瓦线横切机电脑控制系统的优化发展

瓦楞纸横切机电脑控制系统作为运动控制技术在“飞剪”领域的一个应用实例，有其较特殊的复杂性，过去一直依赖整套进口，价格贵，服务不及时。近几年来，随着国内包装行业的蓬勃发展，用户对瓦楞纸板的质量和规格有了更高的要求与需求，因此对横切机电脑控制系统提出了一些更严格的技术指标，如剪切精度、剪切速度、剪切范围、设备可靠性、操作方便性等等。随着现代控制技术特别是电力电子产品技术突飞猛进的发展，使横切机电脑控制系统的解决方案变得“简单易行”，目前国内有能力开发的自动化公司也不少，基本上打破了过去长期整机依赖进口的局面。
正是瓦楞纸横切机负载的特殊性导致其电脑控制系统在控制结构、设备选型、控制算法等方面的复杂性，虽然同属“飞剪”应用领域，但“解决方案”的差异会带来相当大的“性能价格比”的差别。本文根据负载特征简介了目前市场上流行的多种解决方案，并提出了“能耗最小”的优化解决方案。

负载特征——惯性负载
一般说来，用于计算确定驱动电机力矩的负载可分为三部分：有效力矩负载、摩擦负载和惯性负载。实践证明，瓦楞纸横切机负载主要表现为惯性负载，约占90%，因此，横切机控制系统设备选型、控制方案和控制算法的确定等可以仅考虑惯性负载这一基本特性，并以转动惯量(Ja)定量表示。瓦楞纸横切机的惯性负载又可分为刀轴系统、齿轮传动系统、联轴器、电机转子等四部分，分别以J刀、J齿、 J联、J机表示，即：
Ja = J刀+ J齿+ J联+ J机
可以证明，对单一惯性负载来说，驱动电机的额定转速（ne）与负载惯量(Ja)无关；额定转矩（Me）与负载惯量(Ja)成正比；额定功率（Pe）与负载惯量(Ja)成正比；即：
Me = C2 * Ja
Pe = C3 * Ja
其中， C2 、C3 为比例常数，与横切机结构及负载速度等相关。
显然，当负载速度（即纸板进给速度）确定后，由刀辊系统、齿轮传动系统、联轴器、电机转子等4部分构成的惯量分布成比例地确定了其驱动电机输出力矩或功率使用量分布。

“直联”和“直驱”是发展方向
瓦楞纸电脑横切机是典型的机电一体化设备，如上所述，合理选择刀辊系统、齿轮传动系统、联轴器、电机转子等惯量的分布既可以保证系统的机械结构刚度，又可保证系统功率消耗足够小，可以定义系统“功率有效利用率”指标来定量评价。
系统“功率有效利用率”是指刀辊系统功率利用量占电机总输出功率的比率（设为η），因此，刀辊系统转动惯量占负载总惯量比率愈大，则功率有效利用率愈高，即：
η = P刀/ Pa = J刀 / Ja = J刀 /（ J刀+ J齿+ J联+ J机）
对于给定的刀辊系统，当车速（即生产速度）一旦确定，则其功率消耗P刀是固定的，故所需电机驱动总功率为：Pa=P刀/η 。当η愈大，则Pa 愈小。
实践证明，机械设计时将η控制在70%~90%是合理的。
一般而言，有如下途径可提高“功率有效利用率”：
• 尽量采用转动惯量较小的一级齿轮传动，如伞型齿轮，减速比要合理；
• 取消齿轮箱，采用“直联”传动——随着现代电机制造水平和驱动装置控制精度的不断提高，采用多级低速电机直接驱动两个刀辊轴中的一个，取消齿轮箱，不仅同样能获得系统要求的剪切精度，而且能够达到更高的机械速度（可达到280米/分钟车速），同时也大幅度地提高了系统“功率有效利用率”。一般说来，当生产速度不超过280米/分钟时都可以采用“直联”传动方式；当超过此车速时，由于两个刀辊轴间的齿轮间隙所带来的剪切误差已不可忽略，建议采用如下的“直驱”方案。
• 取消所有齿轮，采用“直驱”传动，也称无轴传动——在上述“直联”传动的基础上，采用两套多级低速电机分别直接驱动两个刀辊轴，利用高性能驱动装置的同步跟踪功能，不仅能获得更高的剪切精度，而且能够达到更高的机械速度（大于280米/分钟车速，如400米/分钟），同时也进一步提高了系统“功率有效利用率”η。一般说来，当生产速度超过280米/分钟时，建议采用“直驱”方案。

在过去的许多实际应用中，很多机械设备制造商过多地考虑了安装因素，不恰当地加大齿轮传动链（如增加多级中间过度齿轮），或增加联轴器长度等，使刀辊系统转动惯量占负载总惯量比率大幅度降低，甚至低于20%，从而导致过大的电机总功率，显然是不合理的。根据目前国内外瓦楞纸电脑横切机应用情况和国内机械制造水平，“直联”传动方式应大力推广，是当前国内的发展方向；在高端应用领域，“直驱”传动方式也不应忽略。

控制方案及控制算法
一旦确定了横切机尺寸、传动方式及车速等，就可以确定控制系统的解决方案——即控制方案及控制算法。解决方案的微小差异往往会带来性能价格比较大的差别。

