包裝機組穩定性提升改造

摘要：本文為邯寶冷軋廠包裝機組的優化與改造，包括入口運卷小車定位功能升級改造、變頻器控制方式升級、提升機定位改造，所涉及到的技術有DP網絡、DP通信的激光編碼器的使用、變頻器控制技術、電阻尺及模擬量測距的使用等。

關鍵詞：包裝機組;DP網絡優化;變頻器控制;自動化改造

邯寶冷軋廠目前有2 條全自動包裝機組，機組包括入口運卷小車，運輸梁，提升機，自動落紙機、全自動周向、眼向打捆機、出口高速小車可將連退生產下線的鋼卷實現全自動打包，且無需天車吊裝，避免吊傷，是鋼卷可靠存儲和運輸的重要保障，但伴隨著產量不斷增大，機組原有的控制系統參數和外圍生產條件已經完全不能滿足現有產品生產需要，直接影響產品快速包裝外發出廠。

經過細致梳理，目前存在的問題有：一、包裝小車經常出現定位不準，定位精度低，小車無法下落的故障。其主要原因是小車位置檢測由齒輪鏈條拖動的模擬量編碼器實現，其控制精度低，且每次掉電后小車的位置會消失，需要手動對其位置進行重新標定初始化。二、包裝小車無法平滑調速和精確停止定位。其主要原因是原設計采用G120系列變頻器控制小車速度輸出，但程序只給定3 個固定速度輸出，即：最大速度，一級減速，二級減速，三種速度切換，無平滑過渡功能。三、提升機工作不穩定，經常出現撞卷現象。其主要原因為位置檢測元件易壞、經常性的碼值跳變，提升機位置檢測對提升機是否能正確的穿進卷眼中起到至關重要的作用。原有產線設計提升機位置檢測裝置為電阻尺，該元件安裝位在提升梁側面，且位置固定無法更改，自身碳刷環磨損的粉末容易積累在自身中，導致信號波動，無法準確檢測提升梁實際位置，影響產線正常運行，且有安全隱患，必須定期或碼值發生跳變時更換電阻尺。

針對上述問題我們制定了與之對應的解決方案：

一、為了解決小車定位不準及定位精度低的問題，我們采用更加穩定可靠的激光編碼器替代旋轉編碼器，改變安裝及采樣取值方式，實現小車穩定運行。

入口運卷小車定位反饋原設計是由鏈條帶動齒輪拖動的模擬量編碼器，編碼器信號通過小車拖鏈電纜傳至遠程ET200M中的計數模板內。受齒輪和鏈條波動的影響，其定位控制精度低，且每次掉電小車位置消失后，需要對編碼器進行手動標定初始化。改造為激光編碼器后具有以下優點：1、小車上只安裝了反光板，車體上無通信和供電電纜，免去拖鏈內電纜維護，同時無需使用計數模板，降低備件消耗費用。2、控制定位精度大大提高，激光編碼器可以測量的最小值為0.001mm，且為直接測量小車本體位置，反饋碼值平滑穩定無跳變。3、掉電碼值保持，免去手動標定步驟上電即可恢復運卷過程。4、網絡結構改變，減少了中間環節，大大降低了網絡故障風險。

通過以上改造，目前入口運卷小車位置碼值穩定，全年無定位事故，實現了改造的初衷，同時降低了備件維護成本和人力成本。

二、為了解決小車運行速度平滑過渡和精確停止定位的問題，我們對包裝機組卷運輸傳動系統進行了改造，開發了運卷小車自動控制系統，編寫了G120通用控制模塊，同時優化電機變頻器控制參數。

