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【技術前沿】世界紀錄:728個軸400μs迴圈週期
 

【作者: 貝加萊】   2019年03月28日 星期四

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在布魯克納(Bruckner Maschinenbau GmbH & Co. KG)的LISIM雙向拉伸薄膜生產線上,有超過700個夾子機構夾住塑膠薄膜,同時進行雙向拉伸。這些夾子由磁場牽引,就像鐵軌上的磁懸浮列車一樣,由728個直線電機產生這一移動磁場使之成為可能。


最近,布魯克納採用了貝加萊ACOPOS系列驅動器實現這一運動控制,通過POWERLINK匯流排實現同步通信。採用貝加萊技術之後,這家位於德國Chiemgau的機械製造商能夠顯著降低驅動設備成本,縮短迴圈週期,簡化硬體和軟體維護,並且能夠應用現成的解決方案替換專有的驅動系統和匯流排技術。



圖1 : 採用先進的貝加萊驅動技術的布魯克納薄膜生產設備擁有極短的迴圈週期。
圖1 : 採用先進的貝加萊驅動技術的布魯克納薄膜生產設備擁有極短的迴圈週期。

在LISIM雙向拉伸薄膜生產線上,由直線電機驅動的同步拉伸系統牽引兩個環狀導軌上的數百個夾子機構對薄膜進行拉伸,最高速度可達6.6m/s。塑膠薄膜從擠出機和壓延輥中生產出來之後,由這些夾子機構夾住兩邊進行橫向加速拉伸,兩側導軌並不平行,它們的間距會隨著生產線的延伸而增加,同時對薄膜進行縱向拉伸,而且絕對不允許出現劃痕。


在拉伸過程中,薄膜還會通過烘箱,高溫決定了材料的分子結構,因此能夠確定薄膜的物理特性,如受到拉伸影響的收縮性。拉伸過後,夾子機構放開薄膜,空轉回系統的起始位置。最後在對不能用的薄膜邊緣進行修剪之後完成收卷。


實際上,只有一定數量的夾子受到驅動,而數百個沒有被驅動的夾子不僅可以改善作用在薄膜上的應力分佈,而且能夠防止薄膜在拉伸時出現下垂。受到驅動的夾子被設計為直線電機的次級(轉子),因此在它們的牽引面上裝有永磁體。定子繞組被對稱安置在牽引面上的永磁體上下,以此來改善應力分佈。在不同長度的區域內,繞組沿導軌分佈,因此每個區域中只有一個受到驅動的夾子。


728個單獨控制的繞組

每個區域由一個逆變器單獨控制,布魯克納的全新LISIM系統信賴貝加萊驅動技術:沿著65米長的設備有728個區域,它們由384個貝加萊ACOPOS系列單雙軸逆變模組和14個電源模組控制,通過POWERLINK匯流排實現同步通信。區域的距離越長,所需的電能越大,因此使用的驅動器類型範圍需從2.6A至22A,額定功率為5kW。



圖2 : 398個ACOPOS模組通過POWERLINK匯流排實現對夾子機構的精確同步控制。
圖2 : 398個ACOPOS模組通過POWERLINK匯流排實現對夾子機構的精確同步控制。

「機器概念是在直線電機的基礎上建立起來的,我們在15年前創建了這一概念,但是時至今日,它依然非常先進,由於包裝行業和液晶面板行業對特殊薄膜的需求量越來越大,因此機器也得到了持續的改進。我們一直使用到現在的驅動技術確實已經過時,」Bruckner Maschinenbau GmbH & Co. KG自動化開發部電氣經理Gunter Oedl在談及改用貝加萊系統時說道,「原來的系統也是專為我們而開發的,而且使用了專有匯流排,因此我們想要進行新的開發既困難又昂貴。」


這家機械製造商通過使用ACOPOS模組和POWERLINK匯流排,能夠將符合成本效益的標準解決方案取代專有產品,這些標準解決方案可以根據不同使用者的需求來進一步開發。


