包裝機(jī)械中恒線速恒張力的實(shí)現(xiàn)

殷興光，尹毅峰，沈 博

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710300；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南 鄭州 450002）

現(xiàn)代工業(yè)的很多工序中，卷繞機(jī)都是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。根據(jù)特定的設(shè)備和系統(tǒng)，有時(shí)候一個(gè)完整的工序過程是始于一個(gè)開卷機(jī)并且終止于一個(gè)卷繞機(jī)。卷繞的目的主要便于存儲和運(yùn)輸或便于后道工序的再加工。卷繞機(jī)應(yīng)有較大的卷裝容量，以減少下道工序換管和換筒的次數(shù)，提高生產(chǎn)率。同時(shí)卷繞應(yīng)對半成品或成品的內(nèi)在質(zhì)量、外觀、均勻度等無損傷，應(yīng)使產(chǎn)品的機(jī)械性能不降低，不增加疵點(diǎn)[1]；卷裝尺寸要與機(jī)臺規(guī)模相匹配，并利于儲運(yùn)。

1 卷繞的工藝方案

卷繞工藝的主要方案有兩種:中心卷繞和表面卷繞。1）中心卷繞:卷子由中心軸驅(qū)動，如圖1所示。

圖1 中心卷繞Fig.1 Centre winding

材料經(jīng)過傳感器后進(jìn)行傳送，形成閉環(huán)控制（PID），傳感器的輸出信號將材料張力的信息傳遞到運(yùn)動控制器中。運(yùn)動控制器將實(shí)際張力值與設(shè)定張力值進(jìn)行比較并補(bǔ)償差值，以保證張力和線速度恒定。卷徑范圍是設(shè)計(jì)卷繞機(jī)型號時(shí)的重要因素。因?yàn)檗D(zhuǎn)速與卷徑成反比，這就說明驅(qū)動系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速是由卷子的最小卷徑?jīng)Q定的，而系統(tǒng)最大扭矩由卷子最大卷徑?jīng)Q定。

中心卷繞相比于表面卷繞更加的復(fù)雜，由于基于閉環(huán)控制，所以操作的難度也要大于表面卷繞。然而由于中心卷繞控制精確的特點(diǎn)，所以應(yīng)用更加廣泛。

2）表面卷繞如圖2所示。

圖2 表面卷繞Fig.2 Surface wound

表面卷繞省去了材料的中間傳送過程，材料進(jìn)給到中間的卷繞軸上，依靠周圍三個(gè)滾筒的摩擦力進(jìn)行收放卷。卷繞過程更為簡單，比較適用于材料韌性較差的場合，如卷筒衛(wèi)生紙等容易被拉斷的材料卷繞。但是這種卷繞沒有張力和速度控制，不能保證卷繞中的褶皺和精度問題，故在高精度卷繞應(yīng)用中并不適宜，只有在材料要求較低的情況下使用。上、下方卷繞、開卷情況如圖3所示。

圖3 上、下方卷繞、開卷展示圖Fig.3 Below，winding，book display

在選擇方案時(shí)為了匹配高精度卷繞工序要求，故選擇中心卷繞作為基本卷繞方案，然后再對中心卷繞中的間接閉環(huán)張力控制、使用跳舞輥的閉環(huán)張力控制[2]、使用負(fù)載傳感器的閉環(huán)張力控制進(jìn)行比較，得到適應(yīng)不同精度要求的最佳解決方案。

2 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

卷材的張力控制方法有兩種，即直接法和間接法。兩者相比，直接法控制系統(tǒng)簡單，而且控制精度較高，間接法不易滿足控制要求，因而系統(tǒng)采用直接張力控制法。即在傳動的卷材輥道上安裝張力傳感器，采用張力傳感器來測量卷材的實(shí)際張力值，再通過張力調(diào)節(jié)器控制張力恒定。

圖4中箭頭所指方向是卷材的運(yùn)動方向，牽引輥、卷繞輥分別由直流控制器控制的直流電動機(jī)M1、M2傳動。

圖4 機(jī)電卷繞控制系統(tǒng)Fig.4 Electrical winding control system

設(shè)卷繞輥的瞬時(shí)速度為 v2（t），瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為 n2（t），瞬時(shí)半徑為 r2（t）[3]，布匹的張力為 F（t），牽引輥的瞬時(shí)速度為 v1（t），則關(guān)系式如下：

式中，k為布匹的彈性系數(shù)，N為布匹的卷繞層數(shù)，h為單層布匹的厚度，r20為卷繞輥的初始卷徑。

從上式（1）、（2）可以看出，布匹張力的大小與牽引輥、卷繞輥的速度差有關(guān)，即控制好牽引輥、卷繞輥的速度差就能控制卷繞的張力。對卷繞輥采用恒線速度控制，所以只需要控制好牽引輥的線速度就能實(shí)現(xiàn)卷繞系統(tǒng)恒張力控制的目標(biāo)。

