枕式包装机变频调速控制系统设计

杜瑞涛，冯振华

（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）

在现代电子技术不断发展的时代背景下，控制技术也开始向深层次进步。在工业生产行业中，交流变频调速技术应用范围越来越广泛。以输入电源频率变化为核心技术，调整电动机转速，实现工作设备的变频调速，最终达到电动机调速的效果[1-5]。变频调速技术具有效率高、范围广的特点使得该技术受到广泛应用，但随着科技的不断发展，对变频调速技术要求也越来越高。变频调速在包装机上的应用就是一件极其有技术含量的工作，一旦出现意外极有可能造成设备的损坏。这种情况下可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）开始被应用于变频调速控制系统设计中，PLC 技术使得可编程控制器常常应用于设备控制系统之中[6-10]。包装机变频调速控制系统设计，可以预先制定显示电机转速、远程控制调速的软件，利用PLC 实现设备的智能控制。此外，为了加强人机交互，基于触摸屏实现对主机的控制。该系统在完成了包装机变频调速的同时，也为变频调速系统的应用带来了更加广阔的空间。

1 枕式包装机结构

水果包装机机械结构见图1，该包装机主要由水果传送机构、包装膜传送机构、制袋成型器、抚平机构、纵封机构末端切断机构等组成[11-13]。水果传送机构主要由物料传送电机、传送链条、物料拨叉等机构组成，通过上述机构实现水果的传送，并将水果传送到成型器中。薄膜输送辊轮主要负责对塑料复合膜进行运输，包装机在运行时纵封机构与薄膜输送辊轮相互协调，有效避免塑料薄膜所产生的误差。制袋成型器是将塑料复合膜制成袋装，将水果包装在袋体中。纵封装置是将成型器制成袋体的复合膜进行纵向加热封合，并牵引塑料复合膜往前运动。抚平装置对纵向热封过的塑料复合膜进行表面的整理，以及对水果物料的向前推进起到助力作用。

图1 包装机结构Fig.1 Structure of packaging machine

2 包装机变频调速控制系统硬件设计

2.1 可编程控制箱设计

包装机变频调速控制系统的设计核心是控制设备PLC，正常情况下，需要设计可编程控制箱来保证安全设置。文中使用德国的西门子PLC 作为控制箱内的核心设备，控制器周围添加隔离端子实现电路隔离，保证设备安全性，整个装置的电气原理见图2。

通过图2 的原理设计可编程控制箱，在包装机变频调速控制中可以对变频器的转动方向、启动、停止、速度进行控制。可编程控制箱还可以发挥设备运行状况检测的作用，通过模拟量信号的输入，识别变频器运行是否处于正常状态。由于采用工业文本显示控制信息，促进了操作者的控制便利性。最后，隔离技术的应用加强了PLC 的抗干扰能力，提高了包装机变频调速控制的可靠性。

2.2 变频器设计

系统设计中另一个不可或缺的硬件就是变频器，良好的变频器设计可以控制设备电流、稳定电压、解决能耗。经由供电的频率的变化实现变频调速[14-15]。具体的变频调速原理见图3。

图3 变频调速原理Fig.3 Schematic diagram of variable frequency speed regulation

依据图3 原理设计的变频器主要职能是控制电机的变速运行。变频器除了拥有变频调速功能还具有保护设备安全的能力。图3 中整流部分由整流器构成，它的作用在于将原电源向直流电源转变，通过储能部分促进直流电的稳定性。稳定的直流电经由逆变部分转换为交流电输出。上述为包装机变频调速控制系统硬件部分的设计。

3 包装机变频调速控制系统软件设计

包装机变频调速控制系统软件设计以硬件为基础，首先对变频器的参数进行合理设置，然后基于可编程控制箱，完成控制系统所需的PLC 程序。最终实现基于PLC 技术的变频调速系统控制。

3.1 设置变频器参数

在系统软件设计方面，依据变频器结构设计首先对变频器的参数进行设置，以便达到更优的变频调速效果。通过对变频器的核心异步电机内部结构的了解，可以获得其转速公式为：

式中：fs、p为交流电的输入频率与定子极对数；s为转差率，它的计算式为：

式中：fsr为旋转频率；ns为同步转率。一般情况下s表示的参数变化都很小，可以忽略不计，所以影响最终转速输出的只有定子频率。通过电磁环境可以获得电机内部的电磁转矩计算式：

式中：Ir为转子电流；FM为每极磁通量；KT为转矩常数；cosθ为转子电流的功率因数。对异步电机的转矩-转速特性及负载阻抗特性关系进行分析，发现其变化关系见图4。

图4 电动机转矩-转速特性及负载阻抗特性Fig.4 Torque-speed characteristics and load impedance characteristics of motor

