枕式包裝機變頻調速控制系統設計

杜瑞濤，馮振華

（許昌電氣職業學院，河南 許昌 461000）

在現代電子技術不斷發展的時代背景下，控制技術也開始向深層次進步。在工業生產行業中，交流變頻調速技術應用范圍越來越廣泛。以輸入電源頻率變化為核心技術，調整電動機轉速，實現工作設備的變頻調速，最終達到電動機調速的效果[1-5]。變頻調速技術具有效率高、范圍廣的特點使得該技術受到廣泛應用，但隨著科技的不斷發展，對變頻調速技術要求也越來越高。變頻調速在包裝機上的應用就是一件極其有技術含量的工作，一旦出現意外極有可能造成設備的損壞。這種情況下可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）開始被應用于變頻調速控制系統設計中，PLC 技術使得可編程控制器常常應用于設備控制系統之中[6-10]。包裝機變頻調速控制系統設計，可以預先制定顯示電機轉速、遠程控制調速的軟件，利用PLC 實現設備的智能控制。此外，為了加強人機交互，基于觸摸屏實現對主機的控制。該系統在完成了包裝機變頻調速的同時，也為變頻調速系統的應用帶來了更加廣闊的空間。

1 枕式包裝機結構

水果包裝機機械結構見圖1，該包裝機主要由水果傳送機構、包裝膜傳送機構、制袋成型器、撫平機構、縱封機構末端切斷機構等組成[11-13]。水果傳送機構主要由物料傳送電機、傳送鏈條、物料撥叉等機構組成，通過上述機構實現水果的傳送，并將水果傳送到成型器中。薄膜輸送輥輪主要負責對塑料復合膜進行運輸，包裝機在運行時縱封機構與薄膜輸送輥輪相互協調，有效避免塑料薄膜所產生的誤差。制袋成型器是將塑料復合膜制成袋裝，將水果包裝在袋體中。縱封裝置是將成型器制成袋體的復合膜進行縱向加熱封合，并牽引塑料復合膜往前運動。撫平裝置對縱向熱封過的塑料復合膜進行表面的整理，以及對水果物料的向前推進起到助力作用。

圖1 包裝機結構Fig.1 Structure of packaging machine

2 包裝機變頻調速控制系統硬件設計

2.1 可編程控制箱設計

包裝機變頻調速控制系統的設計核心是控制設備PLC，正常情況下，需要設計可編程控制箱來保證安全設置。文中使用德國的西門子PLC 作為控制箱內的核心設備，控制器周圍添加隔離端子實現電路隔離，保證設備安全性，整個裝置的電氣原理見圖2。

通過圖2 的原理設計可編程控制箱，在包裝機變頻調速控制中可以對變頻器的轉動方向、啟動、停止、速度進行控制。可編程控制箱還可以發揮設備運行狀況檢測的作用，通過模擬量信號的輸入，識別變頻器運行是否處于正常狀態。由于采用工業文本顯示控制信息，促進了操作者的控制便利性。最后，隔離技術的應用加強了PLC 的抗干擾能力，提高了包裝機變頻調速控制的可靠性。

2.2 變頻器設計

系統設計中另一個不可或缺的硬件就是變頻器，良好的變頻器設計可以控制設備電流、穩定電壓、解決能耗。經由供電的頻率的變化實現變頻調速[14-15]。具體的變頻調速原理見圖3。

圖3 變頻調速原理Fig.3 Schematic diagram of variable frequency speed regulation

依據圖3 原理設計的變頻器主要職能是控制電機的變速運行。變頻器除了擁有變頻調速功能還具有保護設備安全的能力。圖3 中整流部分由整流器構成，它的作用在于將原電源向直流電源轉變，通過儲能部分促進直流電的穩定性。穩定的直流電經由逆變部分轉換為交流電輸出。上述為包裝機變頻調速控制系統硬件部分的設計。

3 包裝機變頻調速控制系統軟件設計

包裝機變頻調速控制系統軟件設計以硬件為基礎，首先對變頻器的參數進行合理設置，然后基于可編程控制箱，完成控制系統所需的PLC 程序。最終實現基于PLC 技術的變頻調速系統控制。

3.1 設置變頻器參數

在系統軟件設計方面，依據變頻器結構設計首先對變頻器的參數進行設置，以便達到更優的變頻調速效果。通過對變頻器的核心異步電機內部結構的了解，可以獲得其轉速公式為：

式中：fs、p為交流電的輸入頻率與定子極對數；s為轉差率，它的計算式為：

式中：fsr為旋轉頻率；ns為同步轉率。一般情況下s表示的參數變化都很小，可以忽略不計，所以影響最終轉速輸出的只有定子頻率。通過電磁環境可以獲得電機內部的電磁轉矩計算式：

式中：Ir為轉子電流；FM為每極磁通量；KT為轉矩常數；cosθ為轉子電流的功率因數。對異步電機的轉矩-轉速特性及負載阻抗特性關系進行分析，發現其變化關系見圖4。

