（电力电子与电力传动专业论文）基于plc的包装用瓦楞纸板横切机控制系统.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 c o r r u g a t e db o a r dt r a n s e c t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e mu s e di np a c k a g i n g a r e ab a s e do np l c a b s t r a c t t h ep a p e rg i v e st h ed e v e l o p m e n ts e h e m eo fc o r r u g a t e dc a r d b o a r dc r o s s c u tm a c h i n e b a s e do na u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y ，e l e c t r o m e c h a n i c a ld r i v ec o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ec o n t r o ls y s t e mo fc o r r u g a t e dc a r d b o a r d c r o s s c u tm a c h i n ea n dc o m b i n e dw i mt h ep r a c t i c a lb a c k g r o u n d t h i ss y s t e ma d o p t e dt w ol e v e lc o n t r o ls t r u c t u r e s ；t o u c hs 瞅ni sr e s p o n s i b l ef o ru s e r i n t e r f a c e ( u oa n dt h et a s ko fo r d e rf o r mm a n a g e m e n t a n dt h el o w e rm a c h i n ei sp l c c o n t r o l s y s t e m ，w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v i n gt h ew o r k i n gt a s ka n dd e b u g g i n gi n s t r u c t i o nf r o m t o u c hs c r e e l l ，c o n t r o l st r a n s d u c e rt of i n i s ht h ew o r k i n gt a s k , i n s p e c t st h ew o r k i n gm a t e r i a la n d t h es t a t u so f e v e r yb u t t o na n dm a n yo t h e rf u n c t i o n s f o rt h er e a s o no fd r a w b a c ko fd cm o t o r , t h es y s t e ma d o p t e da cf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e dr e g u l a t i o n t h el o g i c a lc i r c u i td i a g r a mo f t h ec o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e dw i t ht h ep l ca n dt r a n s d u c e ra st h em a i np a r t f o rt h ei d e a l c o n t r o lr e s u l t ，t h em a t hm o d e lo fc o n t r o lo b j e c ti se s t a b l i s h e db a s e do nt h en u m e r o u s e x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m e c h a n i c a ld r i v et h e o r y , a n dt h em o d e lw a s p r o v e dt 0b et r u e t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h ec o n t r o la l g o r i t h m 丽t l if i v ec o n d i t i o n sa c c o r d i n g 幻r e l a t i o n b e t w e e no ft h el e n g t ho fc u t t i n gp a p e ra n dt h ep e r i m e