基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

楊冬偉

摘 要：本文將圍繞雙刀切紙機(jī)運(yùn)行原理進(jìn)行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及應(yīng)用路徑，以此將設(shè)備運(yùn)行誤差控制在0.5mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞：雙刀切紙機(jī);電氣控制系統(tǒng);伺服控制

引言

伺服控制是指對(duì)物體運(yùn)動(dòng)位置、速度等變化量進(jìn)行有效把控，能夠進(jìn)一步提高控制精確度，滿足我國(guó)高標(biāo)準(zhǔn)加工需要，將其運(yùn)用在雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能簡(jiǎn)化操作流程，降低產(chǎn)品誤差。為了確保后續(xù)提出的設(shè)計(jì)方法更具有針對(duì)性與實(shí)用性，首先要對(duì)雙刀切紙機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行深入了解。

一、雙刀切紙機(jī)運(yùn)行原理

雙刀切紙機(jī)是指紙張的二次加工裝置，能夠?qū)⒕砬蟮木硗布堖M(jìn)行剪切加工，使其滿足平常紙的規(guī)格要求，該設(shè)備具有兩組送紙輥裝置以及切刀輥裝置，能夠利用雙重固定轉(zhuǎn)刀以及送紙、切紙裝置，實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)。并且切紙機(jī)的生產(chǎn)能力極強(qiáng)，機(jī)械組成相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)縱切結(jié)構(gòu)，對(duì)紙幅進(jìn)行縱向分切，并將分切后的紙張分別送入1、2號(hào)切紙輥，再由送紙輥電機(jī)將其進(jìn)行不同規(guī)格的裁切，最終送入接紙臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整理與打包。

以某地方城市造紙企業(yè)所采用的切紙機(jī)設(shè)備作為分析對(duì)象，該裝置的數(shù)據(jù)參數(shù)如下：最高車速在110m/min左右，幅寬在2400mm，退卷裝置能夠一次放置6卷原紙卷，送紙輥直徑為500mm，切紙輥直徑為400mm，而減速器的減速比為19.2，切長(zhǎng)要求為700mm～1300mm，誤差率大約在0.4mm左右[1]。

二、基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

1.確定控制方案

根據(jù)上述雙刀切紙機(jī)的工作原理可知，切紙機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下送紙輥需要由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠完成連續(xù)送紙并旋轉(zhuǎn)切紙，切刀輥每旋轉(zhuǎn)一周便可完成一次切割，且每次切紙的長(zhǎng)度與送紙輥的轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此可得出二者的存在關(guān)系公式為：

V=L·n/1000，其中V代表送紙速度，單位為m/min，n代表刀輥轉(zhuǎn)速，單位為r/min，L代表切紙長(zhǎng)度，單位為mm。當(dāng)切紙長(zhǎng)度得到預(yù)先設(shè)定后，便可判斷n與V呈線性關(guān)系，此時(shí)需設(shè)定不同切紙長(zhǎng)度得到不同的比例系數(shù)，反之，只要做好比例系數(shù)的控制，那么便可獲取不同的切紙長(zhǎng)度。為了達(dá)到此類控制效果，需要借助伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)良、準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基于伺服控制系統(tǒng)的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)對(duì)切紙機(jī)進(jìn)行伺服控制，利用變頻器以及交流電機(jī)對(duì)切紙輥進(jìn)行速度把控。此時(shí)只要將紙張以線速度送入切紙輥的伺服系統(tǒng)中，使其作為主輥速度，便可充分發(fā)揮伺服系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)快、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，切實(shí)滿足切紙機(jī)控制工藝需要[2]。

2.硬件設(shè)計(jì)

為了確保雙刀切紙機(jī)能夠進(jìn)一步提高控制精度，需要在電氣控制系統(tǒng)中采用可編輯邏輯控制器作為控制單元，將變頻裝置作為1號(hào)送紙輥以及2號(hào)送紙輥的驅(qū)動(dòng)單元，將伺服驅(qū)動(dòng)器作為1號(hào)切紙輥與2號(hào)切紙輥的驅(qū)動(dòng)單元，并采用交流伺服電機(jī)提供電源，將觸摸屏作為人機(jī)界面，此時(shí)操作人員便可通過(guò)通信協(xié)議與變頻器完成通信，并利用MOD通信協(xié)議與切紙輥驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

PLC控制器主要負(fù)責(zé)完成外部電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)的輸入，同時(shí)也能完成張力投入確認(rèn)信號(hào)、切刀聯(lián)動(dòng)信號(hào)、電機(jī)狀態(tài)信號(hào)的傳輸，因?yàn)榭删庉嬤壿嬁刂破髋c送紙輥?zhàn)冾l器均采用USS通信，與伺服驅(qū)動(dòng)器則采用MOD通信協(xié)議，所以驅(qū)動(dòng)單元的速度給定以及速度反饋等數(shù)據(jù)可以利用總線通信的形式進(jìn)行控制。

在送紙輥方面需要利用變頻器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)處理，而送紙輥電動(dòng)機(jī)則要采用三相交流電動(dòng)機(jī)，由于送紙輥本身允許一定程度的速度波動(dòng)以及數(shù)據(jù)偏差，因此利用速度控制可以切實(shí)滿足應(yīng)用需要。此外，系統(tǒng)需要通過(guò)切長(zhǎng)計(jì)算以及切長(zhǎng)誤差反饋，完成進(jìn)程標(biāo)識(shí)符的計(jì)算以及處理，能夠在跟隨送紙輥速度的前提條件下，實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償值的輸出，以此達(dá)到控制切紙輥降低誤差的目的，同時(shí)變頻器可以利用USS實(shí)現(xiàn)與可編輯邏輯控制器的通信，而送紙輥上的編碼器可以將檢測(cè)到的速度數(shù)據(jù)傳遞到變頻器模塊中實(shí)現(xiàn)速度的反饋，進(jìn)而形成速度閉環(huán)控制。

