）耐惡劣環境：采用防震、防油、防塵Resolver(旋轉變壓器)。

7）舊機改造易：支援頻比命令0-10V及線性三點校正，無需更換注塑機電腦控制。

8）簡易多幫合流：省配管線，加大系統流量，省電效果更明顯。

6 結束語

因注塑機的負載性質是恒轉矩類，機械特性較硬，動態特性要求較高，需要選用矢量控制高性能伺服裝置。要有起動轉矩大、沖擊電流小、動態響應快(加減速時間少)、速度控制精度高、保護功能齊全、性價比高的特點。臺達HES系列伺服裝置是為注塑設備開發，其設計優點正好滿足注塑機節能改造的工藝要求和技術要求。

目前，隨著工業自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，伺服裝置越來越廣泛地應用在風機、水泵等的節能場合，應取得顯著的經濟效益。國內伺服的整機技術落后，雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產規模。臺達機電產品的一體化解決方案為用戶產品開發節約了大量的成本和時間，其完善的售后服務體系為用戶解除了很多的實際問題。

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