在卷繞過程中，卷繞半徑是一個(gè)動態(tài)的變化過程，由式（3）可以看出卷繞輥的線速度隨著卷繞半徑在不斷地變化，因此若要保持卷繞輥的線速度恒定，必須根據(jù)卷繞半徑不斷地調(diào)整卷繞輥的轉(zhuǎn)速。從式（4）可以看出，卷繞半徑由布匹的卷繞層數(shù)決定，因而可采用高速計(jì)數(shù)模塊與分辨率為1 024的編碼器相連，記錄編碼器信號，進(jìn)而計(jì)算出布匹的卷繞層數(shù)。設(shè)高速計(jì)數(shù)模塊的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值為Cn1，關(guān)系式如下：

依據(jù)t時(shí)間內(nèi)高速計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值之差可以近似算出卷繞輥的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，設(shè)卷繞輥的實(shí)際瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為：

式中Cn為計(jì)數(shù)值，它為Cn1之前t時(shí)間的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值[4]。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

選用西門子公司 200系列PLC作為控制器，威倫MT6070I觸摸屏作為操作界面，CPU為S7-222。同時(shí)，選用與S7-222可編程控制器匹配的高速計(jì)數(shù)模塊對編碼器的高頻信號計(jì)數(shù)，歐陸直流控制器512c對直流電動機(jī)調(diào)速。控制器與S7-200之間選用Profibus-DP通訊方式。觸摸屏的COM1/2【RS-232】通訊端口9針D型公座管腳排列，這個(gè)端口用于連接S7-222，而且要注意通訊電纜的長度不要超過15米。S7-222模擬量輸出模塊EM232的MO、VO分別和放卷直流調(diào)速器512c的T11、T13端子相連，S7-222模擬量輸出模塊EM232的M1、V1分別和收卷直流調(diào)速器 512c的 T11、T13端子分別相連。放卷直流調(diào)速器512c的T6、T8端子和S7-222模擬量輸入模塊EM231的C+、C-相連。收卷直流調(diào)速器512c的 T6、T8端子和 S7-222模擬量輸入模塊 EM231的A+、A-相連。由于放、收卷直流電機(jī)上均安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器對轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效的測量與反饋，兩個(gè)轉(zhuǎn)速均送入S7-222的輸入口。在連接時(shí)放卷旋轉(zhuǎn)編碼器A、B相和S7-222的I0.0、I0.1相連，收卷旋轉(zhuǎn)編碼器A、B相和S7-222的I0.3、I0.4相連。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器均接24 V直流電源而且Z相均懸空。

由控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可知：卷繞過程的控制可分為兩個(gè)部分，一個(gè)是卷繞輥的恒線速度控制，另一個(gè)是布匹的恒張力控制。下面一一做以介紹。

3.1 卷繞輥的恒線速度控制

圖5為卷繞輥恒線速度控制過程示意圖[5]。使用 Step7軟件編程時(shí)，設(shè)置循環(huán)中斷組織塊OB35的循環(huán)中斷時(shí)間值等于圖中的t，并在該組織塊中讀取高速計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)值，通過程序即可計(jì)算出瞬時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速及卷繞層數(shù)N。在觸摸屏中輸入卷繞輥的初始卷徑r20、單層布匹厚度h以及給定的恒線速度值v2（t），通過串行通訊接口傳送至 S7-200的數(shù)據(jù)塊中，經(jīng)過S7-200的編程組態(tài)軟件Step7計(jì)算出卷繞輥的瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)速n2（t），再轉(zhuǎn)換成控制器的控制字傳送給驅(qū)動卷繞的直流控制器，由直流控制器每隔t時(shí)間對卷繞電機(jī)進(jìn)行一次調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對卷繞輥的恒線速度控制。

圖5 恒線速度、恒張力控制示意圖Fig.5 Constant line speed，constant tension control schematic diagram

3.2 布匹的恒張力控制

布匹的恒張力控制過程示意圖如圖5所示。圖中的虛線部分由PLC實(shí)現(xiàn)，PID控制器采用的是PLC內(nèi)部的 PID控制器。卷繞過程中，空卷與滿卷的轉(zhuǎn)動慣量變化比較大，因此需要采用可變PID參數(shù)。在自動卷繞時(shí)，可通過PLC的比較跳轉(zhuǎn)指令來實(shí)現(xiàn) PID參數(shù)值的轉(zhuǎn)換；在手動卷繞時(shí)，可通過觸摸屏在不同時(shí)刻的實(shí)際情況輸入不同的PID參數(shù)值。張力傳感器所測的信號經(jīng)過自身處理器濾波、放大、轉(zhuǎn)換等處理后傳送至PLC的模擬量輸入端，即為圖中的張力反饋值。張力反饋值與觸摸屏輸入的張力給定值運(yùn)算后，得到一個(gè)張力偏差量。張力偏差量經(jīng)過PID控制器處理后獲得一個(gè)控制量，Step7程序?qū)⒃摽刂屏哭D(zhuǎn)換成變頻器控制字后通過 DP總線傳送給牽引變頻器，牽引變頻器對牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了布匹的恒張力控制[6]。在 Step7程序中，可以設(shè)置當(dāng)張力反饋值接近張力給定值的 90%時(shí)再采用PID控制器，這樣可以增加系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

