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注塑机伺服节能系统的应用 |
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作者：台湾富强鑫精密工业(股)公司 |
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富强鑫集团注塑事业部在台湾属前三大的塑料注塑机器设备企业，在2008年以前就开始着手酝酿节能系统在注塑机运用的可行性评估，2008年2月开始导入量产第一批“伺服节能环保型注塑机”，实现了高节能、高精度、高应答、低噪音、低油温等优异特性，在理想的状态之下，与变量泵机种相比，节能可达40％，与传统定量泵注塑机相比，节省能源最高可达70%~80％。至今更陆续将伺服节能系统拓展至其它不同机种使用，包括快速机、电木机以及大型两板机等，使用户每年节省电费在50~60%以上。
伺服节能技术简介
早期注塑机以全液压式为主，对于节能及环保贡献上明显较弱，反观全电注塑机发展却是节能与环保贡献上最具代表性的设备技术，两者主要差异上在于伺服马达的使用，也就是说将液压式注塑机所有动作的驱动源由原本的液压马达被伺服马达所取代，成为所谓的全电式注塑机，当然取两者应用优势者即为油-电混合注塑机，使同时兼具液压与伺服之优点。然而油压机在长时间维持高压、高出力时仍有全电机无法完全取代的优势，因此具节能环保的全液压系统也是现阶段最具潜能的设备技术，这里将重点以全液压伺服节能注塑机进行说明。
传统定量泵系统与伺服系统之差异
注塑机从标准动作上可分解成锁模、射胶/保压、加料、冷却、开模、托进等几个阶段，各个阶段皆需要提供不同且适当的压力和流量，对于油泵马达而言，注塑机成型过程是属于变化的负载状态。在定量泵的液压系统中(见图1)，马达是以恒定转速持续提供一恒定的流量，尽管透过比例式压力流量比例阀(EFBG)来达到各阶段所需压力及流量比例配置的结果，非属所需受控的液压油仍旧须排回油箱，对注塑机而言，输出功耗造成的电力消耗是持续性的，也就是说若注塑机属待机状态，定量液压泵则仍不断地提供恒定的流量并直接排回油箱，此即形成相当大且不必要的电力耗费。
然而伺服系统的控制技术(见图2)，可改善上述定量泵液压系统的缺点，伺服马达乃透过编码器传输讯号回馈至驱动器进行精准的回转控制，使其受控液压油之流量需求经油泵直接输出，也就是说输出流量的大小系透过精准转速的增减控制来获得；液压油之压力控制方面则是透过油泵上串联的一压力传感器，将压力讯号结果传递回馈至驱动器端进行连续的闭回路控制，以其达到压力精准控制为目的。如此一来，伺服控制系统就可精准的提供注塑成型各阶段所需要的压力与流量，比较定量泵系统，可大幅降低输出的电力消耗。
注塑成型节能原理
传统定量泵与伺服节能系统在注塑成型各阶段所使用电力消耗之状态，如图3所示，其各阶段动作下的电力消耗比较可获知，加料及冷却两阶段属于长时间作动的电力是最值得做省能控制的，尤其是冷却阶段，伺服系统对注塑机而言完全不需做功。换而言之，一产品成型周期中冷却时间越长，节能效益就越显着。
注塑机伺服节能系统之构成
一般应用于全液压注塑机伺服节能系统，其标准构成的三大组件为伺服马达、驱动器及油泵组，其中伺服马达又可区分为AC感应伺服与永磁式伺服(又称同步伺服)；驱动器的控制技术则依据马达特性区分为变频控制及伺服控制；油泵类型常见有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵，齿轮泵包括有外齿轮、内齿轮及螺旋式。国内伺服节能系统供货商各自从上述组件进行选择性搭配，选择特性上也有一些差别，见表1。 