由图4 可知，由于转差率增大会导致功率因子降低，使得启动转矩减小，与之相对应的是增加启动时的功率因子，转矩同样会随之增长。所以为了保证变频器使用效果，需要采用低频率交流电源。除此之外，变频器主要的参数设置见表1。

PLC 程序采用核心微处理器进行控制工作，融合了计算机技术形成具有灵活性。由于目前PLC 技术普遍具有的功能是模拟量信号处理，也就是经由A/D、D/A 模块将模拟量信号转换为电压或电流输出。再将输出的信号输入变频器，控制变频器电源输出频率。PLC 程序控制的方式需要保证，变频器与PLC 程序距离保持不远并且要实现一对一控制。在包装机变频调速控制系统中，PLC 程序的应用正好符合需求。

PLC 程序的设计见图5。程序开启时M 8000 呈现闭合状态，D5 代表着数据寄存器按照正常速度进行数据处理，并将处理后的值保存在D7 中。图5 中启动按钮被按下时MO 呈现闭合状态。然后利用D/A转换模块，将D7 的数据值向通道16 转换。依据判定条件，获取下降沿，通过D5 的值判断Y1、Y2 正转或反转启动。此外，发现特殊情况时，通过X2 控制电机停止工作。

图5 PLC 测试程序Fig.5 PLC test program

3.2 基于PLC 实现变频调速系统控制

通过对PLC 程序进行设计，完成了变频调速系统的控制。将PLC、变频器的功能结合起来，完成包装机变频调速控制。文中系统的设计可以实现设备运行状态的检测，同时控制变频器的通信、现场管理等。利用PLC 程序的控制使得系统结构更加简单，变频调速控制的精度和抗干扰性能得以提升。基于PLC实现变频调速系统控制后，触摸屏显示出变频调速控制信息，经由触摸屏完成操作人员的远程控制。依靠传感器测速系统将转速信息传达给PLC 程序，采用模拟量信号处理的方式将对应的模拟量向触摸屏输出，触摸屏显示出对应时间段的包装机变频调速系统的转速值，并且以图像的方式将转速波形展现出来。操作人员通过对触摸屏上的数值、图像的分析，识别电机运行状态是否符合工作需求。最终，完成基于PLC 的变频调速系统控制。

4 系统测试

4.1 系统运行测试

完成整体的系统设计后，为了保证文中设计系统在实际应用中具备良好的效果，特进行实验测试。将设计好的系统程序存放至TPC7062K 中，并且将一体化触摸屏连接三菱FX2N-48MR 的PLC。利用编写完成的 PLC 程序完成数据的转换工作，然后经由FXON-3A 模拟电压信号，用0～10 V 的电压测试变频调速控制系统的性能。依据给出的模拟信号输出频率，并且完成电动机运转，系统的运行界面见图6，通过测试数据的分析，判断系统的性能。

图6 系统运行测试界面Fig.6 Running test interface of system

文中设计系统的测试主要针对变频调速技术进行的，从分段调速到模拟调速来进行不断测试，从电机运行的曲线图来观察数字量调速的变化。采用数模转换模块设定好变频器的参数。根据图5 所示的数据信息进行系统的整体运行调试，确保系统运行结果与实际运行曲线相符合。确定文中设计的变频调速控制系统运行正常后，对系统的运行所需能耗进行测试。为确保实验结果的合理性，选择2 个传统控制系统作为对照组，对3 个控制系统在相同条件下进行测试。

4.2 实验结果分析

在工作过程中，包装机变频调速控制系统由于需要对变频器进行控制，会产生较大能耗。对3 种控制系统在不同压力下的能耗情况进行测试，测试结果见表2。

根据表2 中的数据可以发现，文中基于PLC 技术设计的包装机变频调速控制系统，随着压力不断降低，在保证变频调速控制水平的情况下，所需能耗同样在降低，从最初的0.368 kw·h 下降至0.257 kw·h。2 种传统系统控制变频调速所需的能耗虽然也在发生波动，但是并没有出现具体的规律变化，而且能耗变化不大。当压力为0.1 MPa 时，文中系统与2 种传统系统相比，能耗分别降低了49.5%和39.2%。

表2 控制系统不同压力下能耗统计Tab.2 Energy consumption of control system under different pressure

5 结语

文中以PLC 技术为基础，设计了一个包装机变频调速控制系统。通过文中的设计，有效实现了对设备变频调速的控制，并且在保证控制效果的基础上降低了控制系统运行所需的能耗，降低了生产成本。文中的设计系统在实际应用中具有良好的效果，但是随着研究的深入，必然会将系统更加完善。