在上述的兩種控制過程中，由于張力傳感器的測量輥是固定的，不能吸收張力的峰值，所以牽引輥、卷繞輥的加減速不可以太快。

4 控制系統(tǒng)的編程組態(tài)

S7-300PLC的編程組態(tài)軟件 Step7不是一個(gè)單一的應(yīng)用程序，而是由一系列應(yīng)用程序構(gòu)成的軟件包。

4.1 硬件組態(tài)

PLC采用西門子S7-222，可以完成復(fù)雜的算法程序編輯。觸摸屏采用電容式觸摸屏，既符合工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際，又能夠代表先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展方向，在觸摸屏上利用組態(tài)軟件建立了人機(jī)交互系統(tǒng)，簡單易懂易于操作。在控制系統(tǒng)中首先對上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行運(yùn)行速度（線速度）設(shè)定，經(jīng)RS-232將該設(shè)定值傳遞到S7-222中。如圖6所示，在觸摸屏上通過組態(tài)軟件設(shè)置了 “放卷卷徑 ”、 “收卷卷徑”、“材料厚度”、“運(yùn)行速度”4項(xiàng)，它們的設(shè)定范圍分別為50~999 cm、30~50 cm、0.1~0.2 mm、0-40 m/s。

圖6 觸摸屏上參數(shù)的設(shè)置Fig.6 The touch screen parameter settings

在Step7管理界面中插入主站，雙擊主站進(jìn)入硬件配置界面。首先，在該界面中加入機(jī)架，將CPU拖入機(jī)架的 2號槽中，編輯 2號槽中的“DP”創(chuàng)建 Profibus總線，并修改 2號槽中的 I/O起始地址；然后將模擬量輸入模塊、高速計(jì)數(shù)模塊分別拖入 4、5號槽中，并修改各自數(shù)據(jù)發(fā)送和接收區(qū)的起始地址；最后，在 Profibus總線上配置兩個(gè)從站，分配從站通信數(shù)據(jù)存儲區(qū)，修改從站通信數(shù)據(jù)發(fā)送和接收區(qū)的起始地址。以上都完成后，下載硬件組態(tài)。

4.2 程序結(jié)構(gòu)

為了方便閱讀和調(diào)試，Step7采用結(jié)構(gòu)化編程方式，將任務(wù)分解為若干個(gè)小任務(wù)塊（FC或者FB），小任務(wù)塊還可以分解成更小的任務(wù)塊，任務(wù)塊通過編程指令完成各自的任務(wù)，OB1通過調(diào)用這些任務(wù)塊來完成整個(gè)任務(wù)。任務(wù)塊之間有一定的相對獨(dú)立性，同時(shí)也存在一定的關(guān)聯(lián)性，它們彼此之間需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。恒張力控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖7所示[7]。

4.3 PID控制

Step7提供有PID控制軟件包，該軟件包包括3個(gè)功能塊：FB41、FB42 和 FB43。 其中 FB41“CONT_C”用于連續(xù)控制，F(xiàn)B42“CONT_S”用于步進(jìn)控制，F(xiàn)B43“PULSEGEN”用于脈沖寬度調(diào)制。這些功能塊是系統(tǒng)固化的標(biāo)準(zhǔn)位置式 PID，運(yùn)算過程中循環(huán)掃描、計(jì)算所需的全部數(shù)據(jù)均存儲在分配給FB的背景數(shù)據(jù)塊里，可以無限次調(diào)用。

5 結(jié)束語

圖7 恒張力控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The constant tension control system program structure diagram

在恒線速卷繞系統(tǒng)中，為適應(yīng)不同材料的要求，要設(shè)計(jì)不同的控制算法參數(shù)。將軟件和硬件系統(tǒng)進(jìn)行綜合調(diào)試，調(diào)節(jié)控制參數(shù)達(dá)到最佳效果。在本系統(tǒng)中，選用了力矩為主控制參數(shù)的恒線速調(diào)速系統(tǒng)，采用魯棒控制方式。為了通信便利和減輕直流控制器的計(jì)算量，為使得魯棒控制能夠滿足控制精度和實(shí)時(shí)性要求，選擇S7-222作為控制器。軟件部分主要包括三部分，包括觸摸屏界面設(shè)計(jì)、PLC程序的編寫、直流控制器的設(shè)置與調(diào)試。在設(shè)計(jì)時(shí)，觸摸屏界面設(shè)計(jì)時(shí)利用組態(tài)軟件進(jìn)行制做，數(shù)據(jù)通信時(shí)主要是通信協(xié)議的設(shè)置。該系統(tǒng)硬、軟件配合后達(dá)到較理想的效果，達(dá)到兩個(gè)電機(jī)線速度的恒定，并基本保證卷繞系統(tǒng)的張力、線速度實(shí)際值與設(shè)定值誤差控制在±4%以內(nèi)。

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