而在切紙輥驅(qū)動(dòng)器方面則采用了伺服驅(qū)動(dòng)器，功率設(shè)置在11KW左右，該驅(qū)動(dòng)器需配置多路數(shù)字量輸入以及多路數(shù)字量輸出，可以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)、編碼器反饋信號(hào)的輸入，也能利用通信端子支持通信協(xié)議。至于交流伺服電動(dòng)機(jī)則需配備高精度增量型編碼器，要求設(shè)備輸出端與驅(qū)動(dòng)器輸入端連接，形成閉環(huán)控制，以此保證伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)行，確保編碼器具備極強(qiáng)的抗干擾性以及可靠性。

3.軟件設(shè)計(jì)

可編輯邏輯控制器屬于雙切刀伺服系統(tǒng)的核心組成，電氣控制系統(tǒng)可采用CPU226PLC控制器，編程工具則使用WIN。系統(tǒng)編程語(yǔ)言為梯形圖，可以利用模塊化完成子程序功能的設(shè)計(jì)。比如送紙輥控制程序、伺服驅(qū)動(dòng)器控制程序、通訊程序、輔助功能程序等。其中1號(hào)送紙輥程序需要借助安裝在導(dǎo)輥編碼器上的方式，實(shí)現(xiàn)伺服速度的測(cè)定與采集，而編碼器則可以收集紙幅線速度信號(hào)，之后通過(guò)送紙輥?zhàn)冾l器端口借助通信協(xié)議傳遞到可編輯邏輯控制器當(dāng)中，再將反饋的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列計(jì)算，從而獲取紙幅的實(shí)際線速度。同時(shí)PLC還能夠?qū)⒕€速度數(shù)據(jù)通過(guò)送紙輥完成既定值的比較，從而找出可能存在的偏差，再通過(guò)PID實(shí)現(xiàn)修正給定值的輸出，借助USS通信協(xié)議將速度給定值賦予到變頻器當(dāng)中，從而達(dá)到控制送紙輥轉(zhuǎn)速的目的，形成閉環(huán)控制。而操作人員也可以利用人機(jī)界面進(jìn)行送紙輥給定數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)與修正。

伺服驅(qū)動(dòng)器的控制系統(tǒng)能夠完成設(shè)備的啟動(dòng)與停止，可以依照伺服驅(qū)動(dòng)器的工作特點(diǎn)完成程序編寫，能在延時(shí)一秒之后以及暫停凸輪功能6秒時(shí)使伺服電機(jī)拖動(dòng)切紙輥找尋切點(diǎn)，并在暫停時(shí)間之后啟動(dòng)凸輪功能，開始切割作業(yè)。具體的切紙輥控制流程為：驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)→伺服使能延時(shí)一秒→原點(diǎn)回歸→凸輪運(yùn)行→停機(jī)。

在切長(zhǎng)設(shè)定系統(tǒng)中，PLC控制器能夠與人機(jī)界面完成通信傳輸，在操作過(guò)程中，技術(shù)人員可利用人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)切刀輥的切入寫入，將切長(zhǎng)存放在可編輯邏輯控制程序中，利用MOD通信協(xié)議與伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將切長(zhǎng)寫入到驅(qū)動(dòng)器參數(shù)中，具體的切長(zhǎng)設(shè)定程序流程可分為：控制器啟動(dòng)→參數(shù)初始化→從觸摸屏寫入切長(zhǎng)→判斷切長(zhǎng)變化→寫入驅(qū)動(dòng)器參數(shù)→停機(jī)。

4.控制調(diào)試

伺服驅(qū)動(dòng)器需要采用位置控制模式實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的操作，在調(diào)試時(shí)要對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確保設(shè)備自帶的程序軟件能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出波形的查看，利用位置調(diào)節(jié)方法以及速度環(huán)參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低切長(zhǎng)誤差。若切長(zhǎng)誤差數(shù)值最小，則證明系統(tǒng)處在最佳運(yùn)行狀態(tài)，可停止參數(shù)調(diào)節(jié)。而啟動(dòng)器的位置控制模塊需要采用比例控制法，即在位置環(huán)上設(shè)定比例參數(shù)。而對(duì)速度控制單元?jiǎng)t主要利用積分控制法，即設(shè)置PID比例參數(shù)，由于速度環(huán)的響應(yīng)性能遠(yuǎn)高于位置環(huán)，因此為了確保系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，減少滯后現(xiàn)象，需要在調(diào)節(jié)速度環(huán)參數(shù)后，才可調(diào)節(jié)位置環(huán)的比例參數(shù)，具體的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置為：控制模式，設(shè)定值為1-位置模式;DI1邏輯選擇，設(shè)定值為0-低電平有效;DI4功能，設(shè)定值為32-原點(diǎn)回歸使能;橫切功能原則，設(shè)定值為1-飛剪;訂單1剪切長(zhǎng)度，設(shè)定值需要依照現(xiàn)場(chǎng)總線通信進(jìn)行設(shè)定。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)雙刀切割機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)軟件、硬件的設(shè)計(jì)方法以及具體的應(yīng)用路徑，以此保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，提高加工質(zhì)量，滿足用戶多元化的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天利.雙刀切紙機(jī)的負(fù)荷分配[J].中國(guó)造紙，2020，34（11）：45-47.

[2]孫振強(qiáng).雙刀切紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)[J].湖南造紙，2020（04）：31.