Применение сервоприводов в упаковочном оборудовании

Рассматривается замена асинхронного частотно-регулируемого электропривода и электро-магнитной муфты на сервопривод в механизме дозатора линии упаковки сыпучего продукта. Анализируются преимущества использования сервоприводов с позиции основных характе-ристик упаковочного оборудования - производительности и точности дозирования. Приводятся возможные варианты организации системы управления.

Основным функциональным узлом любой линии упаковки сыпучих продуктов является дозатор. Именно его работой определяются главные выходные характеристики линии в целом - производительность и точность дозирования. Различия в конструктивном исполнении дозаторов, их механических и динамических свойствах, а так же в организации системы управления отличают одни линии от других. В данном случае модернизации подлежит высокопроизводительная линия, осуществляющая упаковку заданной дозы (веса) мелко гранулированного сыпучего продукта в пакеты из пленки. Вес одного пакета готовой продукции задается оператором в соответствии с установленными нормами, и, как правило, составляет 50 или 100 грамм. Время выполнения полного технологического цикла линии при средней заданной производительности - менее 1 секунды. Максимальная допустимая погрешность дозирования - менее 1 %.

Собственно дозатором, в рассматриваемой линии, является вертикально расположенный шнек. В прежнем решении (см. Рис.1.), шнек приводился в движение асинхронным двигателем, сопряжение вала которого со шнеком производилось через передаточный механизм с электромагнитной муфтой. Вал двигателя вращался постоянно с заданной скоростью, а шнек механически входил в сцепление один раз за цикл при включении электромагнитной муфты. Производительность линии в такой схеме определяется скоростью вращения шнека, а доза - продолжительностью сопряжения шнека с постоянно вращающейся частью передаточного механизма.

Система управления линией построена на базе программируемого логического контроллера PLC (CQM1H, фирма Omron, Япония), содержащего в своем составе встраиваемую плату ввода/вывода импульсных сигналов (CQM1H-PLB21), встраиваемую плату последовательного канала связи (CQM1H-SCB41) и необходимый набор модулей ввода/вывода дискретных сигналов. Для организации человеко-машинного интерфейса (ввода и отображения информации) используется программируемый символьный терминал. Управление скоростью вращения вала асинхронного двигателя осуществлялось от преобразователя частоты, по команде контроллера, через последовательный канал связи (CQM1H-SCB41). В контуре поло-жения использовался импульсный датчик с разрешением 100 импульсов на оборот. Датчик положения был установлен на валу передаточного устройства и осуществлял выдачу им-пульсов в контроллер посредством модуля CQM1H-PLB21.

Алгоритм работы линии в данном случае достаточно простой. В начале каждого цик-ла упаковки включалась электромагнитная муфта и вводила в зацепление шнек дозатора с вращающейся частью передаточного устройства. Угол поворота шнека отслеживался им-пульсным датчиком угла поворота. Импульсы датчика подсчитывались контроллером и при достижении ими заданного количества (в соответствии с заданной дозой), программируемый контроллер через модуль вывода дискретных сигналов подавал команду на выключение муфты. Муфта выводила шнек из механического зацепления и последний останавливался, завершая тем самым наполнение одного пакета. Затем, после выполнения технологических операций по отделению и формированию следующего пакета, цикл повторяется. Асинхрон-ный двигатель при этом вращается в течение всего времени работы линии, не останавливаясь на каждом цикле.

При всей простоте и прозрачности алгоритма работы механизмов системы, такое ре-шение обладает рядом недостатков. С точки зрения работы дозатора, все они связаны с на-личием сложного электромеханического узла, а именно передаточного устройства и элек-тромагнитной муфты. Наличие люфтов и ограниченной жесткости механических звеньев приводит к появлению погрешности дозирования. С течением времени эксплуатации, по ме-ре износа узлов, погрешность возрастает. Причем отклонения веса от заданного происходит как в меньшую, так и в большую стороны. Такой вид погрешности является не учитываемым при данной структуре управления, что на практике ведет к периодической замене износив-шихся узлов на новые, и в первую очередь, к замене дорогостоящей электромагнитной муф-ты. Как следствие, увеличиваются затраты на обслуживание линии. Кроме того, такая линия требует повышенного внимания со стороны обслуживающего персонала за контролем веса выходной продукции.

