CGC注塑机变频器改造方案分析 - 洛阳东方发电设备有限公司企业论坛 - 中国自动化企业中心

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发表人：lyjczcgc

发表时间：2010/1/28 15:22:00

本栏论题：

CGC注塑机变频器改造方案分析 [5619]

    一、注塑行业简述
    • 对于塑料制品行业来说，电耗是其生产成本的主要部分，而注塑机是制品厂的主要能耗设备之一，人称电老虎。注塑机的能耗成为注塑行业降低成本，提高产品竞争力的有效途径。
    • 目前绝大多数的注塑机都属于液压传动注塑机，液压传动系统中的动力由电机带动油泵提供。在注塑周期过程中的变化，注塑机在不同工序下需要的流量和压力不同，必须依靠流量阀和压力阀调节不同工序所须的流量和压力不同，以及负荷变化很大，由于定量泵不可调节输出功率，因此多余的能量只能在挡板，油路泄露，油的温升中消耗，加剧了各种阀的磨损，又造成油温过高，电机噪音过大，以及机械寿命缩短等现象。并且通常在设计电机的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，造成电能的在量浪费。因此推置在注塑机上的应用，对于减少能源浪费具有重要意义。

    二、注塑机的工作原理
    • 注塑机是一种专用的塑料成型机械，它利用塑料的热塑性，经加热融化后，加以高的压力使其快速流入模腔，经一段时间的保压和冷却，成为各种形状的塑料制品。
    • 注塑机工作原理图

    • 每一个动作的完成都有时间、压力、速度、位置等几个参数的精妙配合，也就是说在某一位置的位移都有相应的压力和速度，且在不同的位置和时间内其压力和速度都是可变的。同时每一个动作完成后发出终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才发出执行下一动作的指令

    三、注塑机的电能消耗
    • 注塑机的电能消耗主要表现在以下几个部分：
    • ①液压系统油泵的电能消耗
    • ②加热器的电能消耗
    • ③循环冷却水泵的电能消耗
    • 在注塑车间内，一般多台注塑机共用一台冷却水泵，其中液压油泵电机的用电量占整个注塑机用电量的80%以上，所以降低其耗电量是注塑机节能的关键。
    • 将注塑机同步控制信号接到变耗能所在：
    定量泵注塑机油泵速度不可调，多余的油经溢流排入油箱。
    •

    • 传统定量泵注塑机通常在需要改变负载流量和压力时，用阀门调节，这时输入功率变化不大，大量能量以压力差的形式损耗在阀门上，产生溢流


    四、注塑机工艺要求P/T关系图
    • 根据注塑机的工艺过程，画出系统油压P与时间t的关系图如下图：
    •

    由图可见，合模和脱模，开模系统所需油压较低，且时间较短；而注射，保压，冷却系统所需油压较高，且时间较长，一般为一个工作周期的40%~60%，时间的长短与加工工件有关；间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以不要间歇期。以上的图只是一种简单的近似表示，实际上，如果注射的螺杆用油马达驱动，注射时的系统油压会高一些。注塑机加工工件的重量，从数十克到数万克不等，最大注塑机已到92000克。因此，注塑机就有中，小型和大型之分，加工数十克的小工件和加工数千克的大工件一个周期的时间也是不相同的；就是对同一台注塑机，加工工件的原料不同，各段工艺流程中所需的压力和时间也是变化的。


    五、节能效益预估
    1、评估依据：
    电机使用效率预估70%；电机节电率预估35%-45%；改造总功率22KW×5台=110KW；电费单价0.7元/度；每天工作24小时；每月工作30天；每年工作12个月；开机率85％。
    理想节电率={1-（30/50）3}*100%=（1-0.216）*100%=78.4%
    据我们估计保守节电率应该在45%左右。
    2、效益评估：
    每天节约电量=电机功率×电机使用效率×节电率×24小时×开机率
    =110KW×70%×40%×24H×85％=628.3度
    每月节约电费=628.3×30×0.7=13194.7元
    每年节约电费＝13194.7×12=158336.4元
    3、投资总成本：
    投资总成本＝电机功率×1.2倍×单价＝110KW×1.2×1000元/KW=132000元
    4、投资回收期：
    投资回收期＝投资成本÷月节省电费＝132000元÷13194.7元=10月
    5、附送远程监控系统：
    远程监控系统市场价值为:总成本=模块+软件+通讯费用=2000*5=10000元


