黃建春, 黃威, 王文虎

基于PLC的鋁箔紙復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)改造

黃建春, 黃威, 王文虎

(湖南文理學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

針對(duì)JHML-T1000濕式復(fù)合機(jī)設(shè)備老化、維護(hù)困難、控制系統(tǒng)落后, 且運(yùn)行不穩(wěn)定等諸多問(wèn)題, 對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。系統(tǒng)改造采用模塊化設(shè)計(jì)思想, 以三菱PLC為控制核心, 以異步電機(jī)、變頻器、磁粉制動(dòng)器為拖動(dòng)系統(tǒng), 運(yùn)用張力 PID調(diào)節(jié)和變頻技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、張力變化平穩(wěn)、設(shè)備維護(hù)和升級(jí)改造方便的要求, 提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。

鋁箔紙復(fù)合機(jī); 磁粉制動(dòng)器; 恒張力控制; PID調(diào)節(jié)

1　復(fù)合機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工藝流程

鋁箔紙復(fù)合機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)共分為5個(gè)功能部分: 放卷軸、放卷牽引輥、復(fù)合與印刷輥、收卷牽引輥和收卷軸。

圖1　鋁箔紙復(fù)合機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)雖然由 5大部分組成, 但是各部分密切相連, 從收卷到放卷都采用了恒定張力控制。整體來(lái)看, 系統(tǒng)控制主要是對(duì)各部分的張力調(diào)節(jié), 即印刷料和鋁箔紙與各驅(qū)動(dòng)輥之間的張力控制。系統(tǒng)通過(guò)磁粉制動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)傳動(dòng)力矩, 保證張力的恒定。而對(duì)于復(fù)合、印刷與卷取部分來(lái)說(shuō), 張力的產(chǎn)生主要是因復(fù)合輥、印刷輥和收卷輥之間存在速度上的差異, 這種差異通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)各拖動(dòng)電機(jī)的速度, 達(dá)到速度匹配, 張力恒定的目的。

整個(gè)復(fù)合工藝流程為: ① 放卷, 紙料和鋁箔料由料卷形式展開(kāi)為料帶形式進(jìn)入復(fù)合機(jī); ② 涂布,鋁箔料帶經(jīng)由導(dǎo)輥牽引, 通過(guò)膠水輪進(jìn)行涂布操作, 為下一步貼合操作做好準(zhǔn)備; ③ 貼合, 紙料帶和鋁箔料帶經(jīng)過(guò)貼合座, 在貼合輥與貼合輪壓力作用和膠水化學(xué)作用下, 2種基材貼合在一起, 形成復(fù)合膜; ④ 印刷, 復(fù)合膜經(jīng)過(guò)預(yù)熱和干燥以后, 經(jīng)印刷座, 通過(guò)凹版印刷工序, 形成印刷復(fù)合膜; ⑤ 烘干,印刷復(fù)合膜經(jīng)過(guò)烘箱, 加熱烘干, 形成產(chǎn)品; ⑥ 卷取, 烘干后的成品通過(guò)卷取輥卷繞操作, 形成復(fù)合膜成品料卷。根據(jù)該工藝流程, 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可分為放卷過(guò)程、貼合過(guò)程、印刷和收卷過(guò)程4個(gè)部分來(lái)進(jìn)行。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

改造總體指導(dǎo)思想是設(shè)備機(jī)械部分整體不作大的改變, 而只對(duì)張力檢測(cè)方式、控制方式、執(zhí)行傳動(dòng)方式進(jìn)行系統(tǒng)改造, 以滿足產(chǎn)品工藝要求?？刂葡到y(tǒng)改造前后對(duì)應(yīng)如表1所示。

表1　控制系統(tǒng)改造前后的對(duì)應(yīng)

