（轻工技术与工程专业论文）基于可编程控制器的分切机控制系统的研究.pdf

摘要 论文题目：基于可编程控制器的分切机控制系统的研究 学科专业：轻工技术与工程 研究生：何军锋 指导教师：赵庆海副教授 何培苏高级工程师 摘要 签名： 签名： 签名： 本课题在陕西北人印刷机械有限责任公司生产的f s d 4 0 0 高速分切机的基础上，考虑 到高档分切机外形简洁、操作方便、性能可靠、效率高等优势，并结合目前世界分切机的 发展趋势，采用可编程控制器和人机界面为控制核心，实现对分切机的放卷、牵引、收卷 电机的同步运动控制，及整机系统的逻辑操作和闭环张力p i d 控制。 课题主要内容如下： ( 1 ) 根据目前国内外分切机控制模式的现状及发展趋势，并结合国产分切机在生产 制造过程中存在的问题，从基本结构、设计思路、收放卷的张力检测及控制、自动化程 度、人性化等方面进行改进。 ( 2 ) 对分切机的主要结构、张力产生及控制原理、影响张力控制的因素、各种收放 卷模式的特点等进行分析，为新型控制系统的设计、研究提供依据。 ( 3 ) 鉴于卷径检测是分切机张力控制中的重要环节，对各种检测方法的原理和检测 精度进行分析比较，选用超声波传感器进行收放、卷的卷径检测。 ( 4 ) 对摆辊和张力传感器的结构、张力检测原理及特点进行分析比较，选用张力传 感器进行收、放卷的张力检测。 ( 5 ) 根据课题要求、确定硬件构成、系统控制框图，并建立p i d 控制模型，用可编 程控制器实现对分切机的闭环张力控制及收、放卷的同步运动控制。 ( 6 ) 利用m a t l a b 中的一维曲线绘图函数p l o t ( x ，y ) 绘出气胀滑差轴的张力特性 曲线、张力特性验证曲线、张力测量曲线。 关键词：张力控制；p i d ；分切机； 可编程控制器；张力传感器；气胀滑差轴； 超声波传感器 塑一 a b s t r a c t 一 t i t l e ：s t u d yo nc o n t r o ls y s t e mo fp l c c o n t r o l l e ds l i t t e r m a c h i n e m a j o r ：l i g h ti n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e ：j u n f e n gh e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f q i n g h a iz h a o s e n i o re n g i n e e rp e i s uh e a b s t r a c t s i g n a t u r e ：3 唑盥竺 s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： t h es u b j e c tt a k e st h eh i g h s p e e ds l i t t e rm a c h i n ef s d 4 0 0a st h eb a s e ，w h i c hi sp i o d u c e d b ys h a a n x ib e i r e nw i t ht h ea d v a n t a g e so fc o m p a c ts t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o n ，r e l i a b l e p e r f o r m a n c ea n dh i g he f f i c i e n c ya n da l s oc o n f o r m st ot h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h ei n t e m a t i o n a l s l i t t e r p l ca n dm a n m a c h i n e i n t e r f a c ea r et h e c o r e so ft h es l i t t e rm a c h i n e ，w h i c hc 觚 s y n c h r o n o u s l yc o n t r o lu n w i n d ，f e e da n dr e w i n da n da l s oc o n t r o lt h es l i t t e rm a c h i n ea tl o g i c a l o p e r a t i o na n dc l o s e l o o pp i dt e n s i o nc o n t r 0 1 t h em a i ns t u d yf o rt h es u b je c t ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fd o m e s t i ca n do v e r s e a ss l i t t c r m a c h i n e ，a n dc