自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书

自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书软件设计说明书 1 引言1.1 薄本柔印装订的工艺原理随着人们物质文化生活水平的提高和消费观念的改变，国内包装市场近十年来每年以 20以上的速度增长，其中包装印刷市场的增长更快，而且印刷的质量和品位也在不断的提高。而双纸路双封面印刷作为一种重要的印刷方法，在国外一直有着稳定的发展。近十多年来，随着新技术、新材料的不断出现，特别是包装、装潢和建材工业的发展，给双纸路双封面印刷技术带来更为广阔的发展前景。在软包装的印刷上，双纸路双封面印刷可以说是最好的印刷方式，因为对于作为软包装材料的薄膜(OPP、 PET、NY 等) 、纸张、铝箔和其它多种材料，都能采用双纸路双封面印刷方式，并且能得到适合于层压法等后加工的特性。双纸路双封面薄本柔印装订是一个复杂的控制对象，主要表现在以下几个方面，一是它各环节之间耦合强，常常是一个环节张力发生波动，对其他环节的张力也会造成影响；二是时变性，即对象随着时间的推移不断变化，主要表现在，收放料卷径的不断变化，这给选择控制器造成了很大的难度；三是不确定性。基于以上三种原因，薄本柔印装订控制起来非常复杂，在很长的时间内，薄本柔印装订张力控制系统一直依靠台湾和日本进口。本文就是在以往工作的基础上继续完善双纸路双封面印刷张力控制系统的数学模型，进一步选择适合此类对象的控制方法。本课题的主要工作如下：以交流变频驱动的薄本柔印装订及其张力控制系统为研究对象，通过实验和几何关系重新推导了摆辊检测系统模型，迸一步完善了料卷转径和转动惯量和实时扰动模型。双纸路双封面印刷具有以下优点：自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书2(1)印墨层厚实，图文色彩鲜艳，层次丰富，清晰度高。(2)用无接缝印版，可用于需要连续图案制品(如墙纸)的印刷。(3)印版使用的寿命长，并且具有高速适应性。(4)双纸路双封面油墨的适应性广，可用于多种承印物的印刷。因此，在大批量塑料薄膜或纸张制品印刷，如食品和药品包装、塑料购物袋、家用电器包装等等行业，凹印产品的地位仍然无法替代。1.2 系统设计内容该自定向自动控制真空镀膜系统采用了变频器张力控制系统。这种控制方式的特点是：运行可靠、机械磨损小、控制精度高。采用PLC与变频器自由口通信来实现该自定向自动控制真空镀膜系统，得到一种新型的控制方案。对于本课题的基于PLC及变频器的自定向自动控制真空镀膜系统的软件设计，可采用以S7-200 为核心，配合人机界面（采用触摸屏）、三菱矢量变频器及ABB电机，以及浮动辊上的旋转电位器组成闭环控制系统，触摸屏上编写监控以及参数设定画面，通过RS232/RS485电缆与PLC进行通信，完成各种调整和控制任务。此外，根据课题需求，构建相应的硬件系统，同时编写对应的软件。完成软、硬件的设计及仿真、调试。主要完成以下内容：（1）理解变频器与PLC 的工作原理和性能；（2）推导出浮辊检测系统模型、变频器交流异步电动机传动模型，完善收放料装置的动力学模型、张力模型、收料张力控制模型；（3）在数学模型的基础上，开发出系统控制应用程序。首先采用PID控制器算法为控制策略，来验证模型的合理性，进而总结薄本柔印装订的控制特点；（4）编写出PLC 与变频器自由口通信协议，得出新型的控制方案。本课题需要重点研究的、关键的问题是PLC的设计，S7-200 系列PLC是整个系统的核心。在触摸屏上设定的工作参数，是通RS232/RS485电缆写至PLC的相应寄存器；当机器运行，速度发生变化以及收放卷材料的直径发生变化时。PLC中相应的寄存器数据也写入到触摸屏中，由触摸屏显示出来。系统中主要执行元件的动作均由PLC的输出点控制，PLC 根据设计要求，时刻调整输出指令。S7-200 系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。其出色之处表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集；自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书3（3）易于掌握，便捷的操作；（4）丰富的内置集成功能，实时特性；（5）强劲的通讯能力，丰富的扩展模块。