系統(tǒng)采用觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置, 同時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控, 以PLC作為控制核心, 運(yùn)用PID調(diào)節(jié), 通過(guò)變頻器、磁粉制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)部分的恒張力控制[4-6]。電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)控制和被控部件有: 主控制器PLC完成系統(tǒng)的總體邏輯控制、張力PID調(diào)節(jié)以及觸摸屏的通信; 2套磁粉制動(dòng)器, 根據(jù)收、放卷檢測(cè)的張力值, 按照PI算法, 進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制, 3臺(tái)矢量控制變頻器, 拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行同步控制。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用三菱FX3U-80MR/ ES-A對(duì)變頻器、磁粉制動(dòng)器進(jìn)行系統(tǒng)張力控制。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包含磁粉制動(dòng)器及其控制電路設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)部分。

3.1磁粉制動(dòng)器及其控制電路

系統(tǒng)剎車(chē)制動(dòng)設(shè)備采用了 2臺(tái) ZZ-10型水冷機(jī)座式磁粉制動(dòng)器, 額定電壓 24 V,額定扭矩100 N*m, 激磁電流1 A, 滑差功率8 kw。PLC模擬量輸出模塊輸出的電流信號(hào), 作為磁粉制動(dòng)器的控制信號(hào), 作用于恒流源放大器的控制輸入端, 控制恒流源放大器的電流輸出大小, 剎車(chē)轉(zhuǎn)矩輸出與恒流源輸出成正比, 故可以通過(guò)線形調(diào)節(jié)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線形變化。

圖2　電氣控制結(jié)構(gòu)示意圖

磁粉制動(dòng)器控制電流的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定是恒張力控制的關(guān)鍵。因?yàn)榇欧壑苿?dòng)器是一種感性負(fù)載, 有較大的磁滯反應(yīng), 故不能直接采用PID調(diào)節(jié)。為此設(shè)計(jì)了一種大功率恒流源[4]來(lái)驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器。反饋電流IF和激勵(lì)電流I0的控制關(guān)系為F00FI RI R=, 其中反饋電阻RF= 50 Ω,激勵(lì)電阻R0= 0.5 Ω,輸出電流的最大值可達(dá)2 A (控制器輸出電流為0～20 mA)。因?yàn)镽0的電流較大, 采用了1%金屬膜精密電阻, 其功率不小于5 W。

磁粉制動(dòng)器對(duì)收、放卷過(guò)程張力控制的輸入、輸出信號(hào)流如圖 3所示。其控制過(guò)程為: 張力傳感器檢測(cè)到的負(fù)載張力, 經(jīng)信號(hào)放大器放大后, 輸出到PLC主控制器, 經(jīng)PID運(yùn)算,輸出到恒流源放大器, 以此驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器, 對(duì)張力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。因?yàn)閯x車(chē)轉(zhuǎn)矩輸出與恒流源輸出成正比, 故剎車(chē)轉(zhuǎn)矩輸出也與控制信號(hào)成正比, 通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線形變化。

圖3　磁粉制動(dòng)器張力控制輸入輸出信號(hào)流

3.2PLC控制電路的硬件設(shè)計(jì)

復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入主要包含3個(gè)地啟、停按鈕、各工位限位開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)試時(shí)各開(kāi)關(guān)信號(hào)等共23個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn); 開(kāi)關(guān)量輸出主要包含3臺(tái)電機(jī)控制接觸器、指示燈、變頻器啟停信號(hào)和各電磁閥的開(kāi)關(guān)信號(hào), 共35個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)。模擬量輸入輸出設(shè)備主要包含: 3個(gè)張力檢測(cè)元件、3臺(tái)變頻器BP1、BP2、BP3和2臺(tái)磁粉制動(dòng)器的電流控制器, 共有模擬量輸入3個(gè)點(diǎn), 模擬量輸出5個(gè)點(diǎn)[7]。系統(tǒng)采用三菱FX3U-80MR/ES-A作為核心控制器, 此系列PLC共有40路輸入點(diǎn)和40路輸出點(diǎn),自帶8路高速計(jì)數(shù)輸入端口, 另選購(gòu)2塊FX2N-4DA模擬量輸出模塊和1塊FX3U-4AD模擬量輸入模塊, 用來(lái)控制磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)力矩和變頻器的輸出頻率。系統(tǒng)主要通過(guò)觸摸屏進(jìn)行操作, 在恒張力和恒線速度的情況下自動(dòng)完成收卷、放卷、印刷、復(fù)合的一系列過(guò)程, 同時(shí)也可以在手動(dòng)狀態(tài)下, 通過(guò)對(duì)某些按鍵的操作來(lái)完成系統(tǒng)調(diào)試。