o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m se x i s t e di nt h em a n u f a c t u r eo fd o m e s t i c s l i t t e r , w et r yt o i m p r o v et h es l i t t e rm a c h i n ef o ri t sb a s i cs t r u c t u r e ，d e s i g ni d e a ，r e w i n d u n w i n dt e n s i o nc o n t r 0 1 a u t o m a t i o na n dh u m a nn a t u r e ( 2 ) a n a l y z i n gt h em a c h i n es t r u c t u r e ，t e n s i o np r o d u c ea n di t sc o n t r o lp r i n c i p l e f a c t o r st o a f f e c tt e n s i o na n dv a r i o u sm o d e so f r e w i n d u n w i n d ，w et r yt op r o v i d et h eb a s ef o r t h en e w t y p e d e s i g na n dr e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls y s t e m ( 3 ) r e e ld i a m e t e rc h e c k i n gi st h ei m p o r t a n tl i n kf o rt h es l i t t e rm a c h i n e ，s ow ea n a l y z e d a n dc o m p a r e dv a r i o u s c h e c k i n gm e t h o da n dt h e i rc h e c k i n ga c c u r a c ya n dw ec h o s et h e u l t r a s o n i cs e n s o rt oc h e c ku n w i n d r e w i n dr e e ld i a m e t e r ( 4 ) a n a l y z i n gd a n c e rr o l l e ra n dt e n s i o ns e n s o rs t r u c t u r e s ，t e n s i o nc h e c k i n gp r i n c i p l e sa n d f e a t u r e s ，s ow ec h o s et h et e n s i o ns e n s o rt oc h e c kt h eu n w i n d r e w i n dt e n s i o n ( 5 ) a c c o r d i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h es u b j e c t ，w ec o n f i r m e dt h eh a r d w a r es t r u c 眦 s y s t e m a t i cc o n t r o la n de s t a b l i s h e dp i dc o n t r o lm o d e w eu s et h ep l ct os y n c h r o n o u s l yc o n t r o l t h ec l o s e - l o o pt e n s i o na n dr e w i n d u n w i n dm o t i o n ( 6 ) u s i n go n e d i m e n s i o n a lp l o t t i n gf u n c t i o n ( x ，y ) o fm a t b a bt op l o tt h et e n s i o n 西安理工大学工程硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i cc u r v ef o rp n e u m a t i cs l i p s h a f t ，t e n s i o nv a l i d a t i o nc u r v ea n dt e n s i o nm e a s u r e m e n t c u r ，e k e yw o r d s ：t e n s i o nc o n t r o l ，p i d ，s l i t t e rm a c h i n e ，p l c ，t e n s i o ns e n s o r , p n e u m a t i cs l i p s h a f t ， 2 u l t r a s o n i cs e n s o r 