黃笑祥，季徐慶

(杭州朝陽(yáng)橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

在輪胎制造行業(yè)中，斜裁是生產(chǎn)帶束層以及鋼包等制品的主要設(shè)備，一般由導(dǎo)開(kāi)裝置、遞布裝置、裁斷裝置、接頭裝置、動(dòng)力輥裝置、貼膠片裝置、膠片剝離裝置、卷取裝置等組成。

制品經(jīng)過(guò)貼膠片裝置時(shí)，需要貼敷有塑料紙的膠片。同時(shí)膠片上的塑料紙由塑料紙剝離裝置取走。在原有的設(shè)備中，通過(guò)包邊處壓輥將塑料紙剝離，且一旁的壓縮空氣吹至空曠處。這樣的生產(chǎn)方式會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)塑料紙雜亂無(wú)章且無(wú)法回收利用。由于壓縮空氣屬于二次能源，增加生產(chǎn)成本。

隨著交流變頻技術(shù)越來(lái)越成熟，變頻器系統(tǒng)因其生產(chǎn)效率高、維護(hù)成本低，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文利用西門子PLC和三菱變頻器轉(zhuǎn)矩控制方式，設(shè)計(jì)一種塑料紙剝離裝置。通過(guò)公式推導(dǎo)建立起塑料紙長(zhǎng)度與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該設(shè)備能將塑料紙有序回收，同時(shí)回收的塑料紙能夠重復(fù)利用到現(xiàn)場(chǎng)，滿足生產(chǎn)和工藝要求。

1 剝離塑料紙裝置的設(shè)計(jì)

1.1 剝離塑料紙裝置機(jī)械組成部分

剝離塑料紙裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由交流電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)、軸承座、卷軸、輸送帶、凹凸鐵片等組成，如圖1所示。其中交流電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速機(jī)相連，通過(guò)卷軸將塑料紙卷曲回收。

1.2 剝離塑料紙裝置電氣組成部分

剝離塑料紙裝置電氣結(jié)構(gòu)主要由西門子S7-400系統(tǒng)、交流電機(jī)、按鈕、急停按鈕、三菱變頻器、接近開(kāi)關(guān)等組成。系統(tǒng)中以西門子 S7-300作為Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線主站提供與ETS200S分站模塊直接通訊而便利的高速循環(huán)通信服務(wù), 通訊速率高、控制適時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)且編程簡(jiǎn)單[1～2]。

圖1 剝離塑料紙裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

在S7-300系統(tǒng)中，需要對(duì)硬件進(jìn)行選型及組態(tài)。在選型中，采用ET200S電源模塊1塊，ET200S 4DI的輸入模塊1塊，ET200S 4DO數(shù)字量輸出模塊1塊，ET200S 2AO模擬量輸出模塊1塊。在該套設(shè)備中，需要用到3個(gè)輸入點(diǎn)，2個(gè)輸出點(diǎn)，以及1個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。具體功能如表1所示。

表1 模塊輸入輸出點(diǎn)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分, 其一為PLC控制程序的設(shè)計(jì),其中包括硬件選型、系統(tǒng)Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、邏輯程序設(shè)計(jì)等；其二為扭矩給定數(shù)學(xué)模型建立及程序編寫；其三為三菱變頻器扭矩控制參數(shù)設(shè)定及控制回路。

2.1 PLC控制程序的設(shè)計(jì)

剝離塑料紙卷取裝置控制原理如下：PLC根據(jù)生產(chǎn)線啟停信號(hào)，對(duì)變頻器的使能進(jìn)行控制。通過(guò)接近開(kāi)關(guān)與凹凸鐵片產(chǎn)生的脈沖數(shù)檢測(cè)，由PLC計(jì)算出當(dāng)前卷曲塑料紙的長(zhǎng)度。當(dāng)卷軸裝滿時(shí)，通過(guò)按鈕對(duì)其計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行復(fù)位。由于不同規(guī)格塑料紙寬窄不一，通過(guò)上位機(jī)畫面設(shè)定PLC計(jì)算出的扭矩的系數(shù)。具體原理圖如圖2所示。

圖2 PLC可控制原理圖

在 Step7 管理界面中插入主站“SIMATIC 300 站點(diǎn)”，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CPU315-2DP 拖入機(jī)架的 2 號(hào)槽中，編輯 2 號(hào)槽中的“DP”創(chuàng)建 Profibus-DP 總線；最后在 Profibus-DP 總線上配置從站“ET200S”，ET200S模塊中包含電源模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊及模擬量輸出模塊。以上都完成后，下載硬件組態(tài)[3]。

圖3 PLC硬件組態(tài)

2.2 扭矩給定數(shù)學(xué)模型建立及程序編寫

2.2.1 扭矩給定數(shù)學(xué)模型建立

在塑料紙卷曲過(guò)程中，因?yàn)樗芰霞埖暮穸萪恒定，因此每增加一圈，其周長(zhǎng)也相應(yīng)的增加2πd。而接近開(kāi)關(guān)計(jì)算出的塑料紙總長(zhǎng)度L與每圈的周長(zhǎng)成等差數(shù)列關(guān)系,從而計(jì)算出當(dāng)前總?cè)?shù)n。通過(guò)總?cè)?shù)計(jì)算出當(dāng)前卷軸直徑。

假設(shè)卷軸初始半徑a1，塑料紙長(zhǎng)度L，塑料紙的厚度d，計(jì)算出當(dāng)前圈數(shù)n，當(dāng)前卷軸直徑D，其數(shù)學(xué)模型如下：