3.3觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)是與設(shè)備進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)交流和發(fā)出控制指令的一個(gè)平臺(tái), 通過(guò)其來(lái)完成中央集中控制和監(jiān)視報(bào)警的目的[8-9]。系統(tǒng)采用英威綸HMI (人機(jī)界面), 利用威綸通EB8000-V4.10組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)共建立了3個(gè)界面系統(tǒng)運(yùn)行操作界面、張力設(shè)定界面和系統(tǒng)監(jiān)視界面, 其中張力PID調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)定與變化曲線的監(jiān)測(cè)有關(guān)。張力設(shè)定界面如圖4所示。其余2個(gè)界面主要是對(duì)應(yīng)PLC的輸入輸出信號(hào)的監(jiān)控。

圖4　張力設(shè)定

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC軟件主要由主程序和報(bào)警、手動(dòng)調(diào)節(jié)、停車(chē)、變速及張力PID調(diào)節(jié)5個(gè)子程序組成。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)主程序流程圖

在主程序流程圖中, 僅在調(diào)試設(shè)備時(shí)才采用手動(dòng)操作模式, 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中都采用自動(dòng)模式操作。變速子程序部分則是通過(guò)比較給定速度與當(dāng)前速度之間的差距, 采用一定的算法, 利用變頻器, 控制主令電機(jī)的速度以漸進(jìn)逼近的方式, 最終達(dá)到系統(tǒng)給定速度。通過(guò)判斷當(dāng)前速度范圍, 將當(dāng)前速度與變速步長(zhǎng)相加, 然后輸出新的系統(tǒng)當(dāng)前速度, 達(dá)到速度平穩(wěn)過(guò)渡的目的。張力PID調(diào)節(jié)子程序是復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)主要控制部分[10-11]。張力反饋值的偏差量e(t)經(jīng)過(guò)張力控制的PID算法處理后, 與PLC輸出的速度同步信號(hào)按照一定比例在張力控制器中進(jìn)行疊加, 作用于變頻器和磁粉制動(dòng)器, 對(duì)系統(tǒng)張力進(jìn)行穩(wěn)定控制。PID調(diào)節(jié)子程序如圖6所示。

圖6　張力PID調(diào)節(jié)子程序

5　結(jié)束語(yǔ)

鋁箔紙濕式復(fù)合機(jī)系統(tǒng)改造采用三菱3U系列PLC為核心控制單元, 通過(guò)變頻器、磁粉制動(dòng)器和觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的有效控制。系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單可靠, 軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用 PID漸進(jìn)式調(diào)節(jié)方法, 采用模塊化設(shè)計(jì)思路, 使得整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)清晰, 極大地方便了以后的設(shè)備維護(hù)和升級(jí)改造。通過(guò)1年多的設(shè)備運(yùn)行表明, 設(shè)備運(yùn)行正常, 性能良好, 達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在此系統(tǒng)中, 由于卷筒、導(dǎo)輥及張力執(zhí)行元件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在, 速度變化帶來(lái)的張力波動(dòng)始終是一個(gè)不可預(yù)料的問(wèn)題, 所以如何減小這些器件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 將速度變化帶來(lái)的張力波動(dòng)減小到可以接受的范圍之內(nèi), 將是今后繼續(xù)研究的一個(gè)課題。

[1] 黃建春, 陳日新. 基于PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī), 2007, 40(8): 82-86.

[2] 戴先中, 劉國(guó)海. 兩變頻調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆同步控制[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2005, 31(9): 890-900.

[3] 汪曉平. PLC可編程控制器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2004: 169-178.

[4] 唐國(guó)蘭, 陳凌珊, 吳云忠. 基于變頻器的張力控制及應(yīng)用[J]. 包裝與食品機(jī)械, 2003, 5: 34-36.

