KV2000科姆龍無感矢量變頻器在塑料機(jī)械上的節(jié)能改造

1、引言
我國已持續(xù)近兩年的電力供應(yīng)短缺的現(xiàn)象，到2004年形勢更加嚴(yán)峻，上半年出現(xiàn)拉閘限電的省市區(qū)已經(jīng)達(dá)到24個(gè)。今年上半年，電力需求受9.7%GDP增長拉動，繼續(xù)高速增長，并呈“工業(yè)用電繼續(xù)保持快速增長，高耗電行業(yè)用電增長居高不下”的特征。而電力供應(yīng)能力則增加有限，出現(xiàn)持續(xù)供應(yīng)不足的局面，致使電力供需矛盾緊張，缺電范圍和持續(xù)缺電地區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。
我國是世界鞋業(yè)制造大國，制鞋企業(yè)約有2萬多家，其中福建是全國重要的塑料制鞋基地，每年鞋的產(chǎn)量和出口均名列前茅，泉州市先后引進(jìn)1000多條制鞋流水線，晉江市是著名的“中國鞋都”，從皮革、鞋材、化工原料、數(shù)字制模都有專業(yè)廠家，現(xiàn)擁有鞋業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營企業(yè)3000多家，年產(chǎn)量7億多雙……
限電拉閘，已經(jīng)嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。今年1～7月，塑料成本的增長，使得中國塑料制造業(yè)競爭日益激烈。節(jié)能作為企業(yè)增效降耗、降低經(jīng)營成本、提高競爭力的重要手段，已經(jīng)顯得特別有意義，并逐步的被人們所認(rèn)識和接受。

2、全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)的工作原理
眾所周知，國內(nèi)有大量臥式注塑機(jī)變頻節(jié)能改造的成功案例。制鞋企業(yè)的全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)，是制鞋企業(yè)中主要的一種常見用電設(shè)備，人稱電老虎。我國是制鞋大國，有大量的制鞋設(shè)備，而目前涉及節(jié)能改造的單位比較少，主要原因是人們對全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)的工作原理不太熟悉。
2.1全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)（以下簡稱：圓盤機(jī)）的機(jī)械特點(diǎn)
1)本機(jī)械專用于生產(chǎn)各類高級單色、雙色和三色的運(yùn)動鞋、休閑鞋鞋底，男女童鞋底等產(chǎn)品。
2)原料適用于生產(chǎn)發(fā)泡等各種熱可塑性之原料，如PVC、TPR等。
3)本機(jī)以電腦程序（單片機(jī)、PLC）控制，主、副機(jī)控制精確，操作簡單，保養(yǎng)容易。
2.2圓盤機(jī)與傳統(tǒng)的臥式注塑機(jī)的比較
1)液壓馬達(dá)
臥式注塑機(jī)和圓盤機(jī)的油泵都是定量泵。注塑過程中，油泵壓力高低變化頻繁，其中低壓維持過程的傳統(tǒng)處理方式是通過比例閥泄壓，而電機(jī)一直在工頻下全速運(yùn)行。電能浪費(fèi)非常嚴(yán)重。
2)按圓盤機(jī)的機(jī)型分，分為單色機(jī)和雙色機(jī)、三色機(jī)等機(jī)型。
其中單色機(jī)只有一臺主機(jī)，與臥式注塑機(jī)類似。
雙色機(jī)有一臺主機(jī)和一臺副機(jī)組成。副機(jī)負(fù)責(zé)射膠、熔膠、上模、下模等動作，主機(jī)包含了副機(jī)的動作，且多了一個(gè)圓盤旋轉(zhuǎn)的動作，實(shí)現(xiàn)模具的移動和定位。
三色機(jī)有一臺主機(jī)和兩臺副機(jī)組成。
3)模具數(shù)量
臥式注塑機(jī)一般只有一套模具在工作，生產(chǎn)工藝在變更時(shí)，需要更換模具。
