Застосування перетворювачів частоти Lenze у системах позиціонування пакувальних автоматичних установок

Торопов А.В., Абдураманов Д.А.

Останнім часом все більше зростають вимоги до продуктивності автоматичних пакувальних ліній та установок. При цьому значною мірою продуктивність системи в цілому визначається швидкодією двох електроприводів: так званих "живильника", що працює в режимі позиціонування для подачі пакувальної плівки системи, і "запайщика", що працює в режимі перемикання швидкостей обертання. Визначення раціональної структури та елементів систем електроприводу, що забезпечують високу продуктивність без значного збільшення вартості обладнання загалом, є актуальним завданням.

Особливістю українського ринку пакувальних механізмів є значна присутність на ньому західноєвропейських постачальників, які пропонують споживачеві установки, що випускають до 70 упаковок за хвилину. У таких умовах нашому виробнику, щоб конкурувати із закордонними постачальниками необхідно пропонувати аналогічні установки за значно нижчими цінами, які водночас не поступаються ним за якістю. Однією з підходів до зниження вартості пакувальних автоматів є реалізація багатьох функцій, виконуваних програмованим контролером чи зовнішньої мікропроцесорної системою, з допомогою самого перетворювача частоти. При цьому звільняються обчислювальні ресурси контролера для виконання інших функцій, таких як візуалізація, обробка високошвидкісного мітки датчика і т.д. Іншим підходом до зниження вартості пакувальних автоматів є заміна сервоперетворювачів із синхронними двигунами, що забезпечують точне позиціонування плівки та її утримання, перетворювачами частоти з асинхронними двигунами, обладнаними фотоімпульсними датчиками зворотного зв'язку.

Можливим рішенням реалізації замкнутої системи управління позиціонуванням плівки є застосування перетворювачів частоти нової серії 8400 Vector Highline німецької компанії Lenze. Відмінною особливістю такого електроприводу є вбудована функція табличного позиціонування, тобто можливість реалізації профілів переміщення із заданими швидкістю та прискоренням. У перетворювачі можна призначити до 13 фіксованих переміщень по положенню, а також забезпечити керування перетворювачем у режимі регулювання швидкості, поштовховому режимі, пошуку опорної «нульової» точки. При цьому зовнішній контролер формує лише дискретні сигнали на включення відповідних профілів переміщення та режимів роботи, що дозволяє зменшити його обчислювальне завантаження. При цьому загальний вигляд вікна налаштувань профілю переміщення, що відпрацьовується, має вигляд:

Для конфігурації перетворювачів частоти серії 8400 Vector Highline використовується програмне забезпечення L-force Engineer Highlevel. Воно дозволяє здійснювати налаштування вбудованого контролера не тільки шляхом зміни значень параметрів налаштування, а й зміни логічних зв'язків між функціональними блоками частоти перетворювача. У цьому програмному забезпеченні задіяні конфігурації для типових налаштувань перетворювачів частоти, які у режимі регулювання становища. Основними є: режим регулювання швидкості, режим табличного позиціонування по заданому профілю і режим позиціонування із застосуванням кінцевих вимикачів. Зазначимо, що електроприводу живильника використовується режим табличного позиціонування по заданому профілю, у якому забезпечується автоматичне конфігурування параметрів профілю переміщення, і навіть логіка спрацьовування дискретних датчиків мітки. Підключення перетворювача до персонального комп'ютера здійснюється за допомогою спеціального модуля діагностики E94AZCUS, або за допомогою послідовного інтерфейсу зв'язку CAN.

При програмуванні профілю користувач має можливість завдання типу переміщення – абсолютне або відносне, максимальної швидкості руху, часу прискорення та уповільнення, а також швидкості при закінченні руху за профілем. Для реалізації профілю переміщення з абсолютним позиціонуванням необхідно провести процедуру пошуку опорної точки для прив'язування механізму до початкового положення. При цьому можливі кілька алгоритмів пошуку початкового положення як по кінцевих вимикачах, так і по досягненню максимального значення струму електродвигуна (у разі пакувальних механізмів використовується пошук по фронту дискретного датчика положення).

По закінченні відпрацювання заданого профілю переміщення перетворювач переходить у режим очікування до надходження сигналу завдання виконання наступного переміщення або виконує профіль, номер якого визначається значенням параметра Sequence profile.

Важливою особливістю перетворювача частоти Lenze 8400 Vector Highline є триконтурна система керування електроприводом з ПІ-регуляторами струму та швидкості та зовнішнім П-регулятором контуру положення. У цьому випадку за наявності датчика зворотного зв'язку за швидкістю (енкодера) забезпечується утримання валу асинхронного електродвигуна в заданому положенні за наявності нульового сигналу завдання по положенню. Оскільки електропривод «живильника» не схильний до дії різко змінних навантажень і, в основному, працює при стаціонарних прискореннях/уповільненнях в процесі роботи, при хорошому налаштуванні параметрів ПІ-регулятора швидкості, П-регулятора положення виявляється цілком достатньо для забезпечення високої точності стабілізації положення плівки. Ще однією перевагою перетворювача частоти є наявність швидкодіючого і повільнішого частотних каналів, що дозволяє підключити одночасно два енкодери. До швидкодіючого частотного каналу підключається фотоімпульсний датчик кутової швидкості, встановлений на валу асинхронного двигуна, тоді як до повільнішого частотного каналу підключається фотоімпульсний датчик лінійного переміщення, що встановлюється безпосередньо на пакувальну плівку.

Також важливою особливістю перетворювача частоти, що працює в пакувальних системах, є наявність дискретного входу для підключення датчика мітки, так званого Touch Probe. Справа в тому, що у зв'язку з прослизом плівки можливе накопичення помилки позиціонування та зміщення малюнка пакувального пакета щодо місця запаювання. Для виключення такого ефекту використовується кольорова мітка, що наноситься на бічній поверхні плівки для визначення точного положення пакета. При цьому наявність мітки визначається за допомогою швидкодіючого фотоелектричного дискретного датчика, що подає сигнал на перетворювач частоти досягнення заданої точки позиціонування. Вікно параметрів роботи такого датчика, що підключається до перетворювача частоти, має вигляд:

Основними параметрами налаштування, що визначають роботу системи позиціонування, є тип фронту спрацьовування датчика Touch Probe, затримка спрацьовування датчика, зона спрацьовування датчика.

При спрацьовуванні датчика всередині зони очікування, яка визначається параметрами Window start і Window End, профіль позиціонування змінюється, і точка кінцевого положення зміщується відносно початкової. При цьому перетворювач частоти забезпечує відпрацювання профілю, номер якого визначається за значенням параметра TP profile.

Таким чином, збільшення конкурентоспроможності пакувального обладнання українських виробників можливе за рахунок зниження вартості складових систем електроприводу, що використовуються. Зокрема у разі застосування перетворювачів частоти 8400 Vector Highline компанії Lenze, які забезпечують роботу асинхронних двигунів у режимі позиціонування стає недоцільним використання синхронних серводвигунів з відповідними системами управління.

Використання вищезгаданих перетворювачів частоти також дозволяє зменшити обчислювальне завантаження програмованого логічного контролера, що використовується для керування автоматикою. Подальше збільшення продуктивності пакувальних механізмів можливе за рахунок синхронізації за швидкістю та становищем взаємопов'язаних систем електроприводу. Так, зокрема, можливий обмін даними між перетворювачами частоти «живильника» та «зварювача» із застосуванням частотних каналів передачі даних або вбудованого послідовного інтерфейсу CAN.

Збірка праць співробітників КНУ ім. Остроградського
«Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія та практика". 2012