注塑機驅節能改造

摘要: 本文首先介紹了傳統注塑機的驅動系統，通過分析該系統的耗能情況提出三種改進方案，詳細分析了各種方案的優缺點，並給出了相應的指導意見，最終介紹台達VJ注塑機專用伺服驅動器並給出對應的系統方案。

關鍵詞：注塑機伺服驅動器定量泵變頻器PQ驅動器

1 前言
根據塑料製品的市場分析，目前中國塑料機械行業產值每年約120億元，而國內市場需求近220億元，還有很大的需求缺口，注塑機的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴散，同時也帶動塑料工業等關聯產業的飛速發展。
近幾年塑料行業發展越來越迅速，其中註塑行業也正迎來一個飛速發展的機遇。 但同時行業內的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產品質量和品牌外，也越來越重視生產成本的控制。 從注塑機工藝過程可知，電能消耗成本在註塑成型產品成本中佔了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關注。
隨著國家節能減排政策的深入，各企業都在考慮怎樣節能以響應國家號召和減少生產成本，注塑機行業更是如此。 實現效果顯著的節能改造已經成為註塑行業提升的首要課題。 本文在介紹傳統注塑機驅動系統的基礎上，結合注塑機的節能發展趨勢提出三種改進方案並分析了相應優缺點，最終基於台達注塑機專用伺服驅動器給出一套節能型方案，值得業界參考。

2　傳統注塑機工藝及能耗分析
普通注塑機通常採用液壓傳動，其結構包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，後者的作用是保證注塑機預定工序的要求（壓力、速度、溫度、時間、位置）和動作程序準確有效地工作。
在傳統的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統中的動力由電機帶動油泵提供。 其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機通常提供額定功率和轉速，油泵將電動機所輸入的機械能轉變為壓力能，然後向液壓系統的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執行機構驅動負載所需能量的要求。
注塑機成型工藝是一個按照預定的周期性動作過程，即以合模---射嘴前進---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出製品---將被注塑件放入模具中---合模等加工工序達到某件產品成型。
各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機整個動作過程對油泵電機來說是個變負載過程。 在定量泵注塑機液壓系統中，油泵電機始終以恆定轉速提供恆定流量的液壓油，各個動作中相應多餘的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費。
注塑機按裝模構造分為立式註塑機和臥式註塑機，如圖1所示：

圖1  立式註塑機和臥式註塑機示意圖

經過測試一般單台傳統注塑機能耗和所站例分別是
·油壓系統的耗能：75-80%
·加熱單元的耗能：10-15%
·冷卻系統的耗能：5-10%
·控制組件的耗能：1- 5%
其中最大能耗部分：以油壓系統用電量佔注塑機的75%以上。 同時鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對於油泵馬達都是處在於負載變動的狀態；當系統需求超過設定的流量及壓力,會由溢流閥或比例閥來調整壓力流量,這個過程稱之為高壓節流,造成的能量損失高達40%-75%，
3　傳統注塑機驅動系統傳統注塑機的驅動系統通常由PQ控制器+定量泵+感應馬達三部分組成，架構框圖如圖2所示：

圖2  傳統注塑機驅動系統架構

傳統注塑機系統進入保壓時電機依然高速帶動油泵滿負荷運行，由於系統現在是保壓狀態所以不需要往系統裡供油，因此通過油泵泵出的油通過安全閥又回到了油箱，這就造成了電能的浪費並且浪費的電能還會轉換成熱能使油箱的油溫上升從而減少密封圈的壽命等不良現象。總之，採用傳統注塑機驅動方式，保壓及冷卻時間越長，系統越耗能。
      4　三種改進型驅動方式      4.1 變量泵驅動
上面介紹的傳統注塑機驅動方式帶來加大的電能浪費，業界又推出了變量泵驅動的注塑機，該系統通常由PQ控制器+變量泵+感應馬達三部分組成，如圖3所示：