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：j 本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名0 垒叠鹭_ ：+ 矽柞，年月厂 日 学位论文使用授权声明 采人生互姿塑在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，i 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、1 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 0 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作砉签名：鳟；：7 导师竹汹庚妇 签逊銎掣矽锣年华月。日 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 随着科技的发展、社会文明的进步，人们对商品包装的要求越来越高，促使近年来 我国包装行业的迅速蓬勃发展，作为配套的分切机在产品的分切及质量控制方面起着关键 的作用，分切是宽幅薄膜生产线或印后加工的最后一道工序，在整个生产流程中占有十分 重要的地位。鉴于我国分切机仍与一些国际的品牌存在着较大的差距，分切机又有其特有 的专一性，我们有责任和义务，从结构及人性化设计、电气控制、生产制造等方面严格要 求，在不断学习国外知名品牌的先进理念的同时，要勇于开拓创新、大胆走出自己的特色， 研制出控制先进、操作方便可靠、更加人性化、外形简洁美观的适合用户的分切机。 1 2 目前分切机的控制水平 目前我国的分切机与一些国际的品牌( 如德国的康普k a m p e 、英国的埃特拉斯 a t l a s 、意大利的铁坦t i t a n 、日本的不- - f u j i 等) 之间仍存在着较大的差距，国内所 生产的分切机自动化水平还停留在中下游水平上，虽说对国内外控制原器件运用已非常普 及，价格也较低廉，但国内分切机厂家在使用时，对分切工艺及材料特性等的理解深度上 远远落后于国外发达国家水平，特别是在控制系统上与分切机的结构、和所分切的物料上 缺乏有机的结合，在这个层面上讲，国产分切机绝大多数还停留在粗线条上，还没有更深 入领会分切机控制系统的严密性和合理性。在科学技术日新月异发展的当今时代，随着现 代包装机械的发展，为满足当代消费者对商品包装多样化、精美化的需要。随之人们对包 装机械的高自动化、人性化及高的安全可靠性等要求也越来越高，伴随着计算机在工业领 域应用的日益广泛和深入，同时将微电子技术、新传感技术、信息处理技术、新工艺技术、 新材料技术及微型计算机等技术的应用迅速渗透到包装机械制造领域，这反映出我国现代 包装机械向高科技水平发展。随着工业控制技术水平的提高，尤其是微电子技术的迅猛发 展，微处理器与可编程控制器等大规模集成电路的广泛应用，将它们与传统工业控制相结 合，加速了工业自动化水平的提高。越来越多的工业控制过程在使用可编程控制器，并在 实时控制方面取得了很好的效果。 以t e m p o 、f u j i 、t e k k o 等为代表的世界先进制造厂商，主要从以下几个方面提高 产品质量和性能： 1 采用f p c ( 灵活方式控制系统) 2 采用对话式键盘操作，同时数据化显示卷取数据， 3 使操作不会因人而异 4 高性能的废边卷绕机构 5 高品质的磨擦传动轴 6 操作方便可靠、更加人性化、外形美观大方 西安理工大学工程硕士学位论文 总之，控制先进、操作方便可靠、更加人性化、高效节能、外形简洁美观是目前分切 机的发展趋势。 1 3 分切机的张力控制方法 张力控制在实际生产过程中，根据调节手段分类，常用张力控制方式又可以分为三种： 手动控制方式、半自动控制方式和全自动控制方式。 ( 1 ) 手动控制：以收卷或放卷卷径的变化而分阶段调整离合器或制动器的激励电流， 从而获得一致的张力，用户必须随时检查被控材料的张力，随时调节输出力矩，这种控制 方式是一种手动开环控制模式，仅适用于一些低速的复合机、印刷机、挤出机、分切机、 卷绕机械等张力控制要求不高的场合。 ( 2 ) 半自动控n - 通过超声波、接近开关或编码器，自动检出卷径，从而调整卷材 张力，根据设定张力大小和料卷当前直径，程序计算实时输出，以调整离合器、制动器的 激励电流或气动制动器的制动气压，从而获得一致的张力，这种控制方式是一种自动开环 控制模式，仅适用于一些中低档的复合机、印刷机、挤出机、分切机、卷绕机械等的放卷 控制。 ( 3 ) 全自动控制：由张力传感器或摆辊检测卷材的张力，从而自动调节离合器、制 动器的激励电流或电机的转速来控制卷材张力的这种方式是张力的全闭环控制。原理上来 讲，此种控制方案控制精度高且能自动减少转速和滚筒抖动等引起的扰动影响；因此，一 些高档的印刷机、高速分切机等机械上大部分采用全自动的张力控制系统，高精度的张力 控制器在张力闭环的同时还要实时检测出卷径，用于模型修正速度或收卷锥度张力控制。 从控制形式上，张力控制系统可分为直接张力控制和间接张力控制。 ( 1 ) 直接张力控制系统 采用张力传感器检测张力的实际值，然后与设定值比较，计算出控制信号，自动 控制执行单元。 ( 2 ) 间接张力控制系统 不采用张力控制器，而是检测与张力有关的量，间接的反映张力，进而进行控制。 1 4 本课题的研究目的和意义 结合目前国内分切机的现状及其与一些国际知名品牌之间存在的较大大差距，并吸取 国内外一些知名品牌制造厂商的控制经验和新的控制思想，从基本结构、设计思路、收 放卷的卷径检测、张力检测及控制、自动化程度、人性化等方面进行改进。采用性能可靠 的可编程控制器和人机界面为控制核心，超声波进行实时卷径检测、张力传感器进行收放 料张力检测，实现对分切机的放卷、牵引、收卷电机的同步运动控制，及整机系统的逻辑 操作和闭环张力p i d 控制，使其电气控制达到国内领先水平。该机的成功研发，标志着我 国中高档分切机的制造技术已经迈上了一个新台阶，尤其接触压辊技术、独特的废边缠绕 系统与主机同步、自动卸料装置、气控滑差轴收卷等几项先进技术概念的引进和应用，对 2 1 绪论 国产设备逐步取代进口设备具有非常重要的意义。 1 5 本课题的主要任务和内容 本课题的主要任务是从新型系统的结构框架、硬件构成、系统的逻辑、速度同步、张 力控制等方面进行较为完整的分析与研究，以可编程控制器( p l c ) 和人机界面为控制核 心实现对分切机的放卷、牵引、收卷的同步运动控制，及整机系统的逻辑操作和闭环张力 控制。其主要内容如下： ( 1 ) 对分切机的主要结构、张力产生及控制原理、影响张力控制的因素、各种收放 卷模式的特点等进行分析，为新型控制系统的设计、研究提供依据。 ( 2 ) 根据所要实现的功能，选用合理的卷径检测、张力检测方法，搭建硬件结构， 进行实验分析。 ( 3 ) 根据课题要求、确定硬件构成、系统控制框图，并建立p i d 控制模型，用可编程 控制器实现对分切机的闭环张力控制及收、放卷的同步运动控制。 ( 4 ) 利用m a t l a b 中的一维曲线绘图函数p l o t ( x ，y ) 绘出气胀滑差轴的张力特性 曲线、张力特性验证曲线、张力测量曲线。 3 2 基于可编程控制器的分切机控制系统的硬件结构及控制设计 2 基于可编程控制器的分切机控制系统的硬件结构及控制设计 本课题在陕西北人印刷机械有限责任公司生产的f s d 4 0 0 高速分切机的基础上采用先进 的自动控制技术，收卷臂和切刀可以高精度自动定位；收、放卷直径可通过超声波传感器 进行实时检测或程序计算，可编程控制器再根据当前卷径计算收卷速度和输出力矩，并输 出相关控制参数对相关辊筒、工位的工作位置、速度和比例等进行控制，加上高精度的机 械加工和传感器反馈系统的高精度运行，从而保证分切复卷的质量。 2 1f s d 4 0 0 高速分切机的主要技术参数 本课题完成后f s d 4 0 0 高速分切机所能达到的主要技术参数如下： 放卷最大直径 由1 0 0 0 m m 收卷最大直径 巾6 0 0 m m 放卷宽度范围 6 0 0 m m - - - 1 3 0 0 m m 收放卷用纸管直径内径巾7 6 m m # b 径巾9 2 m m 分切宽度 5 0 m m - - - 13 0 0 m m 分切精度 0 3 m m 最高机械速度4 5 0 m m i n 最高分切速度4 0 0 m m i n l p c e q 偏精度 0 5 m m 张力设定范围3 - - 3 0 k g 张力控制精度 0 3 k g 放卷电机功率 1 l k w 收卷电机功率 7 5 k w 牵引电机功率 3 7 k w 吹边风机功率0 3 7 k w 机器总功率 2 5 k w 机器外形尺寸 2 5 4 0x4 4 9 0 2 0 0 0 m m 机器重量6 3 0 0 k g 分切材料0 0 1 5 - 0 2 m m 薄膜( b o p p 、p e t 、c p p 、 p e 、p v c 等) 、复合膜、金属化膜、及8 0 9 m 2 以下纸张 2 2f s d 4 0 0 高速分切机走料路线及基本结构 分切机一般都由放卷、纠偏、牵引、分切、收卷压辊、收卷、卸卷、吹边等关键部件 组成，如图2 1 所示 放卷采用上海a b b l l k w 交流矢量变频电机主动放卷，霍尼伟9 4 3 一f 4 v - 2 d 1 c 0 3 3 0 e 超声波传感器检测卷径，三菱l x 一3 0 t d 张力传感器检测张力；牵引采用上海a b b 2 2 k w 交 5 西安理工大学工程硕士学位论文 流矢量变频电机驱动大包角双s 导向辊；收卷采用上海a b b 7 5 k w 交流矢量变频电机驱动 收料上下气胀滑差轴，霍尼伟9 4 3 一f 4 v - 2 d 一1 c 0 3 3 0 e 超声波传感器检测卷径，三菱 l x 3 0 t d 张力传感器检测张力；通过可编程控制器实现各个电机的同步运转控制及张力闭 环p i d 控制 l23s70 图2 1走料路线及基本结构 f i g 2 - 1w e bp a s s i n gr o u t ea n db a s i cs t r u c t u r e 1 放卷2 _ e q 偏3 牵引4 吹边5 分切刀6 收卷压辊7 