plc控制收卷机研究

1、贝加莱plo在恒张力塑料片材收卷机上的应用收卷机在工业领域中应用非常广泛，如轧钢、造纸、纺织、塑料制品等行 业，在生产线最后的产品获取屮几乎都使用收卷机，收卷机收卷效果的好坏，直 接影响产品的质量。以前人部分收卷机采用力矩电机和直流电机配备部分仪表及 电器零件组成收卷电路，这种电路结构复杂，制造成本高，运行中控制收卷张力 精度不高，维修费用高。随着科技发展进步，plc在自控方而得到广泛的应用。 以下将要介绍的内容是：plc控制在塑料片材(以下简称片材)收卷机设备中的应 用及其原理。由于采用了 plc控制，它的电气结构简单、制造成木降低、运行屮 精度提高、减去了繁琐的接线工作。一. 片材收卷机流

2、程图和关键问题的解决办法1. 流程图及各部件的说明：(1) rul牵引压辘，使片材压在牵引张动辘上，片材被牵引辘组拉紧并送入 张力检测。(2) ru2牵引驱动辘，与牵引压辘组成牵引辘组，牵引片材。(3) ml、m2驱动牵引辘和收卷轴电机。(4) e1计长用编码器600线/每传，装在牵引压馄轴上，用于计算产品长度。(5) 牵引变频器用于牵引辘组张动电机的调速设备，速度由plc根据生产线 速度给定。(6) 收卷机变频器用于收卷屯机的调速和力矩的控制设备，速度曲plc根据 生产线速度给定，力矩由plc根据检测到的张力给定。(7) e2收卷机驱动电机编码器600线/每转，装在驱动电机轴上。(8) ws

3、压力传感器，由ru3、ru4、ru5组成的张力检测辘组，将张力转换 成压力作用于压力传感器上并产生相应的电信号送入plco(9) ru3、ru4、ru5曲三个辘组成张力检测辘组。(10) plc采用贝加莱plc的cpu和触摸屏一体化产品。应用流程图2. 关键问题的解决办法(1) 如何实现张力和压力的简单-转换ru4t2张力t和压力f的力学关系图ru5从上图中可以看出，f二t1 cos600+t2cos600(1)由于ru3, ru4, ru5三个辗轴产生的摩擦力很小,可以忽略,ti=t2=t (2)将式代入式f=tcos600+tcos600=t(1 / 2+1 / 2)=t由此得出，只要t1

4、与f和t2与f的夹角为600,片材上的张力t与在ru4 上的压力相等，这样省去在plc编程过程中的换算工作，把读到的张力信号直接 输入到数据处理中运用。(2) 如何实现收卷长度的演算由rul和ru2组成的牵引辘组将片材牵引至收卷侧，片材被牵引压辘压紧， 由于是被动辗压紧，所以压辘和片材之间不产生相对运动，装在压轨轴上的计长 编码器e1发出的脉冲，可以如实反映片材所经过压辘的实际长度。从收卷长度的演算示意图中看出，计长编码器e1为600线/每转，压车昆半 径为门，则每个脉冲所走过的距离为：ll=2 兀 rl / 600在plc中可以用一专用计数器计数计长脉冲的个数，通过上述公式在plc 内部进行

5、演算，可以得到收卷长度累加，再通过触摸屏显示岀收卷的实际长度。（3）如何实现收卷机收卷的直径演算收卷机在收卷的过程中，收卷直径在这个过程中是一个很重要的参数。如： 收卷梯度的计算、要求产品的直径规格以及收卷最大的直径限制，都与收卷的实 时直径有关系。在收卷直径演算示意图中，收卷轴由收卷电机驱动，其减速比为i2,收卷 电机编码器e2与收卷电机同轴，编码器e2每转脉冲为600线，则收卷轴侧每个 