PE料卷開卷機構控制方案的設計

李青青 佟河亭 胡玉景

摘要：??為提高集裝箱液袋生產的自動化水平和生產效率，增加企業的經濟效益，本文對PE袋切割設備的開卷機構進行了研究，分析了開卷機構的結構組成及工作原理，設計了系統的控制方案，并介紹了系統的主要程序。控制系統采用基于西門子S7-200?PLC作為控制器，根據檢測張力傳感器數據處理控制變頻器。該方案可以滿足放料機與儲料機之間速度跟隨的控制，提高了開卷的效率，滿足了PE料切割的節拍要求，解決了PE料拖拽時易扯壞問題，為后續的切割工序提供了充足的PE儲料，為PE切割設備定長下料的實現提供了理論依據。該研究具有較高的實用價值。

關鍵詞：??PE料卷;?開卷機構;?可編程控制器;?變頻器;?速度跟隨

中圖分類號：?TP273?文獻標識碼：?A

收稿日期：?2018-06-14;?修回日期：?2019-09-20

作者簡介：??李青青（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為機器人。

通信作者：??佟河亭，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為液壓與氣壓傳動設計，計算機輔助設計及機器人。Email：?tongheting@163.com

集裝箱液袋是一種新型的運輸容器，其適用于散裝非危險液體或化學制品的運輸，具有存儲和包裝功能[1]。液袋主要由聚乙烯PE（polyethylene）內袋和聚丙烯PP（polypropylene）外袋組成，袋子尺寸大且具有柔性[2]。PE料卷是筒形PE薄膜料纏繞料軸而成，料卷不能直接用于產品的加工制造，必須通過開卷機構將料卷展開，這樣才能保證后續加工的進行。開卷機構大多適用于金屬板材，該機構在原理上與PE料卷的開卷機構類似[3]。目前，國外的開卷生產線發展水平較高，比利時的LVD公司在此基礎上利用編程控制實現了對不同厚度和長度金屬板材的加工[4];意大利的Salvagnini公司采用數字化技術與計算機技術將金屬板材進行柔性化加工，為金屬板材的加工提供了新的思路。隨著工業控制技術的不斷提高，國內的自動化設備也在不斷發展，開卷生產線的生產制造企業利用PLC、變頻調速技術及伺服系統等技術，使開卷設備得到迅速發展和進步[5]。以上設備雖然在金屬卷料的開卷技術上水平較高，但由于PE料具有柔性大，且易扯壞等特性，不能使用上述開卷機構。基于此，本文主要對PE料卷定量定速開卷機構的結構以及控制系統進行研究，根據料卷的張力值來控制料卷的轉速，實現恒張力放料控制，同時可以與后續切割設備相適用，精度高且可靠性強。該研究提高了生產效率和企業競爭力。

1?開卷機構的結構組成及工作原理

PE料卷開卷機構是PE切割設備的一部分，主要包含放卷機構和儲料機構兩大模塊。開卷機構結構示意圖如圖1所示。放卷電機通過鏈傳動帶動PE料卷轉動放料，PE料通過導向輪1及由儲料電機帶動的主動放料組件在儲料盤中進行儲料，再通過導向輪2輸送至后續切割設備。

由于開卷過程中料卷直徑逐漸變小，線速度也隨之變化，為使開卷的線速度維持在恒定值，本系統在導向輪1和主動放料組件之間安裝張力傳感器，以檢測PE料的張力，儲料機構上的儲料電機可滿足后續切割要求的恒定速度進行放料，放卷機構上的變頻器通過張力傳感器檢測到的張力大小，及時調節變頻電機的速度，與儲料電機放料速度保持一致[6-7]。這種開卷方式，不僅滿足了整個切割設備的節拍要求，也對PE料在開卷過程中可能受到的損傷降到最低。既不會由于放卷機構放料速度比儲料機構速度慢而造成對PE料的拉扯，也不會由于儲料機構速度過快，造成儲料盤中大量料的堆積而在后續拖拽時對PE料造成傷害。

2?系統硬件組成

為保證各部分機構實現相應的功能，需要對控制元件、執行元件等進行選型。PE料卷的開卷機構有2個變頻電機，即型號為BHI62URA的儲料電機和型號為YVP802-4的放卷電機。