t e ro fr o t o r , a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h i sa l g o r i t h mi s p m v e dt o b ec o r r e c t t h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no ft h ea l g o r i t h m , t h e p r e c i s i o n o f c u t t i n g p a p e r a n d f o l l o w o f c u t t i n gs p e e d w a s a p p r o v e d t o u c hs c r e e n m a n a g e m e n ts o f t w a r e o ft h i ss y s t e mi s m a i a l yr e s p o n s i b l ef o r t h e c o m m u n i c a t i o no ft o u c hs c r e e na n dl o w e rm a c h i n e ，a n dt h ec h o i c eo fp r o d u c i n gm o d ea n d m a n u f a c t u r eo r d e rm a n a g e m e n tf o rt h eh i g h e r l e v e lu s e r s f o rt h er e a s o no fh i g he f f i c i e n c y a n di t sr o b u s t n e s s ，t h es y s t e ma d o p t e dt h et h i n k i n go fh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e t h ew h o l e s y s t e mw a sd i v i d e di n t o t h r e e l a y e r s ：p h y s i c a ll a i r , c o m m u n i c a t i o n l i n k l a i ra n d a p p l i c a t i o nl a y e r i i i 基于p i c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 t h i ss y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da n dw o r k e dp e r f e c t l y ，a n di th a sm e tt h er e q u i r e m e n to f t h ef a c t o r y t h eg r e a tc h a r a c t e r i s t i c si n d i c a t et h a tt h es y s t e mi sam o d e mo n e k e y w o r d s ：c o r r u g a t e db o a r d ，c r o s s c u tm a c h i n e ，p l c ，f r e q u e n c yc o n t r o l , t o u c h s c r e e n , 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 2 0 b 3 1 2 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 系统研制的背景 作为一个行业和我国国民经济的重要组成部分，包装业的发展日新月异，已经成为 我国经济建设中所不可缺少的重要组成部分。高强度瓦楞纸板是这一行业中，用量最大， 涉及产业最广的重要外包装用材。2 0 0 6 年高强度瓦楞原纸的年消费量己达到4 8 0 万吨。 高强度瓦楞原纸消费需求增长快，国内供求缺口大，大量依靠进口的局面近年难以改变。 2 0 0 3 年国内主要进口纸品出现较大幅度的下降，而高强度瓦楞原纸的进口量却增长逾 1 3 ，接近1 1 8 万吨，占整个纸及纸板进口量的2 1 【n 。 随着外资大举进入中国造纸业，近两年国内中高档纸及纸板产量增长迅速，消费量 大于产量的品种已属少见，而高强度瓦楞纸却是仍然处于供不应求的局面。在中国纸品 消费高速增长的1 9 9 0 年至1 9 9 9 年，高强度瓦楞原纸的消费年均增幅近3 0 ，居第二位， 仅次于涂布白板纸。2 0 0 1 年，高强度瓦楞原纸不仅消费量增长1 3 9 ( 在主要纸品增幅 居第二位) ，达到2 9 5 万吨，而且成为纸品消费增长快于产量增长的少数品种之一，2 0 0 4 年的需求缺口已扩大到1 1 5 万吨。众所周知，现代包装已不再是对产品简单的装饰，不 再是产品的附属品，而已经成为产品的一部分了。甚至可以说，它就是一种产品，一种 特殊的间接产品。