圓盤機(jī)按機(jī)型不同，模具的數(shù)量也不同，一般有18、20、24、30套模具。根據(jù)生產(chǎn)工藝，通過控制面板，設(shè)定模位使用有效與否。如：TY-322機(jī)型，24站模位（可安裝24個(gè)模具），生產(chǎn)中可按需要靈活選定全部或部分模具為有效模位）。圓盤機(jī)工作時(shí)，大轉(zhuǎn)盤執(zhí)行高速順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)動作，PLC或單片機(jī)執(zhí)行程序的運(yùn)算，當(dāng)只有檢測到有效模位時(shí)，PLC或單片機(jī)掃描到有減速信號時(shí)，轉(zhuǎn)盤開始減速。到達(dá)定位信號時(shí)，轉(zhuǎn)盤進(jìn)行精確定位。否則，如果沒有檢測到有效模位時(shí)，大轉(zhuǎn)盤一直旋轉(zhuǎn)至下一有效模位。
臥式注塑機(jī)只要有鎖模或開模信號，就會執(zhí)行相關(guān)動作。
4)壓力調(diào)整方式
臥式注塑機(jī)和圓盤機(jī)的壓力調(diào)整方式都是壓力比例控制方式，但圓盤機(jī)（模具較多）各模射料壓力可以通過控制面板進(jìn)行獨(dú)立設(shè)定，適用于不同射出量的產(chǎn)品制造。
臥式注塑機(jī)生產(chǎn)每一產(chǎn)品，相關(guān)參數(shù)均一致。
5)模具工作方式
臥式注塑機(jī)工作時(shí)，固定模是不動的，只有活動模在有指令時(shí)執(zhí)行左右鎖�；蜷_模，呈左右直線運(yùn)動。
圓盤機(jī)工作時(shí)，固定模具和活動模具由大轉(zhuǎn)盤移動、定位。有鎖模和開模指令時(shí)，油缸執(zhí)行上升或下降動作。取產(chǎn)品時(shí)，由操作人員人為的打開活動模具，取出產(chǎn)品。
6)圓盤（轉(zhuǎn)盤）
全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)因轉(zhuǎn)盤是圓形而得名，簡稱圓盤機(jī)（鞋底機(jī)）。在圓盤上等分了若干等份。如TY-322被等分成了24個(gè)模位。
若主機(jī)和副機(jī)都沒有檢測到有效模位時(shí)，并且主機(jī)和副機(jī)都處于開模狀時(shí)，PLC或單片機(jī)發(fā)出指令，圓盤由主機(jī)提供壓力，進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)自動檢測到有效模位，圓盤進(jìn)行減速后精確定位。
7)冷卻方式
傳統(tǒng)的臥式注塑機(jī)有“冷卻時(shí)間”這個(gè)概念，模具上安裝了冷卻水循環(huán)，目的是保護(hù)模具和產(chǎn)品的冷卻。
圓盤機(jī)則不同，它沒有冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，因?yàn)楫a(chǎn)品成型后，圓盤機(jī)本身的轉(zhuǎn)盤有一段時(shí)間處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)，另外機(jī)器上有安裝幾臺冷卻風(fēng)機(jī)的方式，模具和產(chǎn)品進(jìn)行冷卻。 
2.3圓盤機(jī)工作原理
圓盤機(jī)的注塑過程中的鎖模、射料、熔膠、開模、圓盤快慢速等各個(gè)動作，對速度、壓力的要求都不一樣，它們由控制面板上的比例值設(shè)定，如：P1設(shè)定關(guān)模壓、P2設(shè)定射料一次壓、P3設(shè)定射料二次壓、P4設(shè)定進(jìn)料壓。當(dāng)圓盤機(jī)的流量壓力需求發(fā)生變化時(shí)，由設(shè)在油泵出口的比例閥（溢流閥）來調(diào)節(jié)負(fù)載壓力和流量，將多余的油高壓溢流回油箱。 