2.1?可編程控制器的選取

PE料卷開卷機構需要關機、開機、急停、氣缸上/下限位開關和復位變頻故障6個開關量輸入;1個模擬量輸入;放卷電機接觸器、儲料電機接觸器以及電磁閥左/右位4個開關量輸出和1個模擬量輸出，共計12個I/O點。根據設計要求，選取西門子S7-200型PLC，中央處理器選取CPU224XP型號，有數字量14輸入/10輸出，模擬量2輸入/1輸出，滿足要求，且方便以后對功能進行擴展[8-10]。

2.2?變頻器的選取

考慮控制和接線的方便，選擇西門子系列的PLC，并在滿足控制要求的前提下，選擇西門子MM440變頻器，采用RS485的通訊方式[11]。

2.3?張力傳感器的選取

GB/T4456—2008《包裝用聚乙烯吹塑薄膜》[12-13]中規定，塑料薄膜的抗拉強度≥10?N/mm2。根據企業要求，開卷過程中PE料所受張力不得超過50?N，加上張力輥重力195?N，所以允許的張力范圍是195～245?N。所選張力傳感器型號為ZHZLZT，量程為0～500?N，靈敏度為0.1%，滿足要求。

3?PLC接線原理

根據工作要求，分配I/O點數，I/O分配表如表1所示，繪制其端子接線圖如圖2所示。輸入端均為DC24V接線，輸出端除電機外均為AC220V接線，儲料電機及放卷電機均用AC380V接線，張力傳感器用DC24V供電。

4?軟件部分設計

4.1?流程圖

開卷流程圖如圖3所示。程序開始后，先進行初始化，將所有需要置位的寄存位置設為初始值。主動輥下降到位后，啟動儲料電機和放卷電機，然后對張力信號進行采集和比較，根據比較的情況再通過變頻器調節放料電機的轉速，使張力達到設定范圍[14-15]。

為方便編程，在I/O分配表的基礎上，添加編程內部符號表，內部符號表如圖4所示。

4.2?主要程序及說明

4.2.1?模擬量輸入子程序

張力傳感器輸出的電壓為0～10?V，對應AIW值為0～32?000，由于其線性相關，張力模擬量轉換[16]如圖5所示。由圖5可得

FXAIWX=50032?000

即

FX=AIWX×50032?000

因此，編寫張力模擬量轉換子程序，模擬量轉換子程序如圖6所示。模擬量輸出子程序在原理上與模擬量輸入子程序相同，在此不做詳盡說明。

4.2.2?變頻器參數設定

對變頻器的控制，需要調用USS指令。USS是西門子專為驅動裝置開發的通信協議，是一種基于串行總線進行數據通信的協議。USS指令庫是西門子為方便用戶使用USS協議進行通信而專門編寫的庫。USS初始化程序如圖7所示，初始化指令USS_INIT用于啟用或禁止PLC和變頻器之間的信任。用SM0.1調用USS初始化指令USS_INIT，只在第一個掃描周期調用[17-18]。

USS控制程序如圖8所示，控制指令USS_CTRL用于控制已經被USS_INIT激活的變頻器，用SM0.0調用控制程序USS_CTRL，在每個掃描周期都執行此程序[19-20]。

USS控制程序比較實際測量張力與設定張力最小值195?N的差值形成相應的電壓信號，并傳輸給變頻器MM440，變頻器根據電壓信號的大小調節變頻電機的轉速快慢。在張力允許范圍內，差值越大，電壓信號值越大，變頻器調節電機的轉速越快;當張力值大于允許張力最大值245?N時，調速系統發生故障，常閉觸點I0.2接通，變頻器立刻停止電動機，同時停止儲料電機，防止PE料被扯壞。當故障消除時，常開觸點I0.5接通，復位變頻器故障。

5?結束語

作為液袋生產線的首道工序，開卷機構的運行效率對整個生產線具有重要作用，本文對PE袋切割設備的開卷機構進行了研究，分析了開卷機構的結構原理及運動過程，設計了基于PLC的PE料卷開卷機構的控制系統。完成控制系統硬件選型和軟件編程。PE開卷機構的控制系統可以滿足PE料卷開卷的節拍要求，保證了PE料的質量，具有高精度、高效率和高可靠性等特點。該研究具有一定的實際應用價值。

參考文獻：

[1]?高德勝.?集裝箱液體集裝袋運輸的發展與運用管理[J].?鐵道運輸與經濟，?2011，?33（1）：?89-92.