这种间接产品对直接产品不仅有装饰、保护和说明的作用，而且起到 了举足轻重的促销作用 2 1 。 本文就是在这样的背景条件下，以一个企业委托的大型瓦楞纸板自动生产线技术改 造为具体的研究内容，重点研究并实现该生产线最关键的横切机工艺进行改造。原系统 的瓦楞纸板横切定标，是通过机械的机构原理实现的，不仅尺寸精度差，而且调节也十 分不便。本论文研究，利用现代触摸屏计算机与p l c 组成两级控制系统，p l c 作为系统 的下位机，完成信号采集、反馈、逻辑运算和系统指令的发出，触摸屏作为上位机，主 要实现人机对话。本文针对该系统的具体情况，研究了系统的控制原理、硬件设计制造、 软件编程。 1 2 系统发展状况 1 2 1 国外瓦楞纸板生产发展概况 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切g t 控v j 系统 目前，北欧和大洋洲国家拥有最现代化的大型包装纸板机，而东欧、拉丁美洲以及 非洲国家则保留着小型的老式生产设备。其差距在包装纸板产量中可得以体现：北美占 3 9 ，西欧占2 1 ，亚洲占2 8 ，拉丁美洲占6 ，东欧占3 ，其余为非洲和大洋洲。 预计到2 0 1 0 年，世界包装纸板市场的需求量将达到1 2 5 亿吨，年均增长速度达到2 8 。 北美和西欧产量占全球总产量的4 5 ，而东欧、中东、亚洲和拉丁美洲等地的增速最快， 北美和西欧仍将是世界包装纸板的主要出口地区。 近年来，德国包装机械业不断强化其领先地位。2 0 0 4 年，其产量上升超过3 ，达 4 2 亿欧元。全球对包装机械的需求约1 9 0 亿欧元，也就是说，德国占了全球市场2 3 的份额，进而成为全球最大的包装机械供应地，而意大利和美国分别占1 6 及1 3 。增 长动力主要源自出口。经过数年持续增长后，2 0 0 4 年出口呈双位增幅( 2 1 ) 达3 7 亿欧 元。其中，出口占总产量已超过8 0 ，比整个机械工程业的出口比率( 6 4 ) 高【引。 俄罗斯包装机械的市场容量为每年5 0 亿至7 0 亿美元，其中俄罗斯的制造商只占有2 0 ，并且这些制造商主要生产半自动化设备，目前还没有能力满足俄罗斯包装行业的整 体需求。德国、意大利和瑞典是主要的设备进口国。2 0 0 2 至2 0 0 4 年，包装机械市场销售 中最有潜力的领域是食品工业、饮料工业、制药业和个人护理业。最有潜力的包装设备， 要求具有高质量、包装材料普遍适用性和中等价格等特点【4 j 。 1 2 2 国内瓦楞纸板生产发展概况 我国瓦楞纸箱近年来发展较快，估计很快将追上和超过美国的4 1 5 亿平方米。作为 瓦楞纸箱材料之一，我国瓦楞原纸年需求量约1 3 0 亿一1 5 0 亿平方米，而且以每年1 0 的 幅度增长。资料表明，纸包装制品在包装工业各大门类产品中列首位，占据较大的比重。 在我国，其产值占包装工业总产值近4 0 ；在经济发达国家，占5 0 以上。而瓦楞纸箱 产值占纸包装制品总产值的6 0 以上。 近年来，国内包装市场的年增长率在1 5 左右，包装工业生产总值由1 9 8 0 年的7 2 亿 元提高至1 j 2 0 0 4 年的3 2 0 0 亿元。中国的瓦楞纸箱总产量增长幅度已名列全球首位，总产量 位居亚洲第一，仅次于美国，位居世界第二。实现了持续高速的发展。综观全球纸板生 产，美国既是第一大国，又是强国；日本是第三大国，也是强国；中国是第二大国，但 不是强国。美国、同本、欧洲瓦楞产业，已经实现了工业化；我国瓦楞产业已经进入了 沈阳t 业人学硕士学位论文 工业化初期。预计未来十年或者更长的时间，中国的瓦楞纸箱工业将是工业化的提升期 【5 】。 目前，我国纸箱业生产己逐步形成三大基地的格局，分别为环渤海地区山东、河北 及京津、辽宁，年总产量为3 0 0 万吨；长江三角洲地区，江苏、浙江和上海，年总产能 为3 0 0 万吨；珠江三角洲广东、福建地区，年总产能为3 5 0 万吨至4 0 0 万吨。2 0 0 4 年我国 包装工业总产值已达塑j 3 2 0 0 亿元，年增长率为1 4 ，这充分说明我国包装业继续保持良 好的发展趋势和发展前景。国家有关部门提出：2 0 0 6 年2 0 1 0 年，包装工业年产值预计 达 ! l j 4 5 0 0 亿元，年平均增速为7 。2 0 11 年一2 0 1 5 年，包装工业年产值预计达n 6 0 0 0 亿元， 年平均增速为6 。纸包装制品，2 0 0 1 年一2 0 0 5 年，预计产量达n 1 9 0 0 万吨；2 0 0 6 年一2 0 1 0 年，达到2 7 0 0 万吨；2 0 11 年一2 0 1 5 年，达n 3 6 0 0 万吨。无疑，纸箱业面临新的机遇和 挑战【6 】。 1 3 系统研制的意义 1 3 1 瓦楞纸板横切技术的发展方向 瓦楞纸板横切技术及设备的发展方向主要有两个方面，一是为满足小型和个体生产 企业的需求，向小型化、简易型、低价位、低档次发展；二是为满足大、中型生产企业 的需求，向宽幅面、高速度、高精度、高自动化方向发展。计算机控制技术在瓦楞纸板 生产中的应用正是满足这些需求的技术保证，就一般的情况而言，使用计算机控制技术 的瓦楞纸生产设备可将原料损耗控制在2 5 以下，和人工生产8 一1 5 的原纸损耗相 比较，每天可节省3 1 0 的原纸【7 捌。 