【控制方案】目前国内比较流行的控制方案有如下几种：
(1) HMI界面+运动控制器+直流调速装置+直流电机
(2) HMI界面+运动控制器+交流变频调速装置+交流变频电机
(3) HMI界面+运动控制器+交流伺服驱动装置+交流伺服电机
(4) HMI界面+运动控制嵌入式交流伺服驱动装置+交流伺服电机
一般说来，方案(1)由于维护工作量大、功耗高而逐渐被市场淘汰；
方案(2)由于交流变频电机在低速时扭矩小且不稳定而导致较大的剪切误差，只能面向低端用户；
方案(3) 和方案(4)是目前比较流行的方案，但方案(3)存在着“运动控制器”与“交流伺服驱动装置”相互匹配的问题，匹配不好不仅影响系统的可靠性，而且还会导致较大的剪切误差，因此各厂家的技术指标水平也参差不齐，即使是同一厂家并且是同一种控制方案，各产品的性能也有差异；
方案(4)不存在方案(3)的缺陷，但目前价格还较贵。
方案(3) 和方案(4)也代表了今后的发展方向。

【控制算法】控制算法是解决方案的核心和精髓，好的控制算法在保证裁剪精度的情况下有效降低能耗和动力设备——电机及其驱动装置容量，从而能有效地提高系统的性能价格比。“运动控制器”是控制算法的载体，优秀的“运动控制器”是控制算法能够完美实现的物质基础；目前用于瓦楞纸横切机的“运动控制器”有如下几种形式：
• 专用运动控制卡或控制器，如：MKS公司的CT150，TRIO的MC202、MC204等，mikipulley公司的SPC-007等等；
• 通用或专用PLC，如：西门子(SIEMENS)S7-317T等等；
• 单片机，如：Intel8031、Intel8096、TMS320系列DSP等等；
• 嵌入到交流伺服驱动装置的运动控制功能块或功能卡，如：西门子(SIEMENS)交流伺服装置的功能模块、西门子(SIEMENS)轮切控制卡等等。
基于不同的“运动控制器”，控制算法不尽相同，从而导致了产品最终能耗的差异，性能也千差万别。
据相关企业的深入研究，若采用西门子（SIEMENS）交流伺服驱动装置内置的功能模块，可以实现一种能耗极低的运动控制算法。由该算法可以推导出，对单一惯性负载来说，驱动电机的额定转速（ne）与负载速度(V)成正比，与负载惯量(Ja)无关；额定转矩（Me）与负载速度(V)的平方成正比，与负载惯量(Ja)成正比；额定功率（Pe）与负载速度(V)的立方成正比，与负载惯量(Ja)成正比；即：
Ne = K1 * V
Me = K2 * V2 * Ja
Pe = K3 * V3 * Ja
其中，K1 、 K2 、K3 为比例常数。
可以证明，由上述各式计算结果所选择的驱动电机容量非常小，从而大幅度降低耗能，给用户带来显著的经济效益。

特殊功能
在实际应用中，优化的“横切机交流伺服电脑控制系统”除了保证精度、速度等基本裁剪功能外，同时具备了如下特殊功能。
• 全自动无废纸换单；
• 切长精度的标定；
• 纸板加减速切长动态补偿；
• 带标识裁剪；
• 系统开放，可以方便与其他厂商设备（特别是生管系统）接口互联；

应用实例
按照“HMI界面+运动控制嵌入式交流伺服驱动装置+交流伺服电机”控制方案，采用西门子(SIEMENS)交流伺服驱动装置及内置的运动控制功能模块，可以实现耗能极小的最优控制算法，取得了良好的应用业绩。
实例一、欣龙集团：螺旋刀双刀系统 设备基本配置及要求：
•&NBSP生产速度(V0)：180m/min；（注：车速：200m/m）。
•&NBSP切纸范围：[350mm，9999mm]。
•&NBSP刀刃工艺周长(L)：801mm(考虑吃刀深度)。
•&NBSP幅宽：2200mm。
•&NBSP轮刀中心角：28.5°。
•&NBSP电机/轮刀辊减速比：（51/40）*（42/33）≈1.6227。（两级减速）
•&NBSP纸速测速轮直径：160mm。
•&NBSP在稳速时切纸精度±0.5mm，动态时为±1mm。
•&NBSP电机功率：20.5KW。
•&NBSP驱动装置容量：30KW。
•&NBSP基本实现了用户所要求的各种功能，系统正常投运。

实例二、新王龙集团：高、低刀直刀双刀系统 设备基本配置及要求：
•&NBSP生产速度(V0)：180m/min；（注：车速：200m/min）。
•&NBSP切纸范围：[350mm，9999mm]。
•&NBSP刀刃工艺周长(L)：942mm(考虑吃刀深度)。
•&NBSP幅宽：1800mm。
•&NBSP轮刀中心角：2°。
•&NBSP电机/轮刀辊减速比：(51/25)*(50/17)≈5.88。（两级减速+两级过度齿轮）
•&NBSP纸速测速轮直径：265mm。
•&NBSP在稳速时切纸精度±0.5mm，动态时为±1mm。
•&NBSP电机功率：28KW。
•&NBSP驱动装置容量：30KW。
•&NBSP基本实现了用户所要求的各种功能，系统正常投运。

转载自：全球瓦楞工业