圖3 變量泵驅動系統架構

改用變量泵的最大優點是，但係統處於保壓時雖然電機高速運轉但變量泵會根據系統壓力的大小來調整自己的排量，即當系統壓力達到設定值時變量泵會切換成小排量從而減少保壓時泵的輸出流量以減少電機的輸出扭矩達到了減少電機功率輸出最終實現了節能的效果。
總之，該方案的優點：有一定的節能效果，缺點：需要PQ控制器，並且電機還是處於高速運轉狀態，所以節能並非最佳。
 4.2 變頻器驅動
採用上述方式驅動，由於電機還是處在高速運轉，所以這種方式的節能不是非常好，因此業界又研究用變頻器來驅動，該系統通常由PQ控制器+變頻器+變頻馬達+定量泵四部分組成，如圖4所示：

圖4 變頻器驅動系統架構

改用變頻器來驅動電機最大的優點是當系統處於保壓時，注塑機控制器會給一個比例流量信號給變頻器告訴變頻器現在要執行低速運轉，這時變頻器就驅動電機以很低的轉速運轉從而實現了節能的效果，但是由於變頻器在啟動和停止時都有加減速時間所以注塑機的運行週期要比沒有加變頻器要慢，因此對於保壓時間短和工作時間短的產品不適合用變頻器，只有保壓時間長噸位比較大的注塑機是可以考慮用變頻器來驅動的，並且用變頻器進行節能改造最簡單，基本上不會更改注塑機本身的機械結構，只是在電極的三相進在線加個變頻器就可以了，目前台達FG注塑機專用變頻器在註塑機行業有成功的案例。
總之：此方案的優點在於改造簡單有較好的節能效果；缺點則是在趕產能時，需切回市電，且依然需要PQ控制器。
4.3 伺服驅動器及伺服馬達驅動
為了能使注塑機的驅動不僅不影響產能甚至可以提高產能，業界又開始用伺服驅動器和伺服電機來驅動，該系統通常由內建PQC伺服驅動器+伺服馬達+定量泵三部分組成，如圖5所示：

圖5 伺服驅動器和伺服電機系統架構

用伺服驅動器的最大優點，首先是節能因為當系統保壓時注塑機控制器會同時給壓力和流量信號給驅動器，驅動器會根據PID換算後將低速驅動伺服電機運轉實現節能，其次是產能得到很的提高因為伺服驅動器驅動伺服電機運轉相應很快，而且伺服電機一般可以運轉到2000轉/分以上，所以注塑機在進行除保壓狀態外的其它工作狀態時基本上執行的是速度模式其電機轉速很快就可實現了注塑機運轉週期加快，提高了產能，再次是系統保壓時壓力的穩定性很好，因為該驅動系統是個死循環控制系統，注塑機系統壓力通過壓力傳感器傳遞到驅動器上並通過驅動器的PID快速調節響應，從而保證了系統壓力的穩定性。
總之，此方案的優點：節能，快速，節省空間不需外購PQ控制器，油溫低，油箱小；缺點：舊機改造時更換的部件比較多。
      5 台達專用伺服驅動方案
目前國內外有很多驅動器公司推出了注塑機專用的伺服驅動器，台達也推出了自己的VJ注塑機專用伺服驅動，系統圖如圖6所示：

此方案具有以下特點：
（1） 超省電節能：在一定的條件下比傳統定量泵油壓系統省電60%
（2） 系統油溫低：油溫可以比傳統的低5-10度
（3） 重複精度高：實現了精密的流量壓力控制
（4） 保壓時間長：對坐大尺寸塑料製品比較好
（5） 響應時間快：速度響應時間在40ms
（6） 耐惡劣環境：採用防油，防抖動，防塵的旋變編碼器
綜合來講，此方案可以較好地實行注塑機的節能改造，提高系統運作效率，並且安全可靠，適合各種工業環境使用。
      5 結語隨著業界伺服驅動技術的成熟，專用的伺服驅動器在註塑機改造中日漸得以廣泛應用。實踐證明，基於台達VJ注塑機專用伺服驅動器給出的伺服驅動方案，節能效果明顯，精度高，適應性強，值得推廣和應用。

      【參考文獻】[1] 張甲敏等，注塑機控制及動力部分的改造   合成樹脂與塑料工業【期刊】 2005
[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應用系統設計及通信網絡技術. 人民郵電出版社，2002
[3] 台達伺服使用手冊       台達內部資料    2008