下图为广东肇庆西江机械公司生产的现代瓦楞纸板横切机，如图1 所示： 1 3 2 我国瓦楞纸板生产线发展趋势 自6 0 年代起步至今，我国己有1 2 0 0 多条瓦楞纸板生产线，其中包括来自美国、 日本和我国台湾省的生产线约4 0 0 多条，占生产线拥有量的1 3 左右，己形成2 0 0 0 亿平方米以上的纸箱加工生产能力。但是，我国纸板生产线以中低档产品为主，加工成 型设备过多；这种现状一是导致生产能力供大于求，二是产品加工成本偏高，缺乏市场 竞争能力，尤其是高质量的低克重箱纸板和高强度的瓦楞原纸短缺，在一定程度上影响 了纸箱的质量。据统计，近年我国包装用纸及纸板进口数量约占总需求量的一半。科技 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 图1 1 电脑横切机 f i g 1 1 c o m p u t c rc r o s s c u tm a c h i n e 含量低已成为制约我国瓦楞纸板生产加工行业进一步发展的决定性因素。我国瓦楞纸板 行业应象其他行业一样，把采用先进的高科技设备和对现有设备进行技术改造作为提升 企业竞争力的重要途径网。 据国内包装市场信息分析，全国有近| 丁家纸箱包装厂，十几年来国内流通领域对瓦 楞纸板和印刷成套设备的需求长盛不衰。目前，国际上有1 0 多家大公司从事瓦楞纸板 生产线和纸箱设备的研制和生产，居i j 列的有美国兰斯顿、日本三菱重工和德国b h s 公司，他们的产品代表了当今世晃瓦楞纸板生产设备的发展趋势。 为了缩小同发达国家包装行业的差距，我国制定了该行业的总体目标：瓦楞纸板生 产线向机电一体化、智能化、自动控制方向发展：以控制理论和计算机技术为先导，引 进新技术、增强自主开发能力；促进机械技术和自动化技术的结合，推进瓦楞纸板生产 线机电一体化，进而向包装机械智能化迈进【1 0 1 1 1 。 1 3 3 我国瓦楞纸板横切机控制系统发展概况及存在的问题 瓦楞纸板是制作包装纸箱的主要原材料，市场需求量很大。在包装纸箱的生产流水 线上，把己经压制成形的宽约2 m 的带状瓦楞纸横切成一定长度的纸板是一道关键工 序。横切工序对瓦楞纸板的生产质量和生产速度都有极大的影响。为了保证切口质量， 要求剪切时刀刃的线速度必须和纸板的走纸速度相等，即实现同步剪切。此钋，走纸速 度应允许在0 至1 2 0 m m i n 范围内变化，最大切纸速度应达到1 0 0 张m i n ，切纸长度 应能在0 5 m 至9 9 9 m 范围内可调，误差应小于2 r n m 。过去国产瓦楞纸板生产线都采 沈阳工业大学硕士学t t 论文 用纯机械式的横切机来完成这一横切任务的。然而机械式横切机由于机械本身的刚性制 约难以同时满足上述要求，特别是切纸长度改变时需进行复杂的机械调节，费工、费时， 操作极为不便。 目前，我国包装行业所使用的横切机多为2 0 世纪7 0 年代引进的国外产品，其控 制系统采用z 8 0 c p u 及中小规模集成电路；z 8 0 c p u 已经退出主流市场，复杂的电路结 构和元器件的老化，以及系统抗干扰能力较差，给维修工作带来极大的麻烦；不友好的 人机接1 2 1 和缺乏生产数据统计功能已不能适应现代企业的管理需要。目前国内也有一些 公司在生产该类控制系统，他们大多采用直流电机或无刷直流电机为核心。据实际考察 和用户介绍这些产品普遍存在以下缺点：( 1 ) 直流电机调速设备造价较高。( 2 ) 直流电 机工作的可靠性要低于交流电机。直流电机频繁的起停，大大缩短了电机的寿命。由于 调速不够平稳，有用户反映碰到的最严重情况是电机启动时电机主轴被拧断。另外为达 到快速制动的目的，不得不采用大功率能耗电阻，制动电阻选择不当，经常造成电机被 烧毁的严重后果f 1 2 1 。 1 4 系统研制 本课题组经过大量的市场调研，和查阅大量的国内外文献，决定对原有的机械式横 切机进行改造。其原有的横切机为机械式横切机，工作效率已经远远不能满足其生产要 求，生产成本过高，维修率大。为此，根据其具体情况，经过了大量的论证，为其制定 了一个完整可行的电气改造方案。 根据前述设计研制了瓦楞纸板横切机控制系统。针对原系统存在的问题，采用了下 位机控制变频器对交流电机进行调速，根据控制理论和机电传动理论在工程上的实际应 用，通过对系统大量试验数据的分析，提出了交流电机运转的数学模型，并验证了数学 模型的正确性。系统采用了合理的控制算法，使该系统响应速度快，精度高，操作简便， 运行可靠，界面友好，较好的满足了该行业的技术要求。 采用p l c 、变频器、触摸屏组合控制方案，触摸屏负责接受用户输入的各种数据， 把各种数据通过m p i 协议传输给下位机p l c ，在由p l c 输出给变频器，变频器输出给 电动机。触摸屏采用西门子的t p l 7 0 b 系列，彩色显示，强大的功能支持着输入和显示 功能，用户可以把剪切长度和剪切数量输入进去，同时显示生产线的速度，和切纸数量。 5 一 基t - p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 p l c 采用的也是西门予产品s 7 2 0 0 ，其运算速度和逻辑运算功能保证着整个系统的调 节，强大的浮点运算功能，保证着剪切精度，同时和很多产品的兼容性，采集来自编码 器的脉冲信号，结合触摸屏上的剪切数据，汇总处理以后，输出给变频器。