Линии, подобные рассматриваемой, не редко используются без электромагнитной муфты. В таких случаях, на асинхронный электропривод возлагается как задача управления скоростью вращения шнека, так и его позиционирование. То есть асинхронный электропри-вод работает в циклическом режиме. На каждом цикле преобразователь частоты разгоняет машину до заданной скорости, стабилизирует ее, а затем, по команде контроллера переводит в режим торможения. Выдача команды на торможение, как и в первом варианте, определяет-ся по датчику положения. Недостатком этого варианта по отношению к предыдущему следу-ет считать тяжелый режим работы асинхронного двигателя. Напомним, что продолжитель-ность каждого цикла при средней производительности не превышает одну секунду. Ввиду короткого времени работы на установившейся скорости, двигатель регулярно находится в переходных режимах пуска и торможения. Это приводит не только к нагреву двигателя, но и в значительной мере осложняет настройку привода.

Применение сервоприводов в станочной сфере явление не новое. В большинстве слу-чаев, благодаря их использованию достигаются наилучшие характеристики систем автомати-зации, и, не редко их применение является единственно приемлемым. Современный серво-привод способен управлять скоростью, моментом и положением. Принцип его действия под-разумевает возможность решения задачи стабилизации и собственно задачи слежения. Эти характеристики определяют сервоприводы как наиболее приоритетные на тех объектах, где предъявляются высокие требования к динамике и точности работы электромеханических систем. Дозатор рассматриваемой упаковочной линии относится именно к такому классу объектов.

Применение сервопривода в управлении дозатором кардинально меняет подход к на-личию и учету погрешности дозирования. В отличие от предыдущих вариантов, из системы исключаются не только электромагнитная муфта, но и весь ранее использующийся переда-точный механизм. Теперь вал сервомашины жестко сочленяется непосредственно со шнеком дозатора. Такой конструктив освобождает систему от наличия описанных выше погрешно-стей. В данном случае шнек, вал сервомашины и датчик положения находятся на одной оси.

Для организации системы управления не требуется дополнительного оборудования. Более того, на основе имеющегося состава модулей программируемого контроллера возмож-ны различные варианты решения. В первом из них, программируемый логический контрол-лер подает сигналы управления на преобразователь сервопривода через модуль вывода дис-кретных сигналов CQM1-OD212. В частности, подаются три дискретных сигнала, один на пуск сервопривода в работу (RUN), а два других - на переключение скорости с заданной (SPD2) на нулевую (SPD1). Импульсный датчик угла поворота (вмонтирован в корпус сер-водвигателя) подключается только к преобразователю сервопривода.

Такой вариант решения является самым простым из всех возможных. По существу, дискретные сигналы, поступающие в прежнем решении от PLC на управление электромаг-нитной муфтой (включение/выключение), теперь поступают на сервопривод (устанавливают заданную и нулевую скорость). Требуемая скорость сервопривода в данном варианте уста-навливается непосредственно с лицевой панели преобразователя как один из его внутренних параметров (Internal speed setting). Таким образом, сервопривод работает в режиме многосту-пенчатого (в частности двухступенчатого) управления скоростью через дискретные входы управления. Как видно, изменился не только принцип задания требуемой скорости, но и сама процедура ее установки по отношению к прежнему решению. Ранее эта операция производилась непосредственно с пульта управления, и не требовала непосредственного доступа к электроприводу. Заметим, что требуемая скорость не относится к параметрам, требующим регулярного или оперативного изменения. Эта процедура производится лишь при переналадке линии.

