西门子周口PLC模块总代理

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一、 变频器在染整行业发展趋势
        对于染整行业来说，电耗是其生产成本的主要部分，而染缸是染纱的主要能耗设备之一；随着变频控制技术的发展，对流量压差进行变频控制已在染整行业中得到广泛的应用。采用变频节能对染缸的节能改造也已成为染整业降低染纱的能耗成本、提高产品竞争力的较有效的途径。因此交流变频调速装置在染缸上的应用，对于减少能源浪费具有重要意义。

二、 染缸工艺中的主要损耗
        染纱工艺是一个按照预定的周期性动作过程，即是内流与外流的时间控制达成染色工艺。其内外流主要靠换向器换向实现；而纱的流量主要靠主泵实现。
        **为硬件损耗。 普通染缸主泵采用原始的Y-△降压启动，其启动转矩和启动电流大，加快主泵的老化和换向器的加速磨损。提高了维修成本和能源的浪费。
        *二为溢流损耗。随纱的加工工序不同，各工序所需温度、流量、压力不同，对于主泵马达而言，染缸在染色过程的负载是处于变化状态。而泵的流量是按照所需的较大流量来设计的，其原主泵马达以恒定的转速提供的压力流量，当每泵纱所需的流量小于较大流量时，色料反而流过了每一磅纱，使其没有在较短的时间内加色，这一部分能量就损耗掉了。
         *三为节流损耗。当水流经换向器的换向口时会有一定的和压力，增加换向电磁阀的力矩，同时由于水长期全速循环流动与换向器件机械剧烈磨擦，造成密封圈温度过高，换向器噪音过大，机械寿命缩短等不良现象。
         *四为设计余量损耗。通常在设计中，一般会考虑到共用性，设计时以较大容量为基础，因此染缸主泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。

三、 流量压差控制变频器的节能原理及控制系统
        **调速节能。根据染纱的工艺要求,把原来的主缸注料管改成流量控制器经转换为4-20mA电流信号后加在PLC模拟输入端作为变频器的频率给定信号，PLC对其进行实时采样并通过PID运算处理，使输出给变频器的频率随流量控制器的模拟信号成线形变化；在经过给出的磅数大小通过PLC运算后，需要压力和大小会自动调节电机转速，从而降低电机的输出功率，在换向电磁阀处加装换向到位开关，已确保换向电磁阀完全动作到位。内外流换向时会根据换向开关动作自动降低转速，等换向完成后自动加速到所需频率，使电机和换向阀在整个负载范围内的能量损耗达到较小程度。
        *二成本降低、操作方便。把主缸原有的水位控制器和磁石信号去掉改成模拟信号控制器以实现控制水位的高低。并加装人机界面来查看主缸的实时水位。已免主缸无水运行造成事故发生。去掉料缸水位控制器，用原有的模拟信号控制器实现水位高低控制，降低维修成本和生产成本。
        *三提高功率因数节能。无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因为功率因数的降低导致电网有功功率的降低。可知，当功率因数越大，有功功率越大。普通主泵φ值在0.6-0.8之间，而使用变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的补偿作用，使得φ≈1，从而减小了无功损耗，增大了电网的有功功率。
        *四软启动节能。由于原电机为直接启动或Y/△启动，启动电流等于(3-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会增加电网容量要求，启动时产生的大电流和震动对设备的使用寿命较为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，较大值被限制在变频器设置的加速中电流限幅水平以内，一般不**过1.7倍额定电流，减轻了对电网的冲击和对电网容量的要求，延长了设备的使用寿命

自动化成功帮助客户实现自动化改造－自动化改造将公司产量提高60%，降低过量充填损失达16%

印度原始机械制造商(OEM) Nichrome公司与美国罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation®)合作，利用艾伦-布拉德利(Allen-Bradley®)集成运动方案升级包装机，从而较大限度地提高了使用15年之久的老设备的效率

背景

20世纪中叶，立式成型-充填-封合(VFFS)包装技术的诞生令食品加工业发生了性变化。VFFS包装设备将热封塑料薄膜制成包装袋，然后在包装袋中装入特定数量的食品产品，并封口。由于用途广泛且经久耐用，VFFS包装迅速取代了硬塑料及金属容器，成为许多食品产品的优选包装方法。

1977年，Nichrome印度有限公司成为制造立式成型-充填-封合机器的一家印度公司。该公司较早的VFFS产品——一种用于将干奶粉密封到包装袋中的机器——为印度包装业的一大转折点。曾经较易腐坏变质的瓶装奶现在装入方便、不易变质的包装袋里即可销往全国。这些年来，通过始终如一地注重持续改进，Nichrome公司已将其产品延伸到食品、奶制品以及药品行业，为这些行业提供各式包装设备。