变频器采用 的是安川系列，电梯专用变频器，和永磁同步电机组合在一起，严格保证速度的准确性 1 1 3 1 。 在上述工作基础上，将逐步实现对整个瓦楞纸板生产线的智能控制，包括车速调整、 间隙调整、吃糊调整等方面的数据采集和控制，全面提高产品质量，大幅度的提高生产 率：同时，提高了设备的柔性制造和订单加工的能力。该产品的研制和开发具有良好的 社会效益和经济效益i i 景。 1 5 论文体系结构 本文分为六章：第一章详细介绍了系统研制的背景及市场需求的概况，现有系统存 在的问题和开发本系统的主要工作，系统改进的趋势。第二章是系统简介及相关的理论 基础，主要涉及控制对象数学模型的建立，旋转飞剪运动规律解析，系统跟踪控制算法 的实现等。第三章介绍系统的硬件设计和编程。第四章是系统的软件设计和编程。第五 章为现场实际调试数据及曲线，第六章为结束语。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 系统简介及数学模型的建立 2 1 系统简介 2 1 1 瓦楞纸板生产线 系统生产3 、5 层瓦楞纸板，该生产线完成了从瓦楞纸板组合、吃糊、压制、烘干、 压楞、横切、打包等一系列生产过程，其最终产品是定长瓦楞纸板，横切瓦楞纸范围： ( 1 ) 机械6 0 0 - 2 4 0 0 m m ，电脑5 0 0 - 9 9 9 m m 。 ( 2 ) 切纸精度：l m m 。 ( 3 ) 蒸汽工作压力：1 2 m p a 。 ( 4 ) 蒸汽耗量：3 3 5 t h 。 下图为瓦楞纸板生产线，如图2 1 所示： 图2 1 瓦楞纸板横切机生产线 f 螗2 1 p r o d u c t l i n e o f c o r r u g a t e d b o a r d t r a n s e c t i n g m a c h i n e 2 1 2 横切机控制系统主要功能 横切机作为瓦楞纸板生产线最后一道工序，起着及其重要的作用，纸板剪切长度的 精确，切口质量的好与坏，直接影响着产品的质量。为了满足用户需求，该系统实现的 功能主要包括： ( 1 ) 订单管理 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 1 ) 生产订单的输入f 包括订单编号、横切张数、横切长度等功能) 2 ) 待生产订单输入 3 ) 自动和手动换单功能 4 ) 时时显示生产线速度 5 ) 查询功能 ( 2 ) 按钮输入 1 ) 系统开机按钮 2 ) 系统停机按钮 3 ) 横切机送电、停电按钮 4 ) 纵切机电机启停按钮 5 ) 横切机故障复位按钮 ( 3 ) 指示灯显示 1 ) 系统上电指示 2 ) 横切机电机送电指示 3 ) 纵切机电机运行指示 4 ) 故障复位指示 2 2 系统的整体结构研制 2 2 1 横切机控制系统的矢量变换控制 在直流电动机中，励磁磁场与电枢磁动势问的空间角度由电刷和机械换向器所固 定，通常情况下，两者正交。因此，当励磁不变时，电枢电流和电磁转矩间存在线性关 系。通过单独调节电枢电流可以直接控制转矩，为使电动机在高速区能以恒功率方式运 动，还可以单独调节励磁，进行弱磁控制【1 4 1 。 在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度不是固定的，它随负载而变 化，特别在动态情况下，这将会引起磁场问十分复杂的作用关系，因此也就不能简单地 通过调节定子电流来控制转矩1 1 5 ，1 6 1 。 倘若能够利用电动机外部的控制系统，即若通过外部条件能对定子磁动势相对励磁 磁动势的空问角度实施定向控制，就可以直接控制两者l 、日j 的空间角度。我们将此称为“角 沈阳_ t 业大学硕士学位论文 度控制”。若对定子电流幅值也能独立地直接控制，就将永磁同步电动机模拟为他励直 流电动机。实际上是对定子电流空间矢量相位和幅值的控制，也就是我们所说的矢量控 制，但是使用直流电机有如下一些缺点： ( 1 ) 直流电机调速设备造价较高。 ( 2 ) 直流电机工作的可靠性要低于交流电机。直流电机频繁的起停，大大缩短了 电机的寿命。由于调速不够平稳，有用户反映碰到的最严重情况是电机启动时电机主轴 被拧断。 ( 3 ) 另外为达到快速制动的目的，不得不采用大功率能耗电阻，制动电阻选择不 当，经常造成电机被烧毁的严重后果【1 7 - 2 0 l 。 鉴于此，我们选择了三相永磁同步电机，采用矢量控制方式的思想来解决以上的问 题，下图为矢量控制框图，如图2 2 所示： 图2 2 控制系统矢量框图 f i g 2 2c o n t r o ls y s t e mv e c t o rb l o c kd i a g r a m 9 基t - p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 2 2 2 横切机系统控制模型 在上节理论前提的指导下，确定了整个系统的控制思想，采用速度、位置、转矩闭 环控制来实现剪切的精度。 系统进行改造以前，本课题组在市场上进行了大量的调研。