    六、设备选型及寿命


    2.1一般要求


    2.1.1 我司提供满足技术规范要求所有的硬件、软件和各项服务，包括计算机监控系统软硬件、现场调试和售后服务。并达到规范书所要求的性能指标。
    2.1.2 我司保证提供设备为全新的、先进的、成熟的、完整的和安全可靠的。

    2.2 设备选型
    2.2.1 本改造采用的监控系统具有当今实践证明先进的技术，具有高的可用性、可靠性、可操作性、可维修性和可扩展性。
    2.2.2 我司提供的变频设备应为生产厂商最新的主流设备，不允许提供已经过时或淘汰的产品。
    2.2.3 我司的控制设备选型应与贵方控制要求一致。

    2.3 环境要求
    2.3.1我司所提供的变频控制设备应适合所安装现场的环境条件。
    2.3.2变频控制设备需满足现场环境温度和湿度，保证在正常范围内连续无故障地运行。

    三、节能系统说明与使用寿命：
    节能系统变频器内部核心器件均采用进口产品，保证变频器的质量和使用寿命。
    1、节能系统之变频器散热风扇及柜体的散热风扇平均寿命为2年；
    2、节能系统之变频器滤波电解电容平均寿命为3—5年；
    3、节能系统整机使用寿命为6年；
    注塑机无线智能远程监控变频控制柜（FMCZ系列）设计方案
    实践证明变频改造深受用户好评。鉴于上述优点，FMCZ系列注塑机变频远程监控控制柜实行节能技术改造是正确的有效的，值得向推广。
    注塑机变频远程监控的应用
    一、注塑机工作概述：
    众所周知，注塑机是对各种塑料（例聚乙烯、聚丙烯）成型加工的主要设备，通过对塑料颗粒在双螺杆注塑机内进行多段温度加热，在熔融搅拌增压后将流体料注入模具腔内，完成成型加工的。
    （1）、注塑机工序过程不论大、中、小型注塑机，分析它的工序过程是相同的，大致是五个工序过程。
    注塑机工序过程是：
    ① 送模具过程，需低压力，时间较短。
    ② 合模具过程，左右两个模具相接，直至完全闭合，需略高压力，时间不长。
    ③ 射胶、保压、冷却过程，送料至模腔，直到成型，固化完需较高压力，时间长约占40-60%。
    ④ 脱模具过程，加工成型，可开启模具，到脱模完，可取出加工件，时间不长，压力略高。
    ⑤退模具过程，加工件取出，模具后退原位，进行辅助工作后，待再次加工，这时需低压力，时间较短。
    对同一台注塑机，加工不同的塑料件，其压力（p）与时间长短是各不相同的。它与加工件的型体复杂性，使用何种塑料，一个加工件的总料量，有否嵌件等有关，具体参数设定，一般由工艺技术人员给出的，并经试验加工后，最后定案的。
    （2）注塑机节能的可能性分析
    注塑机的P=f(t)工序过程中看出，随着不同时间段，它的主油泵压力是变化的，而且起伏较大，这就存在节能的可能性，且潜力较大，所以注塑机节电率可达20%-50%，甚至更大些。
    在未使用变频器的注塑机，其主泵压力调整是靠压力卸荷来调节傍路油路的开度，来实现调节压力的方式，这种主泵调压力的方式，对主泵的电动机转速不变，依傍路阀门开度来调节压力，实践证明节能是很小的，还有一种使用变量泵的注塑机，节能效果达百分之十几，但设备维护成本较高，油泵容易损坏，因此也不是经济的运行的方式，采用变频器调速来调节主泵的转速，从而改变流量和压力是较经济的运行方式（这时阀门的开度要全开100%），这就是注塑机主泵采用变频器的原因所在，从而有较大幅度节电的道理，至于模具移动的动力源也是液压的，它有二种方法：
    ① 另配一台小功率的低压油泵。
    ② 由主泵分路经减压阀作动力源

