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  • KDF2滤棒成型机电控系统及相关技术改造方案
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  • 一、概述
           KDF2滤棒成型机由德国HAUNI公司开发研制,我国通过技术转让获得生产许可并大量生产和普遍应用。其主要技术指标为:生产速度400米/min、4000支/min(100mm长度时),滤棒规格¢6—¢9mm,长度60-150mm,KDF2成型各工序的控制机构和功能比较齐全,进口机并配置有在线质量控制系统,如圆度(直径)在线测控与警示,单支滤棒增塑剂含量的显示等;滤棒产品质量好,使用比较方便,有效作业率高,因而成为我国烟草行业辅料生产中滤棒成型的主要机型。并且至今仍具有很强的生命力。
    KDF2滤棒成型机由开松机AF2、成型机KDF2和装盘机HCF-80三个单元组成。其中装盘机为HCF-80,是一个成熟而独立的单机,并已采用了PLC控制。
           KDF2滤棒成型机在我国属早期引进的设备,通过长时间的使用,部份零部件、电气元器件己磨损老化,基本己进入全面的整修和更换期,同时由于受设计年代的限制,机组存在着一系列的不足,随着时间的推移,问题逐渐显露,主要有:
           本机组开松机AF2和成型机KDF2的电控系统采用继电器控制线路,大量的接触器、中间继电器、时间继电器、加热器温度开关、调节器等,随着时间的推移,故障率逐渐提高,维护困难,备件较多,有些专用器件的供货必需进口;
           主驱动电机为直流电机,由专用的控制板驱动,不仅日常维护量大,备件供应周期也长,价格昂贵。
           开松机的两对开松辊和一对输送辊的传动均从主机通过机械无级变速器传递速度,一般3至6个月需要全面维护一次,维护工作量大;而更换必须进口,费用更昂贵。
           热融胶和增塑剂的供给、也通过一套复杂速度变换系统、以求实现单支滤棒含量可控;尤其是热融胶,虽然泵速与机速同步,但其流量不可控,用户有时不得不改变传动关系来解决,很不方便。
           动态换盘纸机构过于简陋,以至于必须采取降速换纸的方法,由于机器工艺方面的特点,机器升、降速引起滤棒质量指标的波动。
           由于存在上述问题,随着技术的进步、KDF3、KDF4成型机的问世,用户对KDF2机组进行综合技术改造的要求日益强烈,为此、本公司推出了对AF2开松机和KDF2成型机的一系列改造方案,其内容主要为以下几个方面:
           1、电控系统PLC改造:整机电控系统进行PLC改造,使开松、成型及装盘三个部分的电控一体化。增设触摸式人机界面,实现控制系统的全面更新,并为机器增添新的功能创造条件。(整机PLC改造有包含与不包含装盘机两种模式)。其目的是提高设备运行的可靠性,稳定性,便于用户操作维护,降低设备的故障率。
           2、开松辊与输送辊及甘油泵的独立驱动:AF2开松机的两对开松辊、一对输送辊、增塑剂甘油泵采用伺服系统实现独立驱动,废弃原先的机械无级变速器,使传动系统简练化,通过电气控制实现增塑剂单支含量的可控。其目地是克服原机械传动的误差及速度的波动,同时便于因原料的工艺要求可直接设定工艺参数,以确保产品质量,减少废品。单支甘油含量的显示也在触摸屏上,显示快速精确;可以废除原机的显示器。                                
           3、主电机的变频改造:主电机采用交流变频调速系统取代原先的直流调速系统;其目的是解决原直流电机备件供应困难以及维护工作的复杂。
           4、热融胶泵的独立驱动:热融胶泵也采用独立驱动,并能方便地调整热融胶流量,参数设定和显示由PLC和触摸屏实现;
           5、高速搭接动态换纸伺服改造、盘纸拖动辊伺服改造:改进动态换纸机构,采用伺服电机驱动,以实现高速动态换纸;拖纸辊采用伺服电机驱动,取消原机辅助传动箱部件,克服原换纸、引纸时速度的变化造成产品质量的废品。
    二、技术方案简介
           1、电控系统PLC改造
           采用西门子S7-300系列PLC作为系统控制器;
           以西门子触摸屏作为人机界面,完成各种工艺参数的设置、运行参数的显示、故障信息提示等功能。
           采用PROFIBUS-DP 总线结构实现PLC与伺服系统的通讯、从而减少接线,提高系统稳定性,降低故障发生概率。
           PLC控制点数超过100点,硬件组态包括:数字量输入输出模块、模拟量模块、高速计数模块。带有11个总线适配器。      
           取消所有时间继电器、中间继电器、转速显示器等,其功能由PLC和触摸屏取代。
           更换所有接触器、空气开关、接近开关、光电开关、接线端子板和电缆系统。
           保留变压器、整流器、以及原机未变动的执行器件,更新老化器件,如电磁阀、部分电机等。保留与之相关的部分插头座。
           保持整机控制功能不变,保持基本操作程序不变:PLC保留各种选择件以及拟议中的在线直径、重量、吸阻测控系统和生产数据集中采集系统的接口,为机器今后的升级和工厂的集中管理铺平道路。    
           2、辊与输送辊及甘油泵的独立驱动
           根据原机工作原理及工艺要求,采用先进的LENZE伺服驱动技术,使用电子齿轮箱技术取代机械无级变速器,并结合烟厂实际情况,提出以下具体改造方案:
           拆除三个机械式无级变速器,由三台交流伺服电机、直接驱动两对开松辊和一对输送辊,电机与各辊对之间采用特制的连轴节连接,提高传动精度 。
           三台交流伺服电机对成型机刀头形成级连的位置闭环系统,各辊的速度与刀头实现完全的比例同步,既实现在设备启动、停止、加减速和稳速运行时各辊的瞬时速度与刀头速度之间始终保持同比例。                    
           三台交流伺服电机驱动器能够独立控制,级连的方式保证了三台电机具有原机的关联运行模式,即能执行“1+2+3”和“2+3”和“2”三种联调的运行模式。以适应操作工的操作习惯。
           改造后有独立的触摸屏用以精确地设置和显示各辊的瞬时运行速度,而不同于原机所显示的平均速度。同时,触摸屏通过PLC的计算,可以显示各相关辊对之间的速比,操作工可由此来判定现行速比参数与推荐的经典数据之间的差距。
           改造后驱动电机、拆卸维修方便。
           改造后各驱动电机实现通用化与模块化,能够实现电机的过热、过载、缺相、短路等故障的保护。