根据要进行改造的横切 机的情况，分析原有的机械式横切机的工作原理，在此基础上，去掉原有的机械传动， 把以前的调磁电机换为交流电机，变成变频调速。调试过程中，先后使用了两套方案来 实现控制。 ( 1 ) 选用三相异步电机，西门子公司生产的变频器，电机和变频器组成一个速度 闭环系统。调试了很长时问，控制起来很麻烦，速度环丢转问题很难从根本上解决。速 度的误差对整个系统的精度起了非常坏的作用，整个系统在速度环节上的丢转难以解 决，西门子公司的变频器速度精度控制在千分之四转，这个误差在低速的时候对系统影 响最大。在高速的时候，难以在短时间内快速运转到需要的转速，如果转速上升快，变 频器自动保护系统自动起作用，断开电压输出。异步电机和变频器组成的速度闭环系统 在低速时，转矩脉动大，在剪切的一瞬日j 电流变化大，对整个剪切过程处理效果不好。 高速时，瞬间启停困难，容易造成电流过载。 ( 2 ) 选用永磁同步电机，变频器选用安川变频器。所选变频器专门面向永磁同步 电机，高精度的速度控制。在低速时，仍然可以保障恒定的速度，转矩脉动小，可以克 服在低速时，剪切所带来的影响。速度丢转问题在根本上得以解决，精度控制在千分之 一以内，控制起来相对于三相异步电机容易，不需要做过多的设置，本身性能可靠性很 高。在高速时，可以在瞬间达至0 给定的转速，运行平稳。停止时，可以在设置的时间内 停车，不发生电流过大等问题。通过直流制动电阻，把负载在瞬间停车多反馈回来的电 脑释放掉。在剪切的瞬间，变频器自动给电机加大电流，防止在剪切的一瞬间转矩下降 所带来的误差。 在现场调试阶段，从最开始的用异步电机来实现控制到后来的用永磁同步电机，最 终确定了选用永磁同步电机来实现剪切。同时在横切机的轮刀上安装编码器来实现系统 的位置控制，保证整个系统在速度、位置环的精度。同时在纸板上安装一个测速轮，在 测速轮轴心上安装一个编码器，时时检测纸板的速度。在横切机轮刀上升到最高点时， 1 0 沈阳工业大学硕十学位论文 光电开关给出一个清零信号，用作原点。 在进行了详细的分析汇总，在总体结构，设计出了电脑横切机的控制系统模型图， 如图2 3 所示： 固一l 日一瓣童 图2 3 电脑横切机控制系统模型图 f i g 2 3c o n t r o lm o d e l o fc o m p u t e rt r a n s e e t i n gm a c h i n e 2 3 控制系统数学模型的建立 2 3 1 旋转体运动方程 通过前面对整个系统的特性进行分析，需要计算系统带动负载时的转矩。充分了解 交流伺服电动机的特性，应该更加深入了解被驱动对象一机械装置的特性，并将交流伺 服电动机和被驱动机械装置统一加以考虑。 ( 1 ) 转速：伺服电动机的转速是指其转子的旋转速度( r a d s ) ，其单位是指在单 位时间内转过的角度，或以单位时问内的转速( r m i n ) 来表示。这种在单位时间里角度0 的 变化为角速度q ，二者之间的关系为： 口：塑( 2 1 ) d f 当用电动机转速n 来表示时，则 口= 2 石疗( 2 2 ) 现在来考虑直线运动和旋转运动之问的关系，直线运动的线速度u ，是指单位时间 里运动体所移动的距离s 。若旋转半径为，( m ) ，角速度为口( r a d s ) ，则有线速度和 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 角速度之间的关系如下： d = d ， ( 2 3 ) 根据以上的运动控制公式来计算现场刀辊的实际转速，通过减速比来计算电机和刀 辊的实际速度。 ( 2 ) 转矩：伺服电动机的转矩t e m 是以作用在转子上的力f ( n ) 与其作用点的 旋转半径与其作用点的旋转半径f ( m ) 之积来表示： z 唧f 。， ( 2 4 ) 通过推导计算，电机轴上的总飞轮转矩表达式： 卜瓦+ 舞+ 舞 晓s ， 式2 5 中，l 、r l 、五为电机即轴、中间传动轴、生产机械轴上的转矩。 当速比j 较大时，中间传动机构的转动惯量以或飞轮转矩五，在折算后占整个系 统的比重不大，实际工程为计算方便，可以适当加大电机轴上的转动惯量i 厂。或飞轮转 矩l 的方法实现。 为简化控制方法，采用变频调速，变频调速改变定子电源频率，这将对永磁同步 电机机械特性产生影响。但是，变频器一般采用恒转矩调速，变化的同时电源电压u 也在变化，使得u f _ 常数，即希望最大转矩z 眦保持为恒值。电机转速和变频器输出频 率成正比，变频器可以认为是比例环节，所以变频器的输入控制电压和变频器的输出频 率成正比。这样一来，变频器的控制电压和电机的转速成正比【2 1 1 。 2 3 2 横切机控制原理 从生产线出来的瓦楞纸以某一速度向横切机输送，横切机的上下刀轴每转一圈完成 一次切纸过程，在同步角内上下刀轴的线速度与送纸速度保持一致且完成切纸动作，根据 送纸速度和所切纸张的长度的不同，上下刀轴在一圈内的运动状态也是不同的，可分为五 种情况 2 2 , 2 3 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 剪切长度等于刀轴的周长，如图2 4 所示，在刀轴运转过程中，它的线速度始 终等于送纸速度，刀轴为匀速运动。