2 自定向自动控制真空镀膜系统设计方案2.1 系统组成方案由图 1 可以看出，整机张力实际上分为四段张力：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。图1 张力系统示意图整机控制采用西门子 S7200 系列 PLC、HITECH 人机界面(触摸屏) 、三菱矢量变频器及 ABB 电机，以及浮动辊上的旋转电位器组成的闭环控制系统。触摸屏上编写了监控以及参数设定画面，通过 RS232/RS485 电缆与 PLC 进行通信，可以轻松地完成各种调整和控制的任务；浮动辊上的电位器检测当前浮动辊位置，亦即张力状况，以OlOV 电压模拟信号反馈给 PLC；PLC 根据任务要求及自身程序，计算出相应输出。在 PLC 的扫描周期内，通过自由口通信读取变频器工作状态，并向变频器发出指令，保证各个电机工作在同步状态下，使张力保持稳定。2.2 PLC控制变频器的调速系统2.2.1 变频器的工作原理自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书4整流电路 直流中间电路 逆变电路控制电路变频器的工作原理是将商用动力电源经过三相全波整流、直流平滑以后，通过PWM(脉宽调制) 方式对逆变电路得半导体开关元件进行开闭，并通过调整输出脉冲的宽度，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，来实现对异步电动机的调速控制。其工作原理如图2所示。交流电 交流电图 2 变频器工作原理框图2.2.2 PLC 控制变频器的原理系统通电以后，PLC 即开始扫描各个输入点的状态，以及检查通信口是否可用。当连接至 PLC 的开关量输入端的 “启动”、 “加速”等按钮依次动作以后，PLC 目 P 根据用户编写的程序，向变频器发送指令。拥有不同通信站号的变频器端检测到通信数据缓冲区的数据发生变化后，在有效等待时间内检验站地址以及 CRC 校验码是否正确，如正确则开始响应，并将响应结果送回给 PLC：否则发回响应故障信号。在 PLC 发送的数据包中，速度指令对应着变频器的模拟量速度指令输入，变频器正是根据这个指令来调整 PWM 控制电路的输出。当工作环境发生变化( 如材料松紧程度、机器运行速度、收放卷的直径大小等)，张力随即改变，浮动辊的位置也发生变化，浮辊电位器反馈给PLC 的电压随之改变， PLC 的 PID 控制器将调整输出指令，变频器也就控制电机作出相应的加减速动作，以恢复张力的平稳。3 张力控制分析自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书53.1 薄本柔印装订各个部分的工作过程3.1.1 放卷部分放卷部分主要由放卷回转架组成。放卷回转架简化示意图如图 5 所示，它由可以在垂直平面自由转动的两个装料轴组成。放卷部分有自己的传动机构，通过调整放卷电机输出频率，可以使放卷的料膜达到期望的速度。旋 转 方 向新 卷 旧 卷初 始 位 置图 5 放卷回转架简化示意图放卷部分的一大特点是可以自动测量新料卷的直径，并在高速印刷过程中进行料卷的不停机自动切换，大大地促进了生产的连续性，提高了生产效率。但料卷在高速自动切换时必然会引起张力的波动，而且由质量和转动惯量都更大的新卷切换小质量和小惯量的旧卷，在控制量的切换上会形成困难，因此它对张力控制系统提出了更高的要求。 具体的自动放卷和自动接料的过程如下：(1)正常供料，新料卷贴上双面胶带，旧料卷快要放完时，让回转架反向转动。(2)定位，当回转架碰上一个固定的光电开关时停止转动，此时回转架转过一个角度，限位开关动作，开关信号送到 PLC 的数字量输入点。自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书6(3)新料卷加速到同步，PLC 程序根据人机界面上设定的新料卷直径，以及当前机组的线速度给定，对新料卷进行加速，加速到与旧料卷同步。(4)接料压辊压下，将旧料膜压在贴着双面胶的新料卷上，新旧料卷同以相近的速度转动，当设定新料卷转动时间到达后，切刀伸出进行切料，加在旧料卷上的控制量也同时被切换的新料卷上。自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书13.1.2 牵引部分牵引部分分为放卷牵引和收卷牵引，料膜以一定的速度平稳的导入双纸路双封面薄本柔印装订生产组；也叫做引入和引出。放卷牵引主要是把收卷牵引则将料膜以一定的速度平稳地导出到收卷装置。牵引部分有自己的传动机构，能在一定的程度上协调系统的张力，使各个环节的张力保持相对恒定。此外，牵引环节还可以缓冲收放卷环节振动时对印刷部分产生的冲击。除此之外，浮动辊、导向辊等也有牵引料膜的作用。3.1.3 印刷部分印刷滚筒采用压印滚筒，结构如图 6 所示。刮 刀压 印 辊 筒墨 盆图 6 印刷部分示意图3.1.4 收卷部分收卷部分与放卷部分大致相同，它们的不同点在于：(1)收卷部分没有也不需要转径自动测量的功能，因为它的新卷直径就是空轴的直径，预先可知，不用测量。(2)收卷部分需要张力的锥度控制，即张力大小随着收卷料卷直径的增大而有规律地减少。对于柔性材料，特别是对张力敏感的薄性材料，应该采用锥度张力控制。若采用恒张力控制，将导致内层料膜的张力矩远小于外层料膜的张力矩，甚至某些部位自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书2出现负值而处于松弛状态，该部分料膜产生褶皱等不良现象，严重影响产品的质量。3.1.5 附属装置薄本柔印装订的附属装置主要包括导向辊，浮辊(亦称浮辊)和一些检测机构。浮辊是最重要的附属机构，如图 7 所示。摆 棍 气 缸图 7 浮辊系统示意图由于本印刷系统没有配备直接的张力检测机构和线速度实时检测机构，使得浮辊在张力控制系统中承担着相当重要的作用。在放卷、放卷牵引、收卷牵引、收卷四个重要的环节上都配备了浮辊，浮辊通过活塞与低摩擦气缸相连，根据料膜印刷所需要的张力要求，在印刷前手工对气缸进行张力设定，该张力值为印刷张力的设定值。一旦气缸的张力被设定，就不会被改变(收卷要进行锥度张力控制除外)。印刷过程中所需要的工作张力通过气缸进行设定，该设定值被反映到浮辊上，张力控制系统根据浮辊检测出来的偏差进行速度补偿，通过控制各个传动环节的电机转速，使得整个生产线上的料膜线速度保持一致，以此实现料膜恒张力控制。4 PLC 与变频器自由口的通信4.1 S7-200 的通信方式S7-200 系列 PLC 的通信口分 3 种工作方式：PPI(Point to Point Interface)方式，Freepon(自由口) 方式和 PROFIBUsDP 方式。其中 PPI 方式主要用于 CPU 与编程计算机的通信；PROFIBUS-DP 用于西门子扩展通信模块 EM277 与其它支持此协议的智能设备通信。自由口通信模式可以实现用户定义的通信协议，连接多种智能设备。本课题为了充分利用 CPU226 的 RS 一 485 通信口，以及省去传统七电机控制方案中的自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书3EM232 模拟量输出模块，使用自由口通信方式连接 PLC 与变频器。4.2 自由口通信方式由于三菱变频器规定了通信协议，S7-200必须遵守该协议才能与之通信。因此在这种情况下，就可以使用S7200的自由端口模式及相关指令按照三菱变频器的通信协议设计程序与之通信。在自由端口模式下，使用发送指令XMT 和接受指令RCV，可以发送和接收数据。使用发送指令XMT将启动自由端口模式下数据缓冲区 (TBL)的数据发送。通过指定的通信端口(PORT)发送存储在数据缓冲区中的数据。使用接收指令 RCV可以接收一个或多个字符，通过指定的通信端口(PORT) 存储在数据缓冲区(TBL)中。4.3 三菱变频器专用协议在自由口模式下，PLC 与变频器通信遵循三菱变频器专用协议。首先，按照变频器通讯规格对变频器参数进行设置。其次通信采用以下步骤：1向变频器发送要求数据；2经变频器等待时间后；3从变频器向PLC发送返回数据；4等待变频器处理事件后；5进行再处理。PLC对变频器进行运行状态监控、运行频率设置、启动、停止等操作。4.4 PLC与变频器的自由口通信PLC S7-200与三菱变频器通信采用 RS485接口的串行方式。 S7-200侧为九针接口，三菱变频器为RS485端子，采用二线式连接，电缆接线如图15所示。TXD+TXD-RXD+RXD-SG3D+8D-5GND图15 PLC与变频器的连接4.4.1 CRC原理与计算方法CRC 检验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个 n 阶的二进制多项式，即 an-1xn-1+ an-2xn-2+ a1x1+a0。如一个 8 位二进制数 10110101 可以表示为：1x7+ 0x6+1x5+1x4+0x3+1x2+0x+1。多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相自定向自动控制真空镀膜系统软件设计说明书4同。多项式的加减法运算以 2 为模，加减时不进位，和逻辑异或运算一致。采