收卷8 卸料 2 3 系统控制框图 系统的硬件结构及基本控制原理如图2 - 2 所示： 6 2 基于可编程控制器的分切机控制系统的硬件结构及控制设计 图2 2 系统控制框图 f i g 2 2s y s t e m a t i cc o n t r o lb l o c kd i a g r a m 2 4p l c 硬件构成 f s d 4 0 0 高速分切机控制系统p l c 的硬件由电源模块、c p u 、模拟量输入、模拟量输出、 数字量输入以及数字量输出等模块组成，电源模块用来向c p u 和模块提供电源，c p u 模块 和模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入以及数字量输出等模块都安装在元件底 板上，人机界面通过r s 2 3 2 通讯电缆与c p u 连接通讯，p l c 硬件组成见图2 3 ： 7 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 3 p l c 硬件模块组成图 f i g 2 3d i a g r a mo fh a r d w a r em o d u l e 2 5 系统基本硬件构成 根据新型分切机控制系统所要实现的功能，本课题的基本硬件构成如表2 - 1 所示表 表2 - 1 基本硬件配套表 c h a r t 2 1b a s i ch a r d w a r ek i t 序号名称型号数量附注 c p u 底板( 8 槽) c 2 0 0 h ，b c 0 81lo m r o n 电源模块 c 2 0 0 h 、 l p a 2 0 4 s1o m r o n 可 c p uc 2 0 0 h x c p u 4 41o m r o n 编 存储器 c 2 0 0 h w r - m e 0 4 klo m r o n 1程 数字量输入摸块( 1 6 点) c 2 0 0 h i d 2121o m r o n 控 数字量输入摸块( 8 点) c 2 0 0 h i d 21 11o m r o n 制 数字量输出摸块( 1 6 点) c 2 0 0 h o c 2 2 51o m r o n 器 数字量输出摸块( 8 a ) c 2 0 0 h o c 2 2 41o m r o n 模拟鼍输入摸块( 8 通道) c 2 0 0 h a d 0 0 31o m r o n 模拟量输出摸块( 8 通道) c 2 0 0 h d a 0 0 3lo m r o n 占空单元 c 2 0 0 h s p 0 0 12o m r o n 2 人机界面( 单色5 7 寸) d o p a 5 7 b s t d1台达 3 张力传感器 l x 0 3 0 t d2 日本三菱 4 张力显示表l m p c2日本三菱 8 2 基于可编程控制器的分切机控制系统的硬件结构及控制设计 5超声波传感器( 检测范围5 0 6 0 0 m m ) 9 4 3 一f 4 v - 2 d 1 c 0 3 3 0 e2 h o n e y w e l l 放卷变频器( 1 l k w ) c i m r g 7 a 4 011 + p g b 21 日本安川 6 变频器收卷变频器( 7 5 k w ) c i m r g 7 a 4 7 p 5 + p g b 21 日本安川 牵引变频器( 3 7 k w ) c i m r g 7 a 4 3 p 7 + p g b 21 日本安川 7电气比例阀 i t v 2 0 5 0 312 l2 日本s m c 放卷电机( 1 1 k w )q a b p 1 6 0 m 4 a 1 上海a b b 8 电机 收卷电机( 7 5 k w )q a b p 一13 2 s 4 a 1上海a b b 牵引电机( 3 7 k w )q a b p 一1 0 0 l 4 a 1 上海a b b 9 编码器( 6 0 0 脉冲转) e 6 c 2 c w z 5 b 3 o m r o n 2 6p l g 电气连接图 数字量输入模块主要连接整机的外部操作按钮、旋钮及计长输入等，主要有开机预警、 主机启动、主机停止、主机加速、主机减速、急停及接触压辊等外部控制输入，见图2 4 ： l5ls l 6 一l 一 上i 嗤甜压 川 s 刚 )翳 莓 上射嘿舡 确嗤甜压 i 可 主杠启看 1 1 1 1 1 1 2 一! 