图2 , 4 a 为电机速度曲线图，图2 4 b 为对应电机速度 曲线的刀辊运转图： t ( m l n ) 原点 伊 融 i 司；i ；、，切占 图2 4 刀辊匀速运转图 f i g 2 4k n i f e - r o l l e ri m i f o r l nr u l m i n gs c h e m e ( 2 ) 剪切长度小于刀轴的周长，如图2 5 所示，在同步角区以外，刀轴先做匀加速 运动( t 1 ，t 2 ) ，再做匀减速运动( t 2 , t 3 ) 。图2 5a 为电机速度曲线图，图2 5b 为对应电机速 度曲线的刀辊运转图： v m x 加 速 区 原点 伊 造 图2 5 刀辊加速运转图 f i g 2 5k n i f e r o l l e ra c c e l e r a t i n gr u n n i n gs c h e m e 减 速 区 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 ( 3 ) 剪切长度大于刀轴的周长且小于l 临界长度，如图2 6 。在同步角区以外，刀轴先 做匀减速运动( t 1 ，t 2 ) ，再做匀加速运动( t 2 ，t 3 ) 。图2 6a 为电机速度曲线图，图z 6b 为对 应电机速度曲线的刀辊运转图： v - n i n 减 速 区 原点 f 这 图2 6 刀辊减速运转图 f 蟾2 6k n i f e - r o l l e rd e c e l e r a t i n gr u n n 吨s c h e m e 加 速 区 ( 4 ) 剪切长度等于剪切临界长度，如图2 7 。当剪切长度大于刀轴的周长达到一定 程度时，在刀轴一周的运动中必然有一个停滞的阶段( 刀轴的线速度为零) ，当停滞的阶段 恰好为零时的剪切长度，称为剪切临界长度。图2 7a 为电机速度睦线图，图2 7 b 为对应 电机速度曲线的刀辊运转图： 减 速 区 原点 f 停止点 孓 影 图2 7 刀辊减速停i f 图 f i g 2 7k n i f e - r o l l e rd e c e l e r a t i n gs t o p p i n gs c h e m e 1 4 加 速 区 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 剪切长度大于剪切临界长度，如图2 8 。在同步角以外，( t l ，t 2 ) 期间刀轴先做匀 减速运动至零，在( t 2 ，t 2 、) 之间保持角位移不变，然后( t 2 、，t 3 ) 期问再做匀加速运动。图2 8a 为电机速度曲线图，图2 8 b 为对应电机速度曲线的刀辊运转图： o 减 速 区 原点 忖上 从 伊孓 矽 i 吾i 弋j；瞳、蜘古 b ) 图2 8 刀辊运转等待图 f i g 。2 8k n i f e - r o l l e rd e c e l e r a t i n gw a i t i n gs c h e m e 加 速 区 2 3 3 控制算法的确定 根据控制原理。横切机的控制实质为根据所需的剪切规格( 即剪切长度l ) 、生产线 走纸速度来控制单张剪切周期t 内刀辊的运动变化规律。下面将以图2 4 为例，讨论在 一个剪切周期t 内，刀轴的运动状态与剪切长度l 及最大允许送纸速度v o 的关系( 公式 变量说明：滚刀直径d ，测速轮直径d ，送纸速度v ，单张剪切长度l ，实际走纸长度 l ，脉冲当量k ，编码器脉冲数) 。 增量编码器分辨率为2 0 0 0 ，则：露= 万0 0 0 ，同时可以得出v 一七r a p ，从图2 5 中可以得出： 旦2 彤2 t i t i = 等 ( 2 6 ) f ；一l ( 2 7 ) 基y - p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 由式2 1 0 可以推出： y f 4 + 4 ( f 2 一f 1 ) 2 一万d 口。a y 2 舯一警2 l 鬻，础v (一卢d ) 一 其中：b ：4 ( - o - l ) + 1 2 一口d ( 1 ) 卸& 口0 ， 竽o 等 由式2 1 2 推出： 当t 一时， ，= 。 譬如 y ：2 k r a p d ( 2 ) s t 2 ，即丝4 三 鲁，等 三2 k v - - v + a ( t - t , ) ，旦：曼旦+(矿+矿，)立丑22 22 。 、， 因为4 一a y 2 ，k 。t b v ( 其中a 、b 己知) ，所以可以推出： ，= 昙( 眄+ 掣( 咖等 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 节了 i i 4 岛 r 沈阳工业大学硕士学位论文 几：丛瞩2 + ( 4 - f 1 d a ) k 。+ 盥 2 1 厂+ 历一+ 丽一 当f - 屯时，l i p m v = 瓦l ，y = ，r 。 ( 3 ) 州锄即考 ， 兰半，去 1 4 l - 厂f l d 矿= - a ( t - t 2 ) y d 1 r d ，+ ( k 。+ 矿) t - - _ t 2 ) 22 + l ”一+ ”t 由a a v z ，驴一。