通過POWERLINK實現精確同步

「POWERLINK匯流排可以使上百個網路節點實現精確同步,同時提供較高的資料輸送量。一方面,我們能夠顯著減少迴圈週期-現在只有400 μs。另一方面,我們能夠將大型軟體塊從驅動器移至全域驅動控制器中,」Gunter Oedl解釋說:「這明顯簡化了軟體的維護。」


系統中的所有398個ACOPOS模組(電源模組和逆變模組)由12台APC810系列工控機實現同步,每台工控機都配有3個POWERLINK卡,可以控制最多13個模組。工控機通過另一個POWERLINK卡實現通信互聯,或者連接至運行布魯克納運動控制軟體的更高級別的APC810。例如,負責控制烘箱的工廠控制系統是通過PROFIBUS介面連接該貝加萊工控機的。


POWERLINK具有極短的迴圈週期和極低的抖動率,可以幫助布魯克納實現精確的區域定位,正如這家公司的電氣開發主管所證實:「這些單獨的區域結合在一起具有一致的拓撲結構,容差遠遠小於應用項目規定的一毫秒。」


對於機械製造商而言,POWERLINK的另一項優勢是,它並非專有匯流排系統,而是一個開源的解決方案,因此可以獲得眾多廠商的支持,可以採用包括專業診斷工具在內的眾多解決方案。


節約能源和空間

布魯克納的管理層對ACOPOS廣泛的產品系列印象深刻,特別是僅用一個逆變模組就可以控制兩個軸或繞組,正如Gunter Oedl所言:「我們不需要使用728個逆變模組,398個模組就足以完成這項工作,不僅降低成本,而且節省空間。」


圖3 : 在LISIM雙向拉伸薄膜生產線的控制櫃中,總共有398個ACOPOS模組,它們由12台APC810系列工控機實現同步控制。
圖3 : 在LISIM雙向拉伸薄膜生產線的控制櫃中,總共有398個ACOPOS模組,它們由12台APC810系列工控機實現同步控制。

布魯克納的管理者們還特別關注冷卻技術。「空氣冷卻的風險在於,阻塞的篩檢程式無法得到及時更換,更糟糕的情況是,它已被拆除或者不再進行更換,」布魯克納公司工程部經理警告說:「因此,我們希望採用冷卻板冷卻,在與貝加萊的初步討論中,他們表現出非常積極的合作意向,為我們開發了一個理想的解決方案。」公司將整個驅動系統複製到自家位於Eggelsberg的技術中心裡用於開發。


ACOPOS逆變器無需使用導熱膏,這一優勢對於布魯克納採用貝加萊的驅動技術起到了決定性的作用。「在設備維護期間,過去逆變器的更換需要一個小時,而現在在半小時內就能完成,」Gunter Oedl說道。但這還不夠:對於帶冷卻板的驅動器而言,通過機櫃散熱的效率遠勝於水冷或油冷。這樣可以避免出現峰值溫度和較大的溫度波動,有利於延長設備的使用壽命。如果在現有的冷卻系統中加入冷卻液,那麼與傳統的冷卻方式相比,還會具有更高的整體效率。


無需感測器的閉環控制具有更高的效率和魯棒性

將繞組從開環控制改為閉環控制將大幅提高能效。為此,布魯克納必須放棄使用感測器,因為在烘箱附近不能安裝感測器。「由於採用了無感測器的控制方法,因此我們能夠將每個系統的使用功率降低100至150kW,」Gunter Oedl聲稱。


這一控制方法相比弱阻尼的磁軸系統具有更高的阻尼特性,因此無感測器控制的機械設備能夠更好地預防工藝偏離或薄膜撕裂現象的發生。「無感測器的閉環控制優勢相當明顯。因此,我們非常歡迎貝加萊在未來繼續為我們提供理想的解決方案,」布魯克納工程部經理總結道。


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