由公式1推導(dǎo)計(jì)算出圈數(shù)n：

通過(guò)圈數(shù)n計(jì)算出當(dāng)前卷軸的直徑D：

由于扭矩給定值與當(dāng)前卷軸直徑正比例關(guān)系，假設(shè)扭矩設(shè)定最大值Tmax，扭矩設(shè)定最小值Tmin，塑料紙卷軸直徑最大值Dmax，塑料紙卷軸直徑最小值Dmin，當(dāng)前扭矩設(shè)定百分比X%，計(jì)算出當(dāng)前值扭矩值T。

2.2.2 扭矩給定程序編寫

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），任務(wù)塊通過(guò)編程指令完成各自的任務(wù)。OB1 通過(guò)調(diào)用這些任務(wù)塊來(lái)完成整個(gè)任務(wù)。任務(wù)塊之間有一定的相對(duì)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。其中FC143是整個(gè)控制的邏輯過(guò)程，F(xiàn)C146是直徑計(jì)算程序，F(xiàn)C165是扭矩計(jì)算程序。其整個(gè)程序控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 扭矩控制結(jié)構(gòu)圖

在FC146中，根據(jù)公式（1）（2）（3）進(jìn)行長(zhǎng)度計(jì)，以start作為使能信信號(hào)，reset作為復(fù)位信號(hào)，同時(shí)設(shè)置塑料紙的厚度、卷軸的最小直徑以及每個(gè)脈沖數(shù)的長(zhǎng)度，從而計(jì)算出當(dāng)前直徑，如圖5所示。

圖5 FC146直徑計(jì)算

在FC165中，根據(jù)公式（4）進(jìn)行扭矩的計(jì)算。同時(shí)設(shè)置好扭矩最大值、扭矩最小值、扭矩初始值、直徑最大值、直徑最小值、比例系數(shù)，根據(jù)FC146計(jì)算出的當(dāng)前直徑，進(jìn)行對(duì)當(dāng)前扭矩的計(jì)算，如圖6所示。

圖6 FC165扭矩給定計(jì)算

在生產(chǎn)過(guò)程中，膠片寬窄不一，因此需要工控機(jī)WINCC畫面中設(shè)定比例系數(shù)，將比例系數(shù)用于FC165計(jì)算中，如圖7所示。

圖7 WINCC畫面比例系數(shù)修改

2.2.3 三菱變頻器參數(shù)設(shè)定

由于我們要保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)荷轉(zhuǎn)矩取得平衡時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將為恒定速度。因此轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速是由負(fù)荷決定的。轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，如果電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比電機(jī)負(fù)荷大，電機(jī)將會(huì)加速。為了防止出現(xiàn)過(guò)速度，應(yīng)設(shè)定速度限制值以避免電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)度上升。鑒于扭矩控制的以上功能，我們采用三菱變頻器的實(shí)時(shí)無(wú)傳感器矢量控制的轉(zhuǎn)矩控制。

根據(jù)PLC計(jì)算出的扭矩值，通過(guò)對(duì)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓，連接到三菱變頻器端子1和5中。利用三菱變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能，使塑料紙卷曲時(shí)張力恒定，具體參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 三菱變頻器參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，該控制方法及設(shè)備可以有效的回收塑料紙及降低能耗。該設(shè)備投產(chǎn)后，能獲得較好經(jīng)濟(jì)效益。

塑料紙用量方面：改造前，塑料紙使用量為0.580 kg/條；改造后，塑料紙能夠得到重復(fù)利用，塑料紙使用量降低為0.576 kg/條，可產(chǎn)生效益：(0.580-0.576)kg/條×10元/kg×24萬(wàn)條×12個(gè)月 =11.52萬(wàn)元 /年。

能源方面：改造前，使用氣動(dòng)馬達(dá)卷塑料紙，需壓縮空氣為0.6 MPa，耗氣量為28 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度為1.293 kg/m3，壓縮空氣的價(jià)格為0.168元/kg，一般用減壓閥控制到0.2 MPa，1 h需要1.293 kg/m3×28 m3/h×0.168元 /kg×0.2/0.6 MPa =2.04 元。而使用電機(jī)時(shí)，電機(jī)功率為0.25 kW，而且電機(jī)沒(méi)有全額工作，每小時(shí)只需要0.2 kW.h，電費(fèi)為0.605元，1 h使用電費(fèi)0.12元，平均每臺(tái)一天使用12 h，1年可節(jié)省16 h×(2.04-0.12)元 ×350天=1.07萬(wàn)元/年。

該設(shè)備投入使用后，1年可創(chuàng)造效益12.59萬(wàn)元。

本文基于PLC 與三菱變頻器實(shí)現(xiàn)塑料紙卷曲的控制。該控制系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)成功應(yīng)用于橡膠行業(yè)中的裁斷機(jī)。運(yùn)用結(jié)果表明，不論是塑料紙寬窄、加速、減速、停車都能保證卷曲過(guò)程的平穩(wěn)性以及塑料紙的重復(fù)回收利用。

[1] 廖常初.大中型PLC應(yīng)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 王海鵬. 冷軋重卷卷徑計(jì)算及速度和張力控制策略.自動(dòng)化與儀器儀表 [J]，2015，6，98～99.

[3] 劉東升. 基于PLC與變頻器的恒張力卷繞控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(8)：131～133,147.