ZB45包装机烟库电机控制系统的改进教学文案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。ZB45包装机烟库电机控制系统的改进吉林大学远程教育本科生毕业论文（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漯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，下烟库拨烟辊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

2、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转换器目录TOCo1-3hzu

3、HYPERLINKl_Toc416427962第一章前言PAGEREF_Toc416427962h1HYPERLINKl_Toc4164279631现状分析PAGEREF_Toc416427963h1HYPERLINKl_Toc4164279642设计缺陷PAGEREF_Toc416427964h2HYPERLINKl_Toc4164279653国内研究现状分析PAGEREF_Toc416427965h2HYPERLINKl_Toc416427966第二章技术方案PAGEREF_Toc416427966h3HYPERLINKl_Toc4164279671技术方案设计PAGEREF_Toc416

4、427967h3HYPERLINKl_Toc4164279682电控系统的设计PAGEREF_Toc416427968h3HYPERLINKl_Toc41642796921原烟库电机控制分析PAGEREF_Toc416427969h3HYPERLINKl_Toc41642797022烟库电机的运行特性PAGEREF_Toc416427970h5HYPERLINKl_Toc41642797123新系统元件的选取PAGEREF_Toc416427971h5HYPERLINKl_Toc41642797224新系统电控构成PAGEREF_Toc416427972h5HYPERLINKl_Toc4164

5、2797325新系统运行原理分析PAGEREF_Toc416427973h7HYPERLINKl_Toc4164279743F/V频压转换模块说明PAGEREF_Toc416427974h7HYPERLINKl_Toc4164279754变频器的工作原理说明PAGEREF_Toc416427975h8HYPERLINKl_Toc416427976结论PAGEREF_Toc416427976h9HYPERLINKl_Toc416427977参考文献PAGEREF_Toc416427977h10HYPERLINKl_Toc416427978致谢PAGEREF_Toc416427978h11第一章前

6、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，决定对拨烟辊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

7、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个搅动辊和一个拍打器。通过搅动辊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辊流入到

8、下烟通道时，拨烟辊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；而如果拨烟辊的速度过慢，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辊的驱动。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

9、值是由PLC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GAL(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

10、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包装机原拨烟辊电机及其驱动装置的种种缺陷，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

11、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辊电机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

12、辊电机系统进行改造。第二章技术方案1技术方案设计（1）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：F/V频压转换模块变频器烟库电机N02.04图1烟库电机改造系统框图2电控系统的设计21原烟库电机控制分析ZB45包装机组采用MICRO-II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。

13、其中功能板2号板4通道输出一个频率在10003000HZ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。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

14、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-II电气控制系统处理后通知机组停机。如图2图2：改造前直流烟库电机控制原理图22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

15、（r/min），虽然直流调速系统的额定转速是1500r/min，但是实际直流运行速度不超过1100r/min。2）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。23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1380r/min，功率0.37kW，额定电流1.78A。经计算，其转矩适合系统要求。2）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

16、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。24新系统电控构成1）拆除原直流电机，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

17、J1的常开点提供12V30V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010V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）2将变频器VFD-M的频率指令来源设定为由AVI端模拟信号DC0_+10V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P00频率指令的来源01主频率输入由模拟信号DC0+10V控制（AVI）P01运转指令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、M

18、1功能选择00M0：断开停止、闭合正转M1：断开停止、闭合反转25新系统运行原理分析设备上电后，变频器得电，当需拨烟辊电机旋转时，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辊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K12、K14闭合，则一24V的电压信号送到电柜内第10输入板的

19、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)。3F/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。端子Vout1F1+F1-频压转换驱动输出图4频压转换原理框图接线使用方法，F1+接输入脉冲信号的正端，F1接输入脉冲信号的负端，送出Vout1，AGND。VDD接模拟电源的正，也就是24V；VSS接24V，AGND接地。信号的零点与增益，在出厂时一般都已经调整好，用户

20、一般都不用更改。如果有变化，可以通过软件调整，或者采用模块上的电位器调整，打开模块的盖子后，可以进行调整，对应通道的零点电位器是Zero，增益调整电位器是Gain,调整的顺序是先调整零点，后调整增益。其作用是将1KHZ3KHZ的输入频率信号转化为10V10V输出电压信号。4变频器的工作原理说明变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源电源经过二极管整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电。工作原理如图5所示。逆变器异步电动机整流器控制电路交流电频率电压可调交流电控制指令控制指令运行指令图5变频器工作原理框图由图3可以看到，变频器有主电路（包括整流

21、器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。各部分的功能如下：1）整流器。它的作用是把三相交流电源整流成直流电，在SPWM变频器中，大多采用全波整流电路。大多数中、小容量的变频器中，整流器件采用不可控的整流二极管或者二极管模块。2）逆变器。它的作用与整流器相反，是将直流电逆变成电压和频率可变的交流电，以实现交流电机变频调速。逆变电路有开关器件构成，大多采用桥式电路，常称为逆变桥。在SPWM变频器中，开关器件接受控制电路中SPWM调制信号的控制，将直流电逆变三相交流电。3）控制电路。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率电压的“运算电路”，主电路的“电压、

22、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。交流电动机的同步转速表达式：n=60f（1-s）/P式中n：异步电动机的转速；f：异步电机的频率；s：电动机转差率；p：电动机的极对数。由交流电机的同步转速表达式可以看出，转速n和频率f成正比，只要改变f即可改变电动机的转速，当频率f在050HZ的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。但是，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。结论我经过这次的毕业设计，对