[5] 韓翠艷, 李大綱. 干式復(fù)合機(jī)張力控制的研究[J]. 包裝工程, 2004(4): 184-186.

[6] 鄧忠華, 郭應(yīng)鋒. 套色印刷機(jī)械中恒張力控制策略的研究[J]. 輕工機(jī)械, 2004(3): 15-17.

[7] 周美蘭. PLC電氣控制與組態(tài)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 244-323.

[8] 初航. 三菱FX系列PLC編程及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2011: 322-358.

[9] 錢(qián)宇峰. PLC輸入輸出點(diǎn)數(shù)的簡(jiǎn)化[J]. 電氣時(shí)代, 2014(5): 110-112.

[10] 劉美俊. PLC輸入輸出端的硬件保護(hù)[J]. 電氣時(shí)代, 2012(7): 50-53.

[11] 閆虎民, 張永飛. PLC控制系統(tǒng)中模擬量采集的數(shù)字濾波算法研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新, 2007(4): 136-137.

(責(zé)任編校: 劉曉霞)

Reforming design of control system based on PLC for aluminum foil paper composite machine

Huang Jianchun, Huang wei, Wang Wenhu
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

To solve the problems of the JHML-T1000 wet-type composite machine such as aging, difficult to maintenance, backward of control system and instable when operating, the original system is upgraded after reformed. Using the modular design ideas in the reformed system, MITSUBISHI PLC is used as the control core with the induction motor, frequency converter, magnetic particle clutch as the drive system. And the use of tension PID regulation technology and frequency conversion technology guarantee the system run stably, the tension change smoothly and the convenience of the equipment to be maintained and upgraded or reformed, then the production efficiency of the equipment is improved.

aluminum foil paper composite machine; magnetic particle brake; constant tension control; PID regulation

TP 276

1672–6146(2016)03–0079–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.03.017

黃建春, 402602790@qq.com。

2016-06-06提高[1], 變頻器—交流電動(dòng)機(jī)控制方案取代原有G—M系統(tǒng), 在工業(yè)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。故此, 為了滿足設(shè)備運(yùn)行的要求, 現(xiàn)采用先進(jìn)的變頻器—交流電動(dòng)機(jī)[2-3]拖動(dòng)系統(tǒng), 對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。系統(tǒng)以三菱 PLC為核心, 以異步電機(jī)、變頻器、磁粉制動(dòng)器為執(zhí)行部件, 取代原有的直流電機(jī)控制系統(tǒng), 達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和節(jié)約能源的目的。

上世紀(jì)90年代初, 臺(tái)灣昆山公司生產(chǎn)的JHML-T1000型印刷用的復(fù)合機(jī)大量引入國(guó)內(nèi), 直到現(xiàn)在還在我國(guó)廣泛使用。因當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)還沒(méi)有普遍應(yīng)用到工控領(lǐng)域, 此類(lèi)復(fù)合機(jī)的控制系統(tǒng)采用各種分立和集成元件組成印制板電路, 控制系統(tǒng)復(fù)雜, 完成各種功能的印制板較多, 特別是恒張力調(diào)速系統(tǒng)采取直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng), 簡(jiǎn)稱G—M系統(tǒng)[1]。雖然直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能很好, 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大, 調(diào)速平滑、方便, 調(diào)速范圍廣, 過(guò)載能力大, 能承受頻繁的沖擊負(fù)載, 可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等等諸多優(yōu)點(diǎn), 但G—M系統(tǒng)效率較低, 每一臺(tái)電動(dòng)機(jī)要一臺(tái)發(fā)電機(jī)來(lái)拖動(dòng), 控制系統(tǒng)裝置龐大, 電氣維護(hù)難度很大。同時(shí)設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行20多年, 控制系統(tǒng)各分立元件的可靠性大大降低, 導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中, 張力以及速度的控制不穩(wěn)定, 嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 致使產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量降低, 直接影響生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著矢量控制等多種新型控制策略在變頻器中的應(yīng)用, 變頻器各項(xiàng)技術(shù)性能大幅度