К преимуществам такого варианта следует отнести ниже следующее:
1. Из состава оборудования линии исключается электромагнитная муфта и ременный передаточный механизм.
   Недостатки наличия этих узлов описаны выше, при анализе прежнего решения. Собственно в этом и заключалась основная задача по модернизации линии - обеспечение стабильных показателей по точности и производительности работы линии.
2. Не требуется введения дополнительного оборудования в автоматизированную систему управления линией.
   Этот фактор является весьма важным как при модернизации существующих, так и при создании новых подобных линий. При модернизации - это сокращение дополнительных затрат на ее проведение. При создании новых подобных линий - снижение затрат на оборудование (стоимость передаточного узла и электромагнитной муфты) и построение системы управления (стоимость платы последовательного канала связи CQM1H-SCB41). Более того, виду упрощения задач, возлагаемых на PLC, последний может быть выбран с меньшими функциональными возможностями, а, следовательно, и менее дорогостоящий.
3. Короткий временной срок на выполнение работ по модернизации.
   При таком варианте не требуется внесения серьезных изменений в программу контроллера. Малый объем работ по модернизации способствует сокращению времени простоя линии.
4. Сокращение затрат на эксплуатацию.
   

Перечисленные выше преимущества делают этот вариант наиболее привлекательным по отношению к другим решениям. В частности, модернизация по такой схеме была произведена для линии упаковки CV500P.

На модернизированной линии используется комплектный сервопривод серии OMNUC W фирмы OMRON (Япония) мощностью 1000W (модель R88D-WT10HF) с сервомашиной R88M-W85015F-S2 (1500 r/min). Cервомашина снабжена встроенным семнадцати разрядным инкрементным датчиком положения.

На Рис.2 представлены осциллограммы скорости:1- заданная скорость (Speed Command) и 2- реальная скорость шнека, снимаемая с датчика положения (Feedback Speed). Сигнал TGON меняет свое состояние, когда скорость сервомашины превышает некоторое, заранее запрограммированное значение (Rotation speed for motor rotation detection). В данном случае этому параметру было установлено значение 1 оборот в минуту (минимальное из возможных). Из представленных осциллограмм следует, что при таком варианте решения отсутствует ошибка, вносимая сервоприводом в погрешность дозирования.

При проведении эксперимента производилась упаковка пакетов весом 100 грамм (максимальная технологическая доза). Видно, что при таком весе дозирования при скорости привода 1000 оборотов в минуту, собственно процесс дозирования протекает менее 0.6 секунды (см. Рис.2, график -3). По качеству переходных процессов по скорости можно судить о существенном запасе производительности (выбранный сервопривод способен работать на скоростях до 3000 оборотов в минуту). Во время дальнейшей эксплуатации линии привод продемонстрировал высокое качество работы при различных заданных дозах и требуемых производительностях.

Возможны и другие решения по применению сервоприводов при модернизации подобных линий. Так, например, управлять скоростью в сервоприводах OMNUC W можно внешним аналоговым сигналом 10 В. Однако, при этом, в систему управления линией потребуется добавить модуль вывода аналоговых сигналов. В данном конкретном случае, при использовании PLC CQM1H, можно использовать модуль CQM1-DA021 совместно с источником питания CQM1-IPS01. С технической точки зрения, этот вариант следует рассматривать как наиболее гибкий к формированию сигнала задания по скорости.

Рассмотренные варианты сходны между собой. Отличие заключается в способе задания скорости: внешним аналоговым сигналом или переключением ступеней скорости посредством внешнего дискретного сигнала.

Динамические характеристики сервоприводов позволяют удовлетворить высокие требования к производительности и точности работы современных автоматизированных линий упаковки сыпучих продуктов. Установка сервомашины непосредственно на вал исполнительного механизма дозатора высвобождает из состава линии оборудование с низким жизненным ресурсом (электромагнитные муфты, передаточные устройства, редукторы) и вносящим, в конечном итоге, погрешность в процесс дозирования.

Татаринцев Н.И.