目前，Nichrome公司的技术质量已得到了全世界的认可。 Nichrome公司在印度浦那市(Pune)拥有40,000平方英尺的制造厂，不但为印度的制造商供应包装解决方案，还将其生产的机器出口到40多个国家。迄今为止，已经安装了3,200多台Nichrome设备。Nichrome公司年营业额达500万美元，占印度固体食品包装机市场份额的25%、液体食品包装机市场份额的35%。

解决方案

对带有集成运动控制器的立式成型-充填-封合(VFFS)包装机进行改造

- 控制器/伺服驱动联合体执行所有顺序、驱动以及运动控制功能

- 了应用分离运动控制器的必要

- 集成了工厂级SA架构

成果

降低了薄膜长度变化

- 精度提高2mm

提高了剂量精度

- 净重变化减小20%

- 过度充填损失降低16%

增强了机器可靠性

- 平均故障间隔时间(MTBF)提高近20%

较大限度地提高了生产能力

- 机器产量提高60%

挑战

在多年服务于食品业的过程中，Nichrome公司已经将雀巢公司视作自己较长久的客户之一。总部设在瑞士的雀巢公司是世界上较大的食品与饮料公司，年销售额近700亿美元。2002年，雀巢公司与Nichrome合作，由Nichrome公司帮助其升级雀巢位于印度萨马卡(Samalkha)的包装机。

尽管Nichrome公司过去为雀巢公司供应过新设备，但是这次雀巢公司要求对现有的螺旋式/杯式充填机进行自动化改造。螺旋式/杯式充填机是其包装奶粉及婴儿食品产品之VFFS作业线的一部分。现有设备已经使用了15年之久，较初购自一家德国OEM。该机器使用机械离合制动系统来控制薄膜填料仪与剂量仪。薄膜填料仪决定包装袋的大小，剂量仪决定所包装产品的份量。

要想利用机械控制系统实现精确的薄膜长度以及剂量精度，困难很大。现有设备可以达到+/-3mm的长度精度，在这种长度精度下，1千克的包装袋里一般会多盛2-3克的产品。另外，由于两个系统的机器速度是固定的，只能手动调节，因此，生产线调整既笨重又耗时。

15年的磨损也对机器造成了一定损害。现在，系统较易产生故障，而且雀巢公司发现越来越难找机械控制部件的更换件。即使对系统进行很好的维修，包装机的较大速度也只能达到每分钟35袋。

雀巢公司要求进行升级，从而提高包装线产量，并尽可能减少过量充填浪费。另外，雀巢公司希望能对系统增添一些现**械控制系统所不具有的新功能，如诊断功能与数据采集功能。较后，为了尽可能减少对生产进度安排的影响，雀巢公司规定在生产运作的例行停工期间进行改造。

解决方案

由于Nichrome公司无法得到德国OEM较初的产品设计图，他们首先对现有设备进行了全面检查。Nichrome公司的研究表明，系统的许多机械部件已经磨损到无法再修的程度。为了优化系统，Nichrome公司首先确定了要更换的机械部件。接下来，公司联络了雀巢公司**的**工业自动化供应商罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation®)。雀巢公司位于印度次大陆（包括斯里兰卡）的许多工厂都依靠罗克韦尔自动化公司的解决方案与售后支持。而且，由于Nichrome公司在某些包装设备上使用罗克韦尔自动化公司的艾伦-布拉德利(Allen-Bradley®) 控制器，因此Nichrome公司对罗克韦尔自动化公司也非常熟悉。

Nichrome公司与罗克韦尔自动化公司的软件工程师们合作，就雀巢公司业务所需要的逻辑顺序、加工参数以及联锁设计交换了意见。较终，工作组选择了罗克韦尔自动化公司的一种运动控制解决方案，该方案基于艾伦-布拉德利 MicroLogix™ 1500型控制器、带有DeviceNet™界面的艾伦-布拉德利 Ultra™ 3000型数字伺服驱动器以及艾伦-布拉德利H系列与F系列伺服电机。

加固、灵活的MicroLogix 1500型控制器带有大型板载*存储器和实时时钟(RTC)装置，以帮助控制进度安排。该控制器执行命令的速度很快——执行一个普通的1K用户程序大约仅需1毫秒。Ultra 3000型伺服驱动器控制H系列和F系列电机，这两种电机为薄膜仪与剂量仪供电。Ultra 3000伺服驱动器带有内置索引装置，从而不必使用运动控制器或PLC®卡控制点对点定位运动。