b v ，可以推出： ，= 一面a ( y r ) 2 + 掣( 矿r ) 一! 望| 二兰二二铲 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) y ：一兰生主：m 2 + ( z b + a o k 小一4 b l + a l 2 - 4 n d ( 2 2 1 ) 一t + 厂一一历一 u 当f - f 3 时，即，= ! 墨亏竽时，y = 2 万一生2 。 ( 4 ) 岛t f s ，即兰墨二：曼! 三cz c 工，4 1 , 矿- f 1 d ， 睾 ，詈= ( 2 万一譬) 詈+ y ( f 一岛) c 2 2 2 ) 由公式2 2 2 可以推出： ，= 万2 ( ) 砌一告 ( 2 2 3 ) 铲苦叩2 万一警 ( 2 2 4 ) 当f t 4 时，y = 2 万。 2 3 4 变频器给定频率的计算 电机的启动是通过给变频器传送能够使切刀稳态运行时切刀线速度与纸板线速度 相同的频率，即给定控制频率来实现。给定控制频率可以由测得的纸速来计算，换算成 由加的炳塞给小 1 7 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 计算公式如下： 厂：! ：! ：茎 ( 2 2 5 ) 。 1 2 0 r 。 其中：v ：纸速，单位：米分钟 k ：主切刀变比 p ：主切刀电机的极对数 r ：主切刀轴的半径 2 4 切刀工作原理 2 4 1 切刀运动规律解析 系统工作时，瓦楞纸在横切机上下刀辊之问的问隙穿过，主切刀电机根据所设定的 剪切长度、瓦楞纸的进给速度，指定刀辊的运动规律等，对进给瓦楞纸板实施定长的切 割，刀辊的运动规律与所设定的剪切长度有密切的关系。 系统要求当切刀到达剪切位置时，给纸速度和切刀速度保持一致，同时，给纸长度 为要求的数值。通过比较其它相似系统的控制算法，进行了大量的算法编程和上机调试， 实际控制效果都不太理想，主要是参数量较多，编程复杂，精度较差。 经过反复试验，借鉴了别人编制的飞剪控制算法的部分思想，我们总结出了如下算 法，设切纸长度为l ，刀辊周长为p ，当l = p 时，刀辊始终保持与纸同步前进就可以 实现定长剪切。而当上l p 时，刀辊先加速，然后减速进入同步区，剪切完成后又加 速进入下一个循环周期。值得指出的是，对于l p 时，刀辊的运动规律如下：切刀工作规律示意如图2 9 所示。开始启动时， 切刀自动地被定位在距机械0 位角q 处的准备位。当纸头部经过勘到达& ：，距离 可有光电编码器测得，经过计算给纸速度并反馈，到某一时刻使切刀按给定的加速度进 行加速，经过角加速区后，到达要求的鸭角剪切速区间( 也称加速安全角，切刀在 此区间保持剪切速度) 。在鸭和吼角的分界处( 纸板接触点) 时开始剪切，吼+ 吩角 区间为剪切区，不同规格的纸板，其吼+ 呜角也不同，待切刀到达口5 和口6 角的分界处 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 脱离纸板点) 时，完成剪切。此后，切刀进入口6 减速安全区，在该区间内，切刀还保 持着剪切速度，直到进入码角减速区。进入岛角减以速区时，切刀进入制动阶段，切刀 迅速被制动，最后到达至q 位置。如图2 9 所示瞄1 ： o l 厅囊 孙瓢刀 lll 凝 l i轴陂 图2 9 切刀运动图 f 蟾2 9t r a n s e 斌i n gs w o r dm j n gc h a r t 2 4 2 切刀启动时刻的确定 纸板的速度由光电编码器来测量。当纸板头部经过时，启动p l c 的定时器1 ， 当：检测到纸板头部时，停止p l c 的定时器1 ，读出时间，计算出纸板运行的速度 v o = 钐。同时，启动定时器2 ，并立即计算切刀启动的延时时间，决定切刀的启动 时刻。到达启动的延时时间后，停止定时器2 ，启动切刀。切刀前进的速度v 与纸板 运行的速度、切刀启动后到达剪切点所运行的角度( 口：+ a 3 ) 及从s q ：至达到剪切 长度的距离厶有关。另外，由于纸板本身的厚度，在剪切时有一个切入角，这样切刀 在水平方向上的速度分量为v 水平= v 切c o s 盯，v 水平应等于纸板运行的速度k 。由 图2 1 0 可知【2 嗍： c o s 盯：r - h ( 2 2 6 ) 基于p l c 的包装用瓦楞纸板横切机控制系统 图2 1 0 切刀切纸图 飚2 1 0c u t t i n gp a p e rc h a r to ft m n s e e f i n gs w o r d 式中，r 为切刃的半径，h 为纸板厚度的一半。这两个值都是已知常数，可以求 出并输入p l c ，以备调用。但瓦楞纸板厚度较小，一般为毫米级，可以忽略。 图2 9 中，当纸板以速度匀速运行时，从s 1 2 2 到达剪切长度所需的时间为 t ：鱼( 2 2 7 ) k 而切刀在加速区吃，线速度由0 上升到剪切速度v 切，所需的时间为f 1 ，切刀的 加速度为a ，则 ：生 ( 2 2 8 ) a 在区间，切刀以剪切速度匀速运行，所需时间乞为： t ：(22 2 ：r r a 3 29)t = 一 l z 一 3 6 0 v o 则启动延时时间为：气一t - t l 1 3 因此，当纸板头部经过踢后，延时岛后，启