                                       图:开松辊、输送辊独驱伺服系统连轴式结构示意图                 图:甘油泵独立驱动示意图

           开松机独驱改造(包括甘油泵和热融胶的独驱),其数据的通讯和处理都采用主机电控系统的PLC。
           甘油泵独立驱动
           甘油泵采用带减速器的异步电机直接驱动,取消了原机的机械无级变速器和复杂的结构,使机构变得简洁明快;取消了原机的  单支滤棒甘油含量计,由PLC采集各速度参数,通过计算在触摸屏上显示。
           单支滤棒甘油含量的调整也通过触摸屏进行。这种调整是数字化的,不同于原机的试探式。
           伺服系统的设置和运行精度为:
           电子齿轮箱分母    1000
           电子齿轮箱分子    0~任意整数
           各辊运行所有时段瞬时跟踪位置误差:max .0.5mm
           3、主电机的变频改造
           整机驱动系统的构思是:将开松机部分、盘纸驱动和搭接部分、滤棒输出鼓轮部分的传动从主传动脱开,主电机的动力只负责刀头、布带轮和输出鼓轮的驱动。这样,主电机负载无论是负载力矩还是负载惯量都有了很大的减轻。但是,由于机器提速升级的要求,刀头与布带轮的负荷有所增大。为此,综合考虑,电机的功率选择为7.5kW,2900rpm,具体方案为:
           选用两极交流异步电机为主驱动电机,采用高速同步齿形带将动力传递至刀头和布带轮。克服原机平皮带有可能出现的打滑;  利用异步电机转子惯量大和反应迟钝(相对于伺服电机而言)的特点,使主机速度的波动较为平稳。
           采用伦茨9300系列工程矢量变频器作为电机驱动器。采用闭环方式控制。
           电机轴直连轴编码器,作为一系列独驱系统的速度基准。直连方式可以克服传递误差。
           保留原机的刹车盘,采用气动刹车;同时变频器外接制动电阻,提高刹车性能。
           取消原机速度信号控制板,速度模拟量信号由PLC提供。