[2]?孫毅明.?集裝箱液袋運輸及其安全性探討[J].?鐵道運輸與經濟，?2007，?29（8）：?80-82.

[3]?季本山，?查莉.?基于PLC的開卷校平剪板生產線控制系統設計[J].?煤炭技術，?2010，?29（4）：?10-12.

[4]?盧時平.?國外規模最大的二家剪、折板機制造廠商的概況介紹[J].?裝備機械，?1991，?2（2）：?60-63.

[5]?王曉斌.?基于PLC的開卷校平生產線設計與實現[D].?大連：?大連理工大學，?2014.

[6]?尹剛.?基于PLC的變頻調速電梯系統設計[D].?武漢：?沈陽工業大學，?2008.

[7]?黃永紅，?吉裕暉，?楊東.?PLC控制電機變頻調速試驗系統的設計與實現[J].?電機與控制應用，?2007，?34（10）：?40-43.

[8]?鄧則名，?程良倫，?謝光漢.?電器與可編程控制器應用技術[M].?3版.?北京：?機械工業出版社，?2008.

[9]?王大慶.?可編程控制器原理及系統設計[M].?北京：?清華大學出版社，?2004.

[10]?楊后川，?張學民，?陳勇.?SIMATIC?S7-200可編程控制器原理與應用[M].?北京：?北京航空航天大學出版社，?2008.

[11]?張松順，?謝汝生.?通過USS協議實現變頻器的PLC控制[J].?工業儀表與自動化裝置，?2001，?3（2）：?39-41.

[12]?佟富強.?單向拉伸聚乙烯薄膜應力-應變曲線的分析[J].?高分子材料科學與工程，?2003，?19（2）：?188-189.

[13]?何晨.?包裝用聚乙烯吹塑薄膜抗拉強度測量結果不確定度的評定[J].?川化，?2013（4）：?42-44.

[14]?韓戰濤.?西門子?S7-200?PLC編程與工程實例詳解[M].?北京：?電子工業出版社，?2013.

[15]?柴瑞娟，?陳海霞.?西門子PLC編程技術及工程應用[M].?北京：?機械工業出版社，?2006.

[16]?都曄凱.?PLC模擬量模塊與變頻器在同步收卷設備上的應用[J].?職業，?2012（11）：?102.

[17]?原魁，?劉偉強，?鄒偉，?等.?變頻器原理與應用教程[M].?北京：?冶金工業出版社，?2005.

[18]?吳志敏，?陽勝峰.?西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應用教程[M].?北京：?中國電力出版社，?2009.

[19]?魏蕾.?基于PLC及變頻調速器的多電機控制研究[D].?大連：?大連交通大學，?2009.

[20]?楊興瑤.?電動機調速的原理及系統[M].?北京：?水利電力出版社，?1979.

Design?of?Control?Scheme?for?PE?Roll?Decoiler

LI?Qingqing，?TONG?Heting，?HU?Yujing

（School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China）

Abstract：??In?order?to?improve?the?level?of?automation?and?productivity?of?fluid?bag?and?increase?the?economic?efficiency?of?the?enterprise，?this?paper?studies?the?roll?decoiler?of?PE?bag?cutting?equipment，?analyzes?the?structure?and?working?principle?of?the?decoiler，?designs?the?control?scheme?of?the?system，?and?introduces?the?main?program?of?the?system.?The?control?system?is?based?on?Siemens?S7-200?PLC?as?the?controller，?according?to?the?detection?of?tension?sensor?data?control?frequency?converter.?The?scheme?can?meet?the?speed?following?control?between?the?feeding?machine?and?the?storage?machine，?improve?the?efficiency?of?the?decoiling，?satisfy?the?beat?requirement?of?the?PE?material?cutting，?solves?the?problem?of?easy?damage?of?the?PE?material?when?dragging?and?provides?sufficient?PE?material?reserve?for?the?subsequent?cutting?process.?It?provides?a?theoretical?basis?for?the?realization?of?PE?cutting?equipment，?and?has?high?practical?value.

Key?words：??PE?roll;?decoiler;?programmable?controller;?frequency?converter;?speed?following