單色圓盤機(jī)只有一臺主機(jī)，主要向系統(tǒng)提供壓力，完成射膠熔膠動作及鎖模開模動作，另外控制一個(gè)轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，完成模具的移動與定位。
雙色機(jī)既有主機(jī)、副機(jī)之分。它們主要由加熱、射膠、熔膠系統(tǒng)、鎖模系統(tǒng)組成。三色機(jī)則與雙色機(jī)類似，它有一臺主機(jī)，兩臺副機(jī)組成。主機(jī)負(fù)責(zé)圓盤的旋轉(zhuǎn)及定位。
圓盤機(jī)工作時(shí)分手動運(yùn)行和自動運(yùn)行兩部分。
手動運(yùn)行時(shí)，操作人員必須提供相應(yīng)的命令，圓盤機(jī)才會完成相應(yīng)的動作。如射膠、熔膠、上模、下模、圓盤旋轉(zhuǎn)等動作。
自動運(yùn)行時(shí)，各模位選用完成，進(jìn)料量壓力、時(shí)間都設(shè)定完成且料管溫度加熱已到達(dá)后，將主機(jī)油泵啟動，將手動、自動開鎖切換至自動位置，按一次自動啟動按鍵即可進(jìn)行自動步驟。
1)如果現(xiàn)在模位有使用，按自動啟動鍵后，進(jìn)料量為這模設(shè)定量。若進(jìn)料未達(dá)設(shè)定量，而有鎖模的動作。只允許快速鎖模動作，等進(jìn)料到達(dá)設(shè)定量后才有慢速鎖模動作。鎖模停止后，執(zhí)行射料、開模動作。
2)若現(xiàn)在模位不使用，按自動啟動鍵，則圓盤運(yùn)行往下一有使用的模位，且進(jìn)料的進(jìn)料量到達(dá)，也以下一有使用的模位之設(shè)定量執(zhí)行進(jìn)料動作，轉(zhuǎn)盤定位后，快速鎖模（用時(shí)間設(shè)定），計(jì)時(shí)止，且進(jìn)料時(shí)到達(dá)，執(zhí)行慢速鎖模，鎖模停止后執(zhí)行射料、開模動作。
3)主副機(jī)同時(shí)使用時(shí)，須等主、副機(jī)自動動作皆完成至開模止，圓盤才運(yùn)行并旋轉(zhuǎn)至下一使用模位。
4)轉(zhuǎn)盤暫停在圓盤“慢速點(diǎn)”前動作時(shí)，圓盤即在“慢速點(diǎn)”檢出時(shí)，慢速至定位停止。若該模位有使用，定位后，這模動作會做鎖模等動作至開模為止。轉(zhuǎn)盤即不動作，但進(jìn)料動作，會執(zhí)行下一使用模次的進(jìn)料，將轉(zhuǎn)盤暫停解除（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）圓盤即往下一模位移動。如果這模位未使用，則圓盤即在最近一模執(zhí)行定位，直到解除轉(zhuǎn)盤暫停，方往下一模移動。
5)在自動運(yùn)行中，將自動狀態(tài)切回手動狀態(tài)，除圓盤會執(zhí)行慢速定位的動作外（圓盤在運(yùn)行中作此切換）其他動作及時(shí)停止�？捎檬謩硬僮鲝�(fù)位。
2.4圓盤機(jī)的電能消耗主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)部分
1)液壓系統(tǒng)油泵的電能消耗
2)加熱器的電能消耗
3)冷卻風(fēng)機(jī)。
對于制鞋企業(yè)來說，電耗是其生產(chǎn)成本的主要部分，上述電能消耗中，液壓油泵的用電量占整個(gè)圓盤機(jī)用電量的80%左右，所以降低其耗電量是圓盤機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵。

3、圓盤機(jī)節(jié)電原理
在了解圓盤機(jī)的工作原理后，我們不難知道 ，圓盤機(jī)動作內(nèi)部有著十分劇烈的突變過程，對機(jī)器的沖擊非常大，影響了整個(gè)注塑系統(tǒng)的壽命。目前國內(nèi)制鞋企業(yè)中，有大量舊設(shè)備，自動化程度低，能耗大。機(jī)器一般按最大的生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)，其實(shí)在生產(chǎn)時(shí)往往用不了那么大的功率。油泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速保持不變，所以輸出功率幾乎也是不變的，生產(chǎn)中存在大馬拉小車的現(xiàn)象。因此造成大量能量浪費(fèi)。