竺_1 姒l 舡 i 1 i _ 1 2 ，主瓤謦土 1 1 1 2 1 3 m 山s 盯 蝴 ) i 城 i h 1 1 1 3 i 1 1 4 山s b t i 棚隧 2 1 1 h 1 d 2 1 1 1 1 1 * 1 5 1 1 5山s b 5 ， 椒甜1 1 1 5 懒i 町 1 1 1 6 i 面i 1 1 1 6 一l 一 甘雠鞋 i i i h 2 1 l h 1 0 2 1 2 1 1t t l l 女开关1 1 1 7 m t 榭 ( o 1 1 8 s 2 l 1 9 坐山 l l t w f , 驿 1s t 井壤l 雅 1 1 1 i：，_ _ l s o t 般雅 1 1 ，j 1 1 1 2 1 1 3s n 6 1 1 1 3 t c ，一 燃 1 1 1 4 1 1 1 5 ( 0 h 图2 _ 4p l c 数字量输入 f i g 2 _ 4 p l cd i g i t a li n p u t 9 西安理工大学工程硕士学位论文 数字量输出模块主要连接整机的外部控制输出，主要有放卷电机使能、牵引电机使能、 收卷电机使能、绕边电机使能、牵引电机制动、放卷电机制动、吹边风机控制、油泵电机 控制、上下接触压辊离合压控制、自动卸卷控制及运行状态指示等外部输出，见图2 5 ： l l l 3【3 2 3 1 1 w 1 几 1 2 纠电机蕞盏 1 3 i i ) 狲誓槛 2 1 i川 出品 ，上l i 黼船( 0 m1 3 1 1 3 1 2 y ”n 丙 ) 【接耀诈 2 1 2 1 11 3 1 2 2 牧抖电董烂 m 昌 ，椭锻 c o h 1 3 1 3 3 i y 惦几丙 ) 砉轴定位 - 2 1 2 1 2 1 21 3 l c o h 2 1 2 牵i l 电机雌 m 出 下黼 1 3 1 5 3 1 6 _ ”n 丙 ， t 接雠稚 着摸块 2 盱 着模姨 1 2 1 3 i j l 6 1 1 2 c hi i x h 贳矗 ， 下 2 1 3 j l 电枉雌 2 1 1 h 0 ( 2 2 4 ( o h ( 2 1 1 h 0 2 2 5 1 3 1 7 上压科楹雒 2 1 3 1 8 冀 ) 下压撇压 1 2 1 4 利e 机惭 i 2 1 3 ( 0 h i l l 9 2 i s 旦出 1 黜示 1 2 1 5 互二1 盐砉电机制动 1 3 1 i ( 0 h 1 3 1 1 旦甜 ) 停止貅 1 2 1 6 2 ) 吹迪控制 1 3 1 2 j 呜垂 0 1 3 1 3 粥川啭： j i 榭 1 2 1 7 2 1 7 k r l m 4 一躲洲1 3 1 ” 丙拦 ) j i 懈 c o hi3 1 5 兰圆_ 毒停躲 o h 图2 5p l c 数字量输出 f i g 2 - 5 p l cd i g i t a lo u t p u t 模拟量输入模块主要连接收卷和放卷卷径检测的超声波传感器、收卷和放卷张力检测 信号输入；模拟量输入模块主要输出各个电机的速度给定、绕边电机的力矩给定、上下 气胀滑差轴的张力给定等，见图2 6 ： l o 2 基于可编程控制器的分切机控制系统的硬件结构及控制设计 图2 6p l c 模拟量输入输出 f i g 2 - 6 p l ca n a l o gi n p u t o u t p u t 2 7 本章小结 分切机的机械结构和电气控制与其他印刷包装设备一样，包括收、放卷和牵引，都要 进行卷径检测和张力检测，通过可编程控制器进行同步运转控制和张力闭环p i d 控制，具 有启动、停止、加速、减速、点动、急停、计长、定长停车等功能，本课题根据f s d 4 0 0 高速分切机的主要技术参数及具备的功能，选用o m r o n 的c 2 0 0 h x c p u 4 4 为控制核心， 与台达的d o p a 5 7 b s t d 人机界面进行通讯，实现参数的设定和显示，超声波检测卷径、 张力传感器检测张力。 本课题采用了电脑触摸屏及p l c 全自动控制技术，电机主动放卷、张力传感器检测张 力构成闭环p i d 张力控制，以其优良的机械性能与合理而先进的电气配置，能够满足多种 西安理工大学工程硕士学位论文 规格薄膜与纸张的高速分切要求。收料轴采用国际先进的气胀滑差技术；表面接触压辊可 以根据需要调整出合理的接触压力，还有与主机同步的废边缠绕技术等。 1 2 3 张力检测方式选择与张力控制 3 张力检测方式选择与张力控制 分切机的张力检测与控制和其他印刷包装设备一样，包括收、放卷和牵引，但区别在 于分切机通过分切刀后要在上、下两个轴上卷取，由于分切宽度、材料薄厚的不均匀，张 力各不相同，因而一般要用机械滑差轴或气胀滑差轴进行分段张力控制。 3 1 张力产生机理 所谓张力就是通过材料的变形而产生的张紧力，如该变形在材料的弹性变形范围内， 那么在自然状态下材料可以恢复，如超出了弹性变形范围，则对材料内部结构产生了破坏， 不能恢复，由此可以看出不同的材料有不同的张力设定范围。承印材料在运动过程中，稳 定的张力可使走料平稳、不易起皱、易于分切和收卷、废品率低。 下面通过简单图示来说明张力产生机理 如图3 1 所示，料膜由前一主动辊送出，其线速度为嵋，第二主动辊的线速度为吃， t 为料膜卷入第二主动辊的张力，设料膜的弹性模量为e ，横截面积为a ，两主动辊之间 的长度为l ，2 v 7l 为料膜由前一主动辊到达第二主动辊的时间，根据胡克定律得： 123 图3 - 1 张力产生示意图 f i g 3 1s k e t c ho ft e n s i o np r o d u c e 1 驱动辊2 胶辊压辊3 驱动辊 丁= 竽，。7 一d r ( 3 1 ) 由此可知，若需控制料膜张力，就必须控制( y z y t ) ，即两环节速度差，可见有些 张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。 