原設計采用G120系列變頻器控制小車速度輸出，程序只給定3 個固定速度值，即：最大速度，一級減速，二級減速。三種速度直接切換無過渡，小車速度無法精確控制。

G120系列變頻器為西門子設計生產的電機控制模塊，此模塊可通過DP/USS/Modbus/操作面板等進行控制，在生產工藝復雜的現場，如小車行走電機控制，生產線傳動輥轉動控制上，一般采用DP總線和控制字的方式對現場電機進行轉動控制。源程序就是使用DP總線將控制字發送給G120模塊，但因控制字的種類有好多種，多次在不同程序段內傳送控制字，如果程序邏輯錯誤，可造成控制字混亂，現場電機動作異常，造成危險。

開發通用G120控制模塊，是為了更方便的控制現場電機動作，使得程序可讀性更強，變頻器更容易控制，同時實現速度平滑過渡，掃除了源程序多次重復寫控制字的不便和混亂。

硬件組態時將對應G120變頻器通信協議選擇為西門子353電文，即可使用G120模塊對現場電機進行控制，此模塊共設置11個輸入和輸出管腳，各管腳說明如下：

V_IN：速度設定值（正負100，100對應50Hz），ENABLE：上電，勵磁，E_STOP：急停OFF3，ACK：復位變頻器，INT_T：勵磁時間S5T#，V_DIR：速度正負控制或DIR控制，為1 時為速度正負控制，DIR_1：1方向，選擇方向控制時1 和2 必須有一個為1，否則不輸出，DIR_2：2方向，選擇方向控制時1 和2 必須有一個為1，否則不輸出，CTW1：連接變頻器控制字PQWXX，CTW2：連接變頻器控制字PQWXX+2，BREAK：抱閘輸出控制。

對現場小車行走電機的變頻器參數進行優化，內容包括：對小車進行靜態辨識和動態優化，根據電機銘牌初步建立電機模型。使變頻器得出電機的各項實際和具體的參數，有利于變頻器對電機實施更好的控制。

通過以上改造，入口上卷運輸小車實現了速度連續可調，配合激光編碼器，實現了位置精確定位，同時實現了勵磁保持功能，避免了舉卷和落卷過程中的位置抖動，實現了改造的初衷。

三、為了解決提升機工作不穩定，經常出現撞卷的問題，我們通過更換為更為穩定的激光定位模擬量傳感器對提升機位置進行測量。

提升機位置檢測對提升機是否能正確的穿進卷眼中起到了至關重要的作用。原有位置檢測元件為一根2 米長的模擬量電阻尺，工作原理為拉桿拖動電刷在電阻上滑動，尾部主板首先測量電阻阻值，再轉換為4～20ma電流輸出給信號采集模板，該元件只能安裝在提升梁側面，提升機帶動拖桿進行位置測量。正常包裝速度為大約每3 分鐘包裝1 卷，受不確定因素影響，一天時間電阻尺的抽拉次數為400次左右，每次的抽拉都會造成電阻尺自身碳刷及電阻板的磨損，磨損掉落的粉末容易積累在自身中，導致信號波動，碳刷和電阻板的磨損也會造成碼值跳動，使得提升機無法準確提升到達設定位置，影響設備正常運行及人身安全，通常的做法為定期更換電阻尺或當碼值跳變的時候更換新電阻尺。

通過對位置采集傳感器的篩選，同時控制備件成本和人力成本，最終選定模擬量激光測距傳感器。激光位置傳感器采用頂裝，激光向下打至漫反射板，避免了激光元件落塵導致數據不穩定，檢測元件變為了非接觸式，實現了檢測0 磨損，保證信號穩定，無信號跳變的情況發生。既降低了提升機對人身及產品造成的危險及損壞，又無需定期更換電阻尺從而節約了備件成本和人力維護成本。

包裝機組改造升級過程中的程序均采用規范化代碼編程，程序邏輯清晰、條理分明，方便維護人員查找問題根源。激光定位改造、變頻調速系統改造、提升機改造，大大提高了包裝生產線的穩定性，這些改造為包裝機組的穩定運行起到了至關重要的作用。

作者簡介：

王禹（1988—），男，漢族，河北邯鄲人，工程師，主要從事冷軋生產線設備維護工作。