    主电机变频改造电气示意图

           4、高速搭接动态换纸伺服改造、盘纸拖纸辊伺服改造:现有的盘纸驱动方式是机械式的,由于滤棒盘纸抗拉强度较大,而且不打钢印,现行机构本是简单和可靠的。但原机换纸机构过于简陋,导致机器换纸时必须降速,并引起滤棒参数的波动,属一大缺陷。改造的方案是:将新纸盘加速所采用的绕纸辊机构改成盘纸加速辊带存纸盒结构,采用伺服电机控制,他们的动作程序由PLC设定。宗旨是保证引纸速度的可控。以实现满速换纸搭接。其优点:
           维修更为简便消除KDF2因换纸速度波动引起的滤棒质量故障;
           全速拼接、无形中提高了产量;
           可以减轻对机械部分的调整(包括纸盘架);
           相对稳定的线速度保证拼接的成功率;
           用伺服替代了机械离合器,使得使用周期更长。
           另外,拖纸辊采用伺服电机驱动,取消原机辅助传动箱部件,以降低机械传动故障,大大减少维修量。

    盘纸驱动与换纸机构改造示意图

    5、热融胶泵的独立驱动
    原机热融胶泵的驱动因设计年代的技术制约,不太合理。对用户带来不小的麻烦。根据工艺要求,采用带减速器的异步电机,用内置矢量型变频器驱动,速度信号取自输送辊的速度输出模拟量,就可以实现供胶量与线速度的比例同步。其速度精度可以满足要求。调整的方法同甘油泵,也通过触摸屏进行。
              

    热融胶独立驱动示意图 


    系统精度:
    设置精度:0.01Hz
    甘油泵和热融胶泵的速度跟踪精度:1% (在50%~100%满速范围内)        
              

    三、技术的可延伸性
          文中介绍的机器个单项技术改造在技术参数上都有一定的余量,机器速度提高时无须改变方案和器件,而继续沿用。对今后机器进一步改造来说是一个基础。
          但KDF2在线质量控制系统仍不够完善,完善的在线测控系统应该包括对滤棒直径、长度、重量和吸阻的全面测控,控制内容应该根据测量数据进行统计分析,然后根据平均值进行调整和控制,根据极值和标准偏差发出报警或停机信号。全面测控系统的模式已经成熟,本公司的KDF2技术改造和翻新提速方案已经考虑到今后全面测控系统的融入,在PLC、触摸屏的选型,通讯接口的予留,以及测控系统的调整数学模式等方面都作了准备,今后一旦实施全面的在线测控系统,将十分容易的切入。
          另一方面,随着用户管理系统的升级,机器生产数据的集中采集和管理势在必行,本公司的KDF2翻新提速改造方案已经考虑到这个趋势,不仅现今已经具备了基本的生产数据采集和显示功能,而且可以拓展,还予留了与上位机通讯,进行数据上传的接口。
    技术的可延伸性保证了机器不致重复技改,有利于延长使用寿命。    
          该项目与上海烟机大修厂配套进行电控升级。

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