由于圓盤機(jī)特有的主、副機(jī)及旋轉(zhuǎn)式模具的特性，生產(chǎn)時(shí)，往往使用到的有效模位沒有那么多，如：TY-322機(jī)型，24套模具，有時(shí)只用了10幾套，在試機(jī)、打樣時(shí)用到的模具甚至更少，這就決定了主副機(jī)經(jīng)常處于長時(shí)間的待機(jī)狀態(tài)。副機(jī)只有檢測到有效模位時(shí)，才執(zhí)行動作。在圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，副機(jī)不做任何動作，而平時(shí)，電機(jī)卻仍然一直工作于額定轉(zhuǎn)速，這時(shí)候的高壓溢流部分不僅未作任何有用功，而且產(chǎn)生熱量，造成液壓油發(fā)熱，既耗能，又有害。
我們采用圓盤機(jī)的無感矢量變頻運(yùn)行技術(shù)（參考電氣原理圖），變頻器實(shí)時(shí)的檢測來自圓盤機(jī)電腦板給出的壓力及流量信號，圓盤機(jī)壓力或流量信號是0～1A，經(jīng)內(nèi)部處理后，輸出不同的頻率，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，即：輸出功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，相當(dāng)于定量泵變成了節(jié)能型的變量泵，原液壓系統(tǒng)與整機(jī)運(yùn)行所需功率匹配，消除了原系統(tǒng)的高壓溢流能量的損失�？梢源蟠鬁p輕合模、開模的震動，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少機(jī)械故障，延長機(jī)器使用壽命，又能夠節(jié)約大量的電能。

4、圓盤機(jī)節(jié)能改造案例
1)公司名稱：福建泉州晉江市某鞋材有限公司 
2)圓盤機(jī)節(jié)能改造的目的：在競爭激烈的制鞋行業(yè)有如下特點(diǎn)，企業(yè)主要的經(jīng)營成本是員工的工資和電費(fèi)；由于企業(yè)之間的競爭，塑膠件的加工費(fèi)用越來越少，電費(fèi)所占成本的比例越來越多；節(jié)省電費(fèi)、降低成本，延長設(shè)備使用壽命，提高企業(yè)的競爭力，是業(yè)內(nèi)眾多經(jīng)營者所關(guān)注的問題。
3)改造的圓盤機(jī)型號：東莞市臺裕全自動圓盤式塑膠類射出成型機(jī)
4)圓盤機(jī)馬達(dá)功率：主機(jī)一臺22kw 副機(jī)22KW×2 
5)2004年7月22日，我們在該公司設(shè)備科配合下，在一樓啤底成型車間，采用深圳科姆龍公司的KV2000無感矢量變頻器KV2000-Z0220-4T兩臺，分別對圓盤機(jī)的主機(jī)和副機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。改造時(shí)生產(chǎn)雙色運(yùn)動鞋底，成型周期為30 秒。節(jié)能器上安裝了三相四線制電能表，進(jìn)行節(jié)電率的測試，主機(jī)和副機(jī)的節(jié)電率分別為38%和43%。
6)福建泉州地區(qū)當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)平均 0.80 元每度，該塑料制品廠 24 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，如果以每月工作 30 天計(jì)算。則有： 市電運(yùn)行時(shí)，電費(fèi) / 月 =7.2×24×30

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