    又关于各段时间的定位控制，常见的有四种方法：
    ① 依靠移动平台的滑杆，用行程直接点开关（小型的）
    ② 依靠时继电器定时控制（中型的）
    ③ 依靠单片机或PLC控制（大型的），我公司的方案即如此。
    ④ 利用变频器本身多段速度与时间的控制（小、中型的）。

    二、FMCZ系列注塑机变频远程监控柜控制特点:
    （一）变频改造实现方案
    （1）FMCZ系列专用变频器控制柜的设计具有流量、压力双反馈信号接口，按注塑工艺要求，取双信号和叠加来控制主油泵电机速度。经实践证明变频器的性能良好，工作可靠，节电率高，主电路采用工频-变频二套电源供电方式，以确保不间断的工作。
    (2）控制电路简单：目前变频器在注塑机上的应用不仅是一台变频器对一台电动机的简单运行方式，大型注塑机还有多泵集

    中控制方式，在控制柜的设计时注意了以下方面：
    （a）: 充分了解所选用变频器的技术性能、使用要求、内部功能并充分发挥其特长。
    （b）: 充分了解被使用设备的工艺要求、技术性、使用要求包括负荷等。
    （c）:考虑到变频器有时会对注塑机的温度控制造成谐波干扰，应采取一定措施，如，保证设备良好接地；变频器的输入、

    输出线绕磁环后再结入；对注塑机的控制电源采取隔离等。
    （d）:充分了解被使有用设备的现有控制电路，液压油路、各种附件的功能以不变或最少变动原有设备的零部件为原则，如何巧妙取得控制信号，实现现有设备与变频器的最简单的结合是十分重要的。还要考虑环境、操作简便、易于维护等因素。

    注塑机的控制采用电脑板（单片机），其压力设定，时序设定可按工艺条件人为给定，利用的电脑板输出电量值，控制压力比例调节阀，从而调节主油泵的压力大小。它的输出是个线性的电流mA量值，经电流转换器变成4-20MA，直接接入到变频器控制输入端，从而改变变频器的输出频率，也即就改变了主油泵电动机的转速达到调压、节电双重作用。
    (e)考虑到系统的特点，控制柜设计有无线远程监控功能，使控制柜具有无以伦比的先进性。使得操作更为便捷，更为安全可靠。


    控制柜设计方案特点：简便可靠、不需更改原电路、调节方便、控制精确。

    （二）、注塑机变频改造的优点：
    1、节电率平均达40%以上
    2、工作环境噪音明显减少，系统油温大幅下降；
    3、平滑软起动，保护电机，延长使用寿命；
    4、减轻开锁模冲击，延长机械和模具的使用寿命；
    5、延长油路系统使用寿命，减少维修次数，节省大量维护费用；
    6、对电机具有过压、过流、缺相等多种保护；
    7、变频与工频随意切换，保证变频故障时不影响生产；
    8、系统安装简便快捷。
    （三）远程控制系统的设计


    （一）远程监控系统特点：
    在变频器上链接上本公司专门设计的无线数据传输模块，即可实现监视和控制功能，我公司已经构架好了成熟的网络平台和监控软件，通过手机或计算机就可对其进行多点的远程监控。可以在第一时间通过手机和计算机监控变频控制设备，通过这套系统可以远程调试和修改参数、分析故障等项服务。有效降低故障发生率，降低客户运营成本。特别是可为用户提供了实现最快速的技术服务手段，通过远程的数据传送，很快地就能处理设备现场出现的意想不到的技术问题，保障设备的运行。

