全自動帶胚恒張力成型機PLC控制系統的設計與應用

趙曉明

（青島港灣職業技術學院，山東 青島 266404）

1 成型機組成

全自動帶胚恒張力成型機主要由以下幾大部分組成：壓合機構、主卷取機構、墊布卷取機構、膠片卷取機構、糾偏機構等五大機構組成。基帶和膠布從一側放出，經過壓合輥壓合，在另一側卷取，一般成型線可同時壓合三層或更多層，但考慮到經濟性和實際生產情況，一般最大同時壓合三層。圖1為一側的系統組成示意圖，另一側相同。

圖1 全自動帶胚成型機系統結構圖

（1）主卷取機構。主卷取機構用來收放基帶和生產的帶胚，由變頻電機、重型減速箱和安全卡套組成，主卷取機構由一臺25KW張力變頻器驅動，在卷取帶胚或基帶時提供大小不一的張力控制，以滿足產品的質量技術要求。

（2）墊布卷取機構。墊布卷取機構用來在運行中回收和釋放膠片墊布，主要由變頻電機、減速箱、安全卡套組成，由一臺3.7KW的張力變頻電機驅動，用來卷取墊布時產生相應的張力。

（3）膠片卷取機構。膠片卷取機構用來收放膠片，主要有變頻電機、減速箱、空氣張力控制器、電控比例閥等組成，運行中通過控制空氣壓力，實現膠片上的張力控制。

（4）糾偏機構。糾偏機構由基帶糾偏裝置、膠布糾偏小車裝置組成，基帶糾偏由糾偏電機、糾偏輥、糾偏傳感器組成，用來在壓合前糾偏基帶和對生成的帶胚卷取進行糾偏。糾偏小車用來對壓合前的膠片進行糾偏，保證壓合時各層膠片和基帶居中對齊。

（5）壓合機構。壓合機構主要由工作平臺、壓合輥、導向架、裁邊裝置、貼膠裝置等組成，核心部分為壓合輥，兩層以上的膠片和基帶通過壓合輥被緊密的壓合在一起，生成帶胚。壓合輥由一臺15KW變頻器驅動，壓合輥的轉動速度即為整機的運行速度，其它各機構的速度要根據壓合輥的運行速度進行調節。

2 張力控制原理

全自動恒張力成型機的核心要點在于張力的控制，張力控制由三部分組成：①基帶放卷或帶胚卷取時的張力控制。②膠片放卷、壓合時的張力控制。③墊布卷取的張力控制。

這三部分的張力控制實現的原理方法完全不同。基帶放卷或帶胚卷取時的張力控制，由主卷取機構和壓合機構配合實現，通過張力變頻器對機構速度的控制，實現基帶運行時的張力控制。膠片放卷、壓合時的張力控制由空氣張力控制器和壓合機構配合實現，通過控制空氣壓力的大小來實現膠片放卷時的張力控制。墊布卷取的張力控制由張力變頻器來實現。

全自動恒張力成型機的核心在于張力控制，為了實現系統速度、張力、糾偏的全自動控制，確保張力恒定，我們采用了PLC+變頻器的控制系統。其中主卷取、墊布卷取的張力采用變頻器控制，膠布卷取采用電控比例閥控制的空氣張力控制器，以實現膠布張力的控制。通過主控PLC來實現速度、張力的輸出和控制。

為實現全自動、恒張力控制，我們采用了PLC+張力變頻器的控制系統，以實現全系統速度、張力、糾偏的全自動控制。其中主卷取、墊布卷取的張力采用變頻器控制，膠布卷取采用電控比例閥控制的空氣張力器，來實現膠布張力的控制。通過主控PLC來實現速度、張力的輸出和控制。

在滿足產品實際需求的前提下考慮到設備成本，我們在成型機中采用了PLC+變頻器的開環張力控制系統，通過PLC模擬量模塊輸出0~5V的張力控制信號給變頻器，來實現壓合輥和主卷取、墊布卷取之間的張力控制，通過圈數檢測開關，自動調整張力大小，達到帶胚恒張力的要求，較好的實現了成本和質量的平衡。

采用空氣張力控制器的控制張力模式，通過PLC模擬量模塊輸出0~5V的張力控制信號給電控比例閥，調節壓縮空氣的壓力，實現調整空氣張力控制器張力大小的要求。圖2為成型機張力控制示意圖。