除了上述标准三大构成组件以外，伺服控制系统尚需要下列附属配件，如图4所示为常见标准系统组件配线图，包括有：
(1) 控制卡(Control Card)：有些称PG卡，用于通讯接口之沟通与转换，使编码器讯号回馈至该卡进行转速的向量控制。
(2) 编码器传输线(Encoder)：传递编码器上各端子讯号至驱动器端，其驱动器端常见用9 pin D-sub作为通讯沟通接口。
(3) 制动电阻(Break Resistance)：又称刹车电阻或回升电阻，避免马达急转急停时，因马达逆转所产生的电流直接回充至驱动器端，造成驱动器烧毁，制动电阻将消耗此回充电流转成无用的热放走。目前已有开发对回充电流进行电力储存并可重复利用的技术，在节能概念上更是一大进步。
(4) 压力传感器(Pressure Sensor)：提供伺服系统对注塑成型进行压力闭回路控制的重要回馈组件，通常设置在液压油泵浦出口端，常用压力规格为输出0~10V，对应最大压力为250 bar。
(5) 电磁干扰滤波器(EMI Filter)：连接于大电系统RST与驱动器之间，避免驱动器受干扰或亦可能本体产生电磁干扰扩及大电系统RST，导致其它机台也受到干扰而影响运作。
(6) 交流电抗：降低主电源谐波、峰值电流，保护驱动机构的电子组件，也防止主电源的电压尖脉冲引起跳闸，对于电力质量较差的地区，建议安装，以利保护驱动器。
(7) 电抗圈：用于降低辐射干扰，减少讯号因干扰造成传输的不稳定。
伺服控制系统性能及节能验证
市面上伺服节能系统包括有台湾、大陆、日本及欧美系列等多样化产品，各家系统的关键构成组件几乎具高度搭配性，惟拼凑成套的系统其性能稳定性、操控性及价格合理性仍待检视。整套伺服控制系统中，以驱动器技术门坎属较高层级，国内虽有不少业者具开发能力，其稳定性、耐用性、安全性等仍待长期检视，故目前常见系统中仍以日本及欧美系列产品居多，如大金、东芝、东京计器、安川、三菱、伦茨、西门子及TDE等，国内如台达电子、赛艺等，大陆则以汇川及御能使用量较多；伺服马达则由于开发技术较成熟，整合较容易，国内已有数家厂商具制造能力，大陆当地伺服马达也发展的如火如荼；而油泵制造技术门坎更高，常见油泵技术来自德国及日本品牌居多，德制产品包括有艾克乐、弗依特、帕克、布赫等，日制产品包括有大金、SETIIMA及油研等。
面临市面上如此多样化的伺服节能系统产品，如何寻获更好且性价比高的产品，富强鑫提供一系列测试方法替客户进行严格把关，故本节介绍伺服节能系统性能检验方法，以利协助客户取得价格合理且耐用的优质产品。
伺服控制系统之性能检验方法
伺服节能系统对于注塑作业执行，首要条件就是要具有精准控制能力与反应的灵敏度，当操控器发出压力与速度控制命令时，伺服节能系统马达油泵组需迅速从油箱内将油泵吸出，以提供各单元执行的作功需要。油压动力系统控制性能的优劣可藉由该马达油泵组于压力、速度的稳态控制能力、响应灵敏性及动态响应操控性来判别，此亦将决定注塑机的性能优异特性。
注塑成型过程中，射胶与保压阶段为影响成型品质量良莠最重要的两个阶段，注塑阶段着重以速度控制为主、压力限制为辅，目的在快速完成模穴充填，速度的超越量过大或反应时间过程皆有可能造成产品的缺陷，如应力集中、成品黏模等。保压阶段因为熔胶已完成充填，仅需对熔胶的收缩进行稳定的补偿，因此成型着重以压力控制为主、速度限制为辅，尽可能避免因补偿压力不稳定造成成型密度不均一而衍生出如应力不均等问题。
当伺服系统接收到控制器命令时，马达油泵立即提供所需的压力与流量需求，如图5所示为伺服系统压力与流量控制的性能曲线表现示意图。图中标示的6个位置是为了检视伺服控制系统的基础性能表现的重要参考指针，各指标说明如下：
(1) 反应时间：表示系统从起始作动，瞬间反应达到设定值所需要的时间，越快表示系统响应能力佳。