圖4 電動機轉矩-轉速特性及負載阻抗特性Fig.4 Torque-speed characteristics and load impedance characteristics of motor

由圖4 可知，由于轉差率增大會導致功率因子降低，使得啟動轉矩減小，與之相對應的是增加啟動時的功率因子，轉矩同樣會隨之增長。所以為了保證變頻器使用效果，需要采用低頻率交流電源。除此之外，變頻器主要的參數設置見表1。

PLC 程序采用核心微處理器進行控制工作，融合了計算機技術形成具有靈活性。由于目前PLC 技術普遍具有的功能是模擬量信號處理，也就是經由A/D、D/A 模塊將模擬量信號轉換為電壓或電流輸出。再將輸出的信號輸入變頻器，控制變頻器電源輸出頻率。PLC 程序控制的方式需要保證，變頻器與PLC 程序距離保持不遠并且要實現一對一控制。在包裝機變頻調速控制系統中，PLC 程序的應用正好符合需求。

PLC 程序的設計見圖5。程序開啟時M 8000 呈現閉合狀態，D5 代表著數據寄存器按照正常速度進行數據處理，并將處理后的值保存在D7 中。圖5 中啟動按鈕被按下時MO 呈現閉合狀態。然后利用D/A轉換模塊，將D7 的數據值向通道16 轉換。依據判定條件，獲取下降沿，通過D5 的值判斷Y1、Y2 正轉或反轉啟動。此外，發現特殊情況時，通過X2 控制電機停止工作。

圖5 PLC 測試程序Fig.5 PLC test program

3.2 基于PLC 實現變頻調速系統控制

通過對PLC 程序進行設計，完成了變頻調速系統的控制。將PLC、變頻器的功能結合起來，完成包裝機變頻調速控制。文中系統的設計可以實現設備運行狀態的檢測，同時控制變頻器的通信、現場管理等。利用PLC 程序的控制使得系統結構更加簡單，變頻調速控制的精度和抗干擾性能得以提升。基于PLC實現變頻調速系統控制后，觸摸屏顯示出變頻調速控制信息，經由觸摸屏完成操作人員的遠程控制。依靠傳感器測速系統將轉速信息傳達給PLC 程序，采用模擬量信號處理的方式將對應的模擬量向觸摸屏輸出，觸摸屏顯示出對應時間段的包裝機變頻調速系統的轉速值，并且以圖像的方式將轉速波形展現出來。操作人員通過對觸摸屏上的數值、圖像的分析，識別電機運行狀態是否符合工作需求。最終，完成基于PLC 的變頻調速系統控制。

4 系統測試

4.1 系統運行測試

完成整體的系統設計后，為了保證文中設計系統在實際應用中具備良好的效果，特進行實驗測試。將設計好的系統程序存放至TPC7062K 中，并且將一體化觸摸屏連接三菱FX2N-48MR 的PLC。利用編寫完成的 PLC 程序完成數據的轉換工作，然后經由FXON-3A 模擬電壓信號，用0～10 V 的電壓測試變頻調速控制系統的性能。依據給出的模擬信號輸出頻率，并且完成電動機運轉，系統的運行界面見圖6，通過測試數據的分析，判斷系統的性能。

圖6 系統運行測試界面Fig.6 Running test interface of system

文中設計系統的測試主要針對變頻調速技術進行的，從分段調速到模擬調速來進行不斷測試，從電機運行的曲線圖來觀察數字量調速的變化。采用數模轉換模塊設定好變頻器的參數。根據圖5 所示的數據信息進行系統的整體運行調試，確保系統運行結果與實際運行曲線相符合。確定文中設計的變頻調速控制系統運行正常后，對系統的運行所需能耗進行測試。為確保實驗結果的合理性，選擇2 個傳統控制系統作為對照組，對3 個控制系統在相同條件下進行測試。

4.2 實驗結果分析

在工作過程中，包裝機變頻調速控制系統由于需要對變頻器進行控制，會產生較大能耗。對3 種控制系統在不同壓力下的能耗情況進行測試，測試結果見表2。

根據表2 中的數據可以發現，文中基于PLC 技術設計的包裝機變頻調速控制系統，隨著壓力不斷降低，在保證變頻調速控制水平的情況下，所需能耗同樣在降低，從最初的0.368 kw·h 下降至0.257 kw·h。2 種傳統系統控制變頻調速所需的能耗雖然也在發生波動，但是并沒有出現具體的規律變化，而且能耗變化不大。當壓力為0.1 MPa 時，文中系統與2 種傳統系統相比，能耗分別降低了49.5%和39.2%。

表2 控制系統不同壓力下能耗統計Tab.2 Energy consumption of control system under different pressure

5 結語

文中以PLC 技術為基礎，設計了一個包裝機變頻調速控制系統。通過文中的設計，有效實現了對設備變頻調速的控制，并且在保證控制效果的基礎上降低了控制系統運行所需的能耗，降低了生產成本。文中的設計系統在實際應用中具有良好的效果，但是隨著研究的深入，必然會將系統更加完善。