圖2 成型機張力控制示意圖

3 糾偏控制原理

帶胚的糾偏控制是本系統的重點。在帶胚運行中，若沒有糾偏控制，膠片、基地之間的壓合將無法有效完成，帶胚的卷取就無法實現。

糾偏控制系統由基帶糾偏和膠片糾偏兩部分組成，基帶糾偏系統由糾偏傳感器、糾偏電機、糾偏輥組成，主要通過糾偏輥的擺向來完成。當基帶糾偏傳感器檢測到基帶偏移設定位置時，PLC會通過糾偏電機控制糾偏輥偏轉，讓基帶回歸設定位置。膠片糾偏通過糾偏小車的左右擺動來完成。膠片糾偏主要通過糾偏小車的左右擺動來完成，糾偏小車運行時由糾偏傳感器檢測膠片位置，如果偏離設定位置，糾偏小車會向相反方向移動，帶動膠片返回設定位置。通過糾偏裝置的不斷擺動，保證基帶或膠片始終位于設定位置，擺動幅度可達正負2mm。

4 系統硬件設計

張力控制、糾偏控制是該系統的核心，通過比較測試，主導開機構和墊布收放機構采用帶張力控制功能的CIM-350變頻器驅動，選擇此變頻器是因為該型號變頻器具有內置張力控制功能，可實現開環和閉環張力控制，滿足成型機的設計要求，同時具有較高性價比。膠布導開機構采用空氣制動盤驅動，采用0~5V模擬量控制的SMC的電控比例閥來實現膠布收放的張力控制。

為滿足系統需求，主導開機構采用了2臺25KW變頻器，墊布收放機構采用了6臺3KW的變頻器，膠布導開機構采用了6臺空氣制動盤，壓合輥采用1臺普通15KW變頻器控制，并在壓合輥兩端安裝有拉繩位移傳感器，用來實時顯示、調整壓合輥間隙。為了提高系統的響應速度，每臺變頻器額外增加了制動單元和制動電阻。

主控PLC采用三菱FX系列PLC，模擬量模塊采用FX2N-4AD和FX2N-4DA。人機界面采用觸摸屏來實現。糾偏機構采用三菱PLC，配合糾偏傳感器和糾偏電機控制以實現正負2mm的糾偏精度。

為實現帶胚的恒張力控制，需要協調各機構的速度和張力，本系統中，以壓合輥變頻器的輸出速度為基準，由壓合輥變頻器輸出0~5V的速度控制信號同步給各個機構的變頻器，確保系統運行中各機構速度的同步。在操作臺上設有速度控制按鈕，可以增加和減少系統運行速度，壓合輥變頻器的速度由主控PLC通過0~5V的模擬量信號控制。電氣系統總圖如圖3所示。

圖3 電氣系統總圖

5 系統軟件設計

軟件系統分為PLC程序和觸摸屏程序，PLC程序用來實現成型機各機構的驅動和信號接收，觸摸屏程序用來實現人機界面。

主控PLC程序分為南主放卷和北主放卷兩個子系統，每個子系統包含完整的系統流程，各個子系統單獨啟動。

按下啟動按鈕后，PLC要檢測各機構是否處于聯動狀態，如果有任何一個機構沒在聯動狀態，系統會自動停止。檢測處于聯動狀態，系統立即啟動，牽引壓合輥運行，通過操作臺觸摸屏可實時修改牽引壓合輥的運行速度，其他各機構根據壓合輥的運行速度自行調節自身速度參數，以實現整機速度的匹配。各機構的張力值可在觸摸屏上實時修改，系統根據各機構的張力值、速度自行調整。這樣就實現了成型機的全自動化運行。程序包含張力控制、糾偏控制、速度控制、故障檢測、產量統計等功能，并在觸摸屏上實時顯示各類參數值，便于操作人員高效、便捷的操控設備。程序總流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

牽引壓合變頻器的速度控制程序和張力控制程序如圖5所示。

圖5 速度、張力控制程序

6 系統調試及注意事項

本系統調試的難點在于張力控制調試，根據生產運行狀況，合理調整變頻器的參數，使其符合生產要求，并在保證產品質量的前提下，盡可能的提高系統運行速度。

7 系統應用

本系統已在數家輸送帶生產廠家投入使用。從使用情況來看，本系統完全滿足廠家的生產要求，提升了設備的使用率和完好率，既節約了生產成本又提高了產品質量，在輸送帶生產領域具有廣泛的應用前景。