(2) 超越量：起升瞬间其最大峰值超越预期设定值的量，超越量越小，表示目标控制能力稳定性高。
(3) 瞬时响应：表示讯号从起升瞬间，系统之时间响应部分仍属震荡，其所需花费的时间。花费时间越短，表示系统恢复安定性较迅速，对成型周期时间短或需极端地高/低压切换控制者较具控制优势。
(4) 稳态响应：表示瞬时响应消失后，所剩余之时间响应部分，稳态时间越长，表示系统持续负载下的安定性佳。
(5) 下降时间：表示控制结束时恢复至原始待机状态下所需要的时间，此结果也将影响当控制切换至较低的压力或速度时，等同切换所需要的反应时间。
(6) 下冲量：当控制切换由高至较低的压力或速度时，因马达反转设计造成的下冲结果，此控制目的与超越量相同，下冲量越小，目标控制能力越佳。
另还有一个很重要的参考指标，称之稳态误差。压力之稳态误差主要来自油泵输送时因不断受压力闭回路控制，以及齿轮泵输送所产生的液压波动等综合因素造成的压力涟波现象，此波动与设计值之误差表现称为稳态误差。速度控制稳态误差表现亦受到速度闭回路控制影响，上述稳态表现结果都可透过PID的调整使其稳定输出。
富强鑫针对市面上伺服节能系统商所提供之伺服节能系统进行测试，厂商A为我司目前的现行系统，经过上述伺服控制系统之性能检验方法，结果显示如表2a与表2b，市面上仍有与富强鑫现行系统相同性能等级之伺服节能系统，此将作为富强鑫选择伺服节能系统重要的参考依据之一。
表2b. 伺服节能系统操控性能综合评比
 注塑机之节能验证
伺服节能系统应用于注塑机确实具有省能之功效，除了上述系统性能评定以外，当然省能的多寡也是受关切的议题。故针对注塑机节能规范，如欧洲Euromap 60及大陆GB都已制订注塑机节能标准测试规范，台湾于2011年度正筹备推动注塑机节能认证规范及标章。本节将简单介绍Euromap及GB两种标准测定规范。
(1) 欧规 Euromap 60─注塑机能源消耗测定标准
明确定义于比较特定机器的能量消耗之测定，仅需考虑注塑机包括：具往复运动螺杆；注塑单元的热塑性单元；电加热料管及无任何辅助的水平(卧式)夹模单元；不包括提供机台及模具的冷却系统、外部空压系统等。
(2) 大陆 GB─节能系统于塑料注塑机能耗检测和等级评定的规范
本规范规定注塑机的能耗检测方法、能耗等级评定和节能评价。该规范仅适用于理论注射容积大于16cm3的单螺杆。表3 注塑机节能标准测试规范比较表
 
两种规范本质上都适用于注塑机耗能(节能)测试，并可用于评定不同伺服节能系统的节能效益，比较两者之差异见表3所示。我司根据表2a与表2b结果，依GB注塑机节能认证规范进行厂商A、厂商B与厂商C的实模测试，结果如表4所示。厂商B与厂商C的实模测试皆优于厂商A的节能效果与成型的稳定度。
应用趋势
回顾2011ChinaPlas国际塑橡展中，伺服节能系统已经是各家展场中必备的基本条件，展场中伺服节能系统整合供货商展出至少10家以上，这说明伺服节能系统技术趋于成熟，且已有许多厂家投入生产及制造，甚至直接垂直整合。伺服系统中关键的控制适配卡也在已被提出应用之概念，若整合此技术资源亦表示伺服油泵控制技术将可以自行掌握。另外大型两板机也陆续被公开展示，不难发现，伺服节能系统若用在高阶大型机种其节能效益必然显着。惟伺服马达、驱动器等大功率需求仍待考验，故下阶段的伺服节能系统导入超大型机种使用必定是趋势之一，其大功率伺服马达、控制器以及大流量油泵将会是下阶段的重要关键零组件。
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(12/26/2012) |
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