    做到最快捷、最适时的服务，在最短的时间内响应和处理设备问题。
    这种监控方式经实践检验是最可靠的之一。它能有效解决变频器带来的谐波干扰及电磁兼容问题。采用有线监控的方式往往存在电磁偶合现象，使得通讯中断或数据丢失。
    这种监控方式设备投入最少，运行费用相比其他监控方式更低，系统组成：
    1、数据传送模块

    2、控制软件

    3、曲线趋势图

    控制原理图：

    设计示意图如下：

    （二）、无线智能化远程监控维护系统功能介绍
    1、注塑机变频用户通过监控能够做到
    任何地点的计算机和手机，在界面中都能监控到设备运行参数如电机的电流、电压等运行参数，并有历史曲线。
    （2）可以在办公室监控若干FMCZ变频设备,并可以根据不同的注塑工件，远程修改变频器的控制参数，适应生产地需要，不需要到现场一个一个参数修改。
    （3）历史数据和运行曲线都有存储记录，便于分析故障的根源。
    （4）故障和事故率降低，排除故障更快。
    （5）在授权范围内，任何地点、任何多点都可以同时监控，不受设备条件限制，可多人根据不同的授权权限同时监控该设备，便于沟通、决策。
    （6）、我公司可以根据故障信息及变频器控制参数，调整参数使系统运行处在最佳状态；使得设备制造公司的技术服务能及时、便捷、低成本到达客户端；适时地为用户提供技术指导；第一时间响应，为客户竭诚服务；即使出现一些问题，我公司可实施远程处理，客户不需等待和支付上门服务费用；如变频器损坏，厂家将发备用机替换或由全国特约售后维修站上门服务。我公司只要在接线后把变频器控制参数下载即可，提供最便捷、周到的服务。

    八、节能改造对生产与设备保障措施说明：
    4.1、保证注塑制品品质不受影响：
    节能改造后注塑制品品质是否有影响，主要是看在“射出和保压”动作的位置、时间、保压转换等参数是否稳定不变。节能改造后对“射出和保压”动作进行特殊处理后，在基本不变的成型条件下对比“射出和保压”参数是否有变化，并通过品保检测制品品质。
    4.2、保证注塑制品产量不受影响：
    节能改造后注塑制品产量是否有影响，主要是看成型周期是否基本不变。在基本相同的成型条件下对比成型周期参数是否不变，从而确定保障制品产量不受影响。
    4.3、保证注塑生产和节能系统运行稳定：
    节能系统核心部件采用高性能电流矢量变频器，具有超载能力强，响应速度快，低频力矩大以及电机参数自学习功能等特点，完全保证生产的稳定性。在不同材质和模具的连续生产中进行评估，判定节能系统及注塑生产的稳定性。
    4.4、保证注塑机控制电路及其部件不受影响：
    节能系统的安装是将节能系统主电路串接入注塑机空开与电机接触器中间，以串联的方式通过专用的光耦隔离卡采集速度与压力信号进行精确计算后控制变频器运行频率，保证不会对注塑机的电路及其部件造成损坏。
    4.5、注塑机加装节能系统后引起干扰问题的处理措施：
    A、变频器的输入或输出端加装磁环滤波器，平性并绕3-4圈。变频器与柜体可靠接地；
    B、模拟信号采用0-1A电流信号。通过变频器信号处理器将信号转换成0-20MA信号直接接入到变频器控制输入端，从而改变变频器的输出频率。模拟信号线选用屏蔽线，屏蔽线远程屏蔽层悬空，近端在变频器处接仿真地。
    C、调整变频器的载波频率改善干扰。载波频率越低，干扰越小。
    D、变频器内置直流电抗器后还不能满足要求时，可增装交流输入、输出电抗器，EMI输入、输出滤波器等多种措施处理干扰问题。
    E、变频器的E端要与控制柜及电机的外壳相连，要接保安地，接地电阻应小于100Ω，可吸收突波干扰。
    F、在受干扰的仪表设备方面也要进行独立屏蔽，市场上的温控器、PID调节器、PLC传感器或变送器等仪表，都要加装金属屏蔽外壳并与安全地相连。必要时，要求在此类仪表的电源进线端加装上述的电感式磁环滤波器。

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