3 1 1 导致张力变化的原因n 1 在实际包装工业使用过程中，由于张力控制的多样性、复杂性、综合性等原因，实际 张力会产生波动，综合分析产生张力波动的原因如下 1 料卷在收、放卷过程中，收卷和放卷直径是不断变化的，直径的变化必然会引起 料膜张力的变化。放卷在制动力矩不变的情况下，直径减少，张力将随之增大。而收 1 3 西安理工大学工程硕士学位论文 卷则相反，如果收卷力矩不变时，随着收卷直径增大，张力将减小。这是卷绕机构的固 有特性所决定的，也是引起料膜张力变化的主要因素之一。 2 主要构件如底座、墙板、导辊等的制造精度和装配精度存在偏差，使整机产生振 动，而影响张力波动，装配质量、配套件质量等方面的影响。一套完善的张力控制系统是 建立在良好的机械装置之上的，只有保证了机械装置的高精度，高可靠性，张力控制才有 了用武之地，才能锦上添花。 3 某一主动环节速度发生突变，速度差过大引起张力波动，机械负载的波动对电机 速度的影响。在生产印刷过程中，电机的电磁转矩与转轴上的负载转矩及动态转矩是平衡 的，当负载转矩发生了波动，会引起电机速度的变化，产生张力波动并影响分切和收卷。 所以现在电机速度控制都采用闭环控制，提高电机的机械硬度，减小速度的波动。在控制 上，要对整个系统的惯量进行估算，通过惯量补偿及转矩补偿的方法来提高整个系统的动 态性能。 4 系统加、减速特性的好坏，我们知道所有的物体均有惯性，当要改变相应物体的物 理状态时，就必须施力m l - 力，使物体从一种状态变化到另一种状态。在张力控制时，当速 度产生了变化，通过电机驱动来克服传动、执行元件的惯性，并拉动材料来克服各个导向 辊的惯性，当线速度发生变化时，由于转动惯量的影响，使系统张力变的不稳定，所以在 系统加减速时要进行张力补偿、惯量补偿、转矩补偿。 5 张力检测信号的精度及干扰的影响，检测信号的精度直接影响着控制精度，试想张 力的波动不能实时可靠的反映出来，再好的控制系统也无能为力，只有实时、可靠的检测 信号才能保证控制的高精度。张力控制系统是一个多轴联动的系统，内部包含有很强的干 扰源，对检测信号的抗干扰处理是必要的也是必须的。 6 执行元件的滞后及控制器的扫描时间、输入、输出刷新时间的影响。从信号给定 到执行元件执行到位有一定的延时，控制器的输入、输出存在一定的刷新时间，程序的扫 描时间等，对张力的实时控制产生了滞后影响，这些时间都要控制在一个合理的范围内。 7 其它的一些因素引起的张力波动，如料膜内在材质的不均匀性、静电等的影响。 3 2 张力检测 张力检测是闭环张力p i d 控制过程中的重要环节，检测信号的精度直接影响着控制 精度，试想张力的波动不能实时可靠的反映出来，再好的控制系统也无能为力，只有实 时、可靠的检测信号才能保证张力控制的高精度。 3 2 1 常用的几种张力检测方式 常用的张力检测方法有张力传感器检测、摆辊检测、浮动辊检测，其中张力传感器 检测张力是直接检测方法。 1 4 3 张力检测方式选择与张力控制 3 2 1 1 摆辊检测张力 在摆辊检测装置中，摆辊的一个优点是能够存储料膜，它的作用就好比是一个蓄力器、 缓冲器，吸收或隔离了张力的扰动，如图3 2 所示，以放卷摆辊为例介绍摆辊 检测张力的机械结构及受力情况： l 2 图3 2 摆辊的结构 f ig 3 - 2d a n c e rr o l l e rs t r u c t u r e f l 给定张力f 1 、f 2 材料张力d 一摆辊直径 3 2 1 2 摆辊检测张力原理 摆辊检测张力是通过电位器来检测摆辊偏离中心零位( 摆辊自然垂直位置) 的角度， 而间接检测料膜表面张力的大小和变化波动，这个过程需要使用摆辊反馈信号，反馈信号 是摆辊的位置偏差，通过位置偏差来反映张力的波动量。当系统处于平衡状态时，摆辊自 然下垂处于零位，摆辊气缸上的推力与料膜上的张力处于平衡，此时满足下列关系：( 一 般采用进口超低摩擦汽缸，忽略汽缸和机械结构的摩擦，f 。= f 。) ，三l2f l ( 三2 一d ) + ，2 三2 ( 3 2 ) 由f 。= f 。则有： f 三l = 2f l ( 三2 一睾) 么 ( 3 3 ) 如图3 - 3 所示，若系统张力发生波动，摆辊则会水平摆动，此时连接在摆辊摆动轴上 的电位器的电位差则会改变，偏向后极限时为正，说明张力变小；偏向前极限时为负，说 明张力变大。 西安理工大学工程硕士学位论文 后极限 ( + ) 前极取 ( 一) - i p - - i n r 图3 - 3 放卷摆辊前后极限示意图 f i g 。3 3 f o r e | b a c kl i m i tf o ru n w i n dd a n c e rr o l l e r 当系统张力产生了波动，克服机械摩擦阻力，这种平衡被打破，摆辊位置发生了偏 移，摆辊的自重在水平方向产生分力，该分力叠加到料膜张力上，使系统张力产生更大的 波动。机械摩擦阻力包括气缸、摆辊机械装置等的摩擦力，系统在工作时是一个不断的动 态调整过程，机械摩擦阻力对张力检测精度有很大的影响。从以上分析可看出，减轻摆辊 装置的自重、减小机械摩擦阻力是提高张力检测精度的关键。另外摆辊反馈信号应调整到 最高分辨率，过低的分辨率将降低张力调节的总体性能。 