汪 旭

(中國電力科學研究院，北京 100192)

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包裝機傳動功率自動檢測的研究與實踐

汪 旭

(中國電力科學研究院，北京 100192)

利用可編程控制器對包裝機工作狀態(tài)參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、計算、結(jié)果分析，獲得包裝機實時工作傳動功率.通過對傳動功率的比較、判斷，實現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，保證設(shè)備出現(xiàn)安全隱患時能及時報警和故障指示.采用傳動功率檢測方法，降低了包裝機檢測的難度和工人勞動強度，提高了檢測的準確性，實現(xiàn)傳動系統(tǒng)檢測過程的自動化.

可編程控制器；傳動功率；自動檢測；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

0 引言

包裝機以其高效、經(jīng)濟、安全和可靠在藥劑、飲料等包裝中得到廣泛應(yīng)用.安瓿成型液體包裝機是集吹塑成型和灌裝、封合于一體的包裝機械，該設(shè)備由一臺小型三相異步電動機驅(qū)動，通過減速箱帶動立軸和橫軸旋轉(zhuǎn)，立軸和橫軸上的多個凸輪和齒輪推動成型機、切刀、機械手及其它部件循環(huán)工作，主軸每旋轉(zhuǎn)一周，塑料藥瓶移動一個工位，工作速度通過變頻器控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，整個系統(tǒng)采用可編程控制器控制.由于包裝機主要采用人工組裝和調(diào)試，產(chǎn)品質(zhì)量影響因素多，當設(shè)備傳動功率與標準值偏差過大時，會出現(xiàn)塑料藥瓶成型缺陷、切刀卡滯、漏灌、熱封合不牢固等質(zhì)量問題，造成經(jīng)濟損失和浪費，因此傳動功率的檢測對保證產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要.筆者通過對安瓿成型液體包裝傳動系統(tǒng)功率檢測方法的理論研究與大量實踐，提出傳動功率的自動檢測方法，它能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的故障和安全隱患，在實際應(yīng)用中效果良好.

1 檢測系統(tǒng)總體方案

包裝機傳動功率檢測系統(tǒng)，以可編程控制器作為控制核心，采用工作狀態(tài)檢測與閉環(huán)調(diào)速的自動控制，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.兩臺轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器分別連接在變速箱與橫軸和立軸之間，用于測量橫軸和立軸傳動功率變化，兩臺傳感器輸出的0-20 mA模擬信號，通過連接在A/D模塊的接口傳送到可編程控制器〔1-2〕，可編程控制器根據(jù)所接受的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，進行包裝機工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，同時對檢測信號進行處理、統(tǒng)計和計算，得到包裝機各測試點的傳動功率實際數(shù)值，并將測試結(jié)果在觸摸屏上顯示.

傳動功率檢測系統(tǒng)的硬件有三部分組成：(1)包裝機傳動裝置：包括變頻器、三相交流異步電動機、傳動皮帶、變速箱、立軸、橫軸及凸輪和齒輪等.可編程控制器通過D/A模塊調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率和幅值，實現(xiàn)對電機的調(diào)速；(2)信號采集部分：可編程控制器、A/D模塊、高速計數(shù)器I口和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等.轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器通過A/D模塊和高速計數(shù)器I口將轉(zhuǎn)矩和速度信號實時傳送到可編程控制器〔3-4〕；(3)數(shù)據(jù)顯示和故障報警部分：可編程控制器的PPI通訊電纜和端口、觸摸屏、D/A模塊、I/O口、變頻器.通過觸摸屏顯示包裝機各測試點的傳動功率和偏差值，當傳動功率偏差超出允許范圍將進行報警并顯示故障點和故障類型，可編程控制器通過I/O接口給變頻器發(fā)出停車指令〔5〕，變頻器通過制動裝置使電機迅速停止，實現(xiàn)傳動裝置的自動停機.

2 信號采集和處理

2.1 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號采集

在包裝機的變速箱與橫軸和立軸連接處各安裝一個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其中轉(zhuǎn)矩測量主要由扭力軸、磁檢測器、轉(zhuǎn)筒及殼體等四部分組成，在旋轉(zhuǎn)運動時磁檢測器輸出具有相位差的正弦信號，正弦信號的相位差與轉(zhuǎn)矩成正比，通過比較、整形、鑒相和計數(shù)，得到輸出瞬時轉(zhuǎn)矩成正比的計數(shù)值，經(jīng)計算可以得到主軸的轉(zhuǎn)矩值；轉(zhuǎn)速測量主要由測速輪和槽型光電開關(guān)組成，主軸旋轉(zhuǎn)時測速輪的每一個齒將發(fā)光管的光線遮擋時，光敏管輸出一個高電平，通過齒縫射到光敏管時，光敏管就輸出一個低電平，主軸每旋轉(zhuǎn)一周就可得到若干個脈沖，每秒鐘檢測到的脈沖數(shù)恰好等于轉(zhuǎn)速值〔6〕.

2.2 濾波信號的處理

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中有效濾波是提供測量準確性的重要因素，對于有規(guī)律的干擾信號可通過改變可編程控制器的輸入濾波時間進行有效濾波，而對于無規(guī)律性的隨機干擾，可采用數(shù)字濾波技術(shù)進行處理.數(shù)字濾波采用限幅濾波和滑動平均濾波這兩種濾波方式，其中限幅濾波主要用于降低電器設(shè)備在啟動和停止的頻繁操作中引起的電壓沖擊和電路中電流劇烈變化引起的電流沖擊干擾；滑動平均濾波用于消除隨機干擾引起的信號上下波動.根據(jù)速度和轉(zhuǎn)矩的慣性變化，它們瞬時值的前后變化不大這一特點，可采用限幅濾波，考慮到工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，可采樣兩種濾波想結(jié)合的方法.

限幅濾波數(shù)學模型如下：

(1)

平滑平均濾波數(shù)學模型如下：

(2)

式中，x是信號采集得到的計數(shù)值，y是濾波后的計數(shù)值，n代表第n次采集處理結(jié)果，m為平滑次數(shù)，△x為允許最大變化幅值.

2.3 功率計算

通過可編程控制器的信號采集和處理可以得到橫軸和立軸的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T.軸輸出功率可由轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值經(jīng)運算后得到，計算公式為：

P=n*T/9550

(3)

式中，P為軸輸出功率(kW)；T為轉(zhuǎn)矩(N．M)； n為轉(zhuǎn)速(r/min).

雖然通過濾波消除了采樣信號中的大部分干擾成分，但是包裝機傳動裝置在一個工作周期中有多種工作狀態(tài)，為了獲得傳動功率的準確值，要經(jīng)多次測量和統(tǒng)計處理，設(shè)n次測量和計算后獲得的包裝機功率值分別為P1,P2,P3…Pn，為使偏差平方和最小，軸輸出功率的統(tǒng)計平均值計算公式為：

(4)

即先對n個數(shù)據(jù)進行比較，去掉最大值和最小值，然后對剩余的n-2個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均值.

3 轉(zhuǎn)速和和轉(zhuǎn)矩的控制

包裝機傳動裝置的轉(zhuǎn)速通過變頻器變頻調(diào)速實現(xiàn)，在不同轉(zhuǎn)速下主軸的輸出功率也不同，由公式(3)可知，相同轉(zhuǎn)矩下，隨著轉(zhuǎn)速升高輸出功率大.為了達到穩(wěn)速，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的速度脈沖信號，通過高速計數(shù)器I口輸出到可編程控制器，可編程控制器經(jīng)過PID運算，通過D/A模塊輸出到變頻器，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率和幅值，實現(xiàn)電動機穩(wěn)速運行.包裝機傳動裝置的轉(zhuǎn)矩取決于負載，橫軸和立軸在不同旋轉(zhuǎn)角度下，由于完成不同的任務(wù)轉(zhuǎn)矩大小有所不同，由公式(3)可知，相同轉(zhuǎn)速下，隨著橫軸和立軸旋轉(zhuǎn)角度的變化，輸出功率也呈周期性規(guī)律變化.

4 狀態(tài)顯示和故障報警

可編程控制器將計算得到的橫軸和立軸各個旋轉(zhuǎn)角度下的輸出功率，即各個工位的輸出功率通過觸摸屏顯示，操作員能夠隨時觀察設(shè)備工作狀態(tài)和可能存在的故障隱患.由于裝配和工件的原因，同一型號的不同設(shè)備，橫軸和立軸不同旋轉(zhuǎn)角度的輸出功率與標準值會發(fā)生偏差，哪個旋轉(zhuǎn)角度輸出功率偏差大，就意味該工位存在故障隱患.以封合工位為例，輸出功率過大則封合壓力過大，藥瓶封口邊沿會出現(xiàn)裂縫；輸出功率過小則封合不嚴密，藥瓶會漏液.為防止上述故障的發(fā)生，可編程控制器將實時獲得的傳動功率值與已有數(shù)據(jù)庫中包裝機橫軸和立軸各個旋轉(zhuǎn)角度下的輸出功率標準值比較，當實時數(shù)據(jù)與標準數(shù)值偏差超過允許范圍時，可編程控制器將及時發(fā)出報警信號并根據(jù)故障大小通過I/O輸出點控制變頻器實施停止和制動操作，有效避免由于裝配、元件和磨損等因素引起的事故發(fā)生.表1為安瓿成型液體包裝機不同速度下各工位輸出功率參考值，其中速度用變頻器輸出頻率Hz表示.

表1 包裝機不同速度下各工位輸出功率參考表

5 結(jié)論

采用傳動功率檢測方法，對安瓿成型液體包裝機橫軸和立軸的輸出功率進行實時監(jiān)測，通過樣機測試和使用表明，包裝機傳動功率自動監(jiān)測裝置，結(jié)構(gòu)簡單、測試準確、性能可靠、自動化程度高.該方法既可以實現(xiàn)設(shè)備故障報警，也可作為設(shè)備裝配質(zhì)量評價的重要依據(jù)；該裝置對手工裝配機械傳動設(shè)備的質(zhì)量檢測，具有重要應(yīng)用價值.

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Research and practice on automatic detection of transmission power of packing machine

WANG Xu

(Research and Prcutice on Automatic Detection of Trensmission Power of Packing Machine, Beijing 100192, China)

This article focuses on the method to acknowledge the real time transmission power during operation, by using PLC to carry out data acquisition, calculation and output analysis on the working condition/parameters of the packing machine. This method enables the real time monitoring on machine running condition by the comparison and diagnose on the transmission power. On top it ensures that alarm and failure instructions are active on time when there is potential safety issue on the machine. By this detection on transmission power, both the complexity of packing machine examining and work load of operators are reduced, along with the improved accuracy of detection, so as to realize the process automation of detection on the transmission system.

programmable controller; transmission power; automatic detection; sensors for rotation torque and speed

2016-04-08.

國家自然科學基金項目(No:51304184).

汪旭(1982-)，男，中級工程師，主要從事自動化方面的研究.

wangxu@epri.sgcc.com.cn.

O231

A

1673-0569(2016)04-0381-04