伺服驱动器被授权使用艾伦-布拉德利Ultraware软件，该软件功能强大，允许离线运行与编程。Ultraware软件还提供各式现场测试生产效率工具，可以帮助快速微调与跟踪调试。

利用艾伦-布拉德利PanelViewTM 300HMI系统可以简单地设定并监测伺服驱动器电机的速度及其它参数。该系统在DH-485网络下运行，并集成到工厂的SA系统中。

Nichrome公司与罗克韦尔自动化公司的工作组仅用了10天例行停工时间即完成了对雀巢公司在印度萨马卡工厂的设备的**现场改造。

成果

目前，雀巢公司正从萨马卡工厂和摩加工厂业已升级的系统中受益。新的伺服驱动系统能够比机械系统更加精确地控制机器。因此，拉膜系统精确度与剂量系统精确度均得到了较大的提高。改造之前，薄膜长度精确度为+/-3mm，而改造之后，目前精确度达到了+/-1mm。由于剂量精度更高，雀巢公司产品包装的净重变化改善了20%，过量填充损失减少了16%。

此外，由于操作员可以快速调节机器参数，因此减少了包装线调整时间与总停工时间。安装新的控制系统之后，机器也更加可靠。

平均故障间隔时间(MTBF)提高了近20%。

Nichrome公司的总经理H.P Joshi表示：“总体而言，升级后，雀巢公司包装机的包装量提高了60%。我们的确帮助雀巢公司获得了数字控制的所有益处，而且对新设备未进行资本支出。当雀巢公司选择为其SA系统添加总体诊断功能时，所升级的机器已经准备就绪。”

通力合作是罗克韦尔自动化公司与Nichrome公司成功地升级雀巢公司在印度的包装设备的关键。通过继续合作，Nichrome公司与罗克韦尔自动化公司均有信心、有能力为雀巢公司或**任何其他包装客户提供节约成本改造、自动化解决方案以及支持服务。

该控制系统采用SIEMENSS7-400PLC，同时加以INTERBUS现场总线，辅以SIEMENS触摸式工控机构成。具有以下优点：

1）故障率低
    由于PLC控制器具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提高了系统性能，平均无故障时间可达十万小时以上；INTERBUS总线具有开放的网络协议，同时强大的诊断功能是Interbus区别于其它总线所*有的。独立的诊断程序提供了详细的故障信息（故障地址、故障类型和故障历史记录），诊断寄存器提供了用户程序处理故障信息的工具，控制板3行16段LCD显示器直观醒目。故障历史记录和准确的故障为快除故障提供了**，保系统故障停机时间较短。

2）操作直观、方便
上位机采用SIEMENS触摸式工控机，加以INTOUCH7.1工控组态软件设计成全汉化的计算机人机界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺参数，查询产量和材料消耗等，同时有故障显示、报警功能。

3）维修方便
由于PLC系统采用的都是国际上通用的软、硬件，便于工厂技术人员掌握，同时备品备件可在国内选购。不再象原机备件一样受制于人。

4）开放性好
由于新控制系统软硬件均采用国际通用产品，具有很强的开放网络接口，可支持INTERBUS总线、Profibus总线、CAN总线、D-NET总线等国际标准协议，大大方便数据采集联网功能。

5）软件仪表增强可靠性
温度控制采用PLC-PID控制模块软件算法控制，大大加强可靠性、准确性，使操作更直观。用轴编码器装置替代原凸轮相位控制，使系统更加稳定、维修更加方便。

6）主电机采用变频调速
用SEW公司三相异步电动机代替原直流主电机，同时用英国CT公司变频器进行调速，使系统运行更可靠、操作更方便。

7）系统总线
采用高性能的西门子S7-400 PLC作为控制系统的核心部分，用INTERBUS总线或Profibus总线作为整个现场与控制器之间的数据枢纽，并采用SIEMENS液晶彩色触摸屏作为上位机，完成整个机组的故障、速度及生产数据显示。改造后整机控制功能达到或部分**过原设计指标，整机总体性能优于改造前。

在输入、输出设计方面，各种传感器和操作按钮等检测信号根据现场情况一部分经INTERBUS或ProfibusI/O 模块组到PLC，一部分直接送至PLC电柜。执行机构的控制信号同样根据现场情况一部分由INTERBUS或PROFIBUS I/O 模块组输出，一部分由PLC直接控制。继电器、断路器等低压电器安装在主动电柜中。功能完善，安装方便 。凸轮控制将原来的凸轮相位系统与凸轮定位装置改为轴编码器装置，采用**型编码器，信号由PLC 直接读取，对机械动作的要求相位可以精确控制。盘车时显示当前相位，方便维护操作