对检测出来的张力偏差信号的抗干扰措施：在硬件上选择优良的器件，配备完善的 接地网，单点接地，分隔走线及布线，所有信号线均采用屏蔽线；在软件上，对检测信号 进行滤波，消除错误的检测信号对系统产生的冲击。 3 2 1 3 摆辊检测张力的优缺点 优点：是能够存储料膜，它的作用就好比是一个蓄力器、缓冲器，能吸收或隔离张 力的扰动。 缺点：由于机械摩擦阻力包括气缸、摆辊机械装置等的摩擦力，都会影响张力的检 测精度，另外用电位器检测摆辊的位置偏离，也存在误差，还有摆辊本身的 白重在水平方向产生分力，该分力叠加到料膜张力上，使系统张力产生更大 的波动。 3 2 2 张力传感器检测张力 常用的知名品牌张力传感器有日本的三菱( m i t s u b i s h i ) 、意大利的r e 、德国的f m s 等，张力传感器按照安装方式可分为：轴台式、穿轴式、悬臂式、法兰式等。不同安装方 式的张力传感器可根据检测需要广泛应用在印刷机、分切机、复合机、涂布机等领域。作 为一种直接的张力检测方式，张力传感器的检测精度一般较高，且能给予直接的张力显示， 因而高精度的张力控制系统一般都采用张力传感器进行各个环节的张力检测与显示。 3 2 2 1 张力传感器的结构及工作原理 下面以三菱轴台式l x 0 3 0 t d 型张力传感器为例，简要说明张力传感器的结构及工作 1 6 3 张力检测方式选择与张力控制 原理： l x 一0 3 0 t d 型张力传感器就是通过高精度的差动变压器检出基于负荷造成的弹簧片的 挠度( 约- t - 2 0 0 # m ) 的一种仪器，其额定负荷为3 0 0 n ( 相当于3 0 k g f ) 。 内部结构简图如图3 4 所示： i 荷重 翻船 j嘭 舍 匿 l 一 弹散 j 警 u- 差动麦正暑 l _ j 图3 - 4 三菱台式张力检测器内部结构简图 f i g 3 4i n t e r i o rs t r u c t u r eo fm i t s u b i s h id e s kt e n s i o n - d e t e c t o r 在调试张力传感器时，由于检测辊本身的质量而得到固定的重力负荷，因此必须进行 传感器调零，另外还需调整相对于张力的比例常数进行s p a n 调整，以保持与测定张力成一 定比例输出。 张力传感器如图3 5 所示安装时，材料张力f ( n ) 与检测负荷g d 之间符合下列关系式， m 为检测辊质量： 图3 5 张力检测器受力分析简图 f i g 3 - 5p o w e rr e c e i v i n ga n a l y s e sf o rt e n s i o nd e t e c t o r 1 7 西安理工大学工程硕士学位论文 台d=k of+k mg 其中：k 。= ( s i no l + si n0 2 ) c dsq 。 k=c0sp cos q o g=1 0 聊s 2 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) l ( 0 是根据通纸角o1 ，02 的变化而变化的比例常数，如果向拉伸负荷方向通纸时，为 负值。k = c o sb c o sqo 是随基准角p 变化的比例常数。一般对于宽幅的片材来说，在张力 检测用的辊筒的两侧装有两台张力检测器，两台张力检测器的输出在一个张力计内被合 成，若直接与三菱手动张力控制器( l d 一3 0 f t a ) 、自动张力控制器( l e - 4 0 m t a 、l e - 4 0 m t b ) 、 张力显示表( l x - i o o t d ) 连接，则不需要通过功率放大器把信号放大。若需与p l c 或其他 控制元件连接则需通过功率放大器把信号放大成需要的电压或电流信号，或者选取其他含 内置放大器的张力检测器。在选用时要注意量程估算，在机械的运转速度较大的情况下， 为防止机械共振现象应使用额定负荷较大的检测器，并且尽可能辊轴的质量小一些。另外， 检测器辊轴与导辊的动态平衡也应尽可能小一点。 3 2 2 2 张力传感器检测张力的优缺点 优点：检测张力精度高，可直接和张力显示表连接，可直观监视张力的波动变化， 体积小、安装形式多样，能够满足各种高精度要求的控制应用场合。 缺点：对安装、调试要求较高，选用时要做详细可靠的计算，使用过程中要进行调 零和挂重物标称，若有超量程的冲击负荷容易造成元件损坏，并且对使用环 境要求较高，一般要在一5 4 0 振动在2 m s 2 以下。为防止机械共振现象应使 用额定负荷较大的检测器，并且尽可能辊轴的质量小一些。另外，检测器辊 轴与导辊的动态平衡也应尽可能小一点。 3 3 分切机放卷张力控制 分切机放卷控制主要有两种控制模式：( 1 ) 被动放卷( 2 ) 主动放卷 3 3 1 被动放卷拍1 国内大多数分切机都是以可编程控制器为控制核心，放卷大多为被动张力控制( 采用 张力控制器控制磁粉制动器或气动制动器) ，超声波检测卷径，根据当前卷径和设定张力 进行输出力矩计算，这种控制模式是比较简单的开环张力控制，被广泛应用；另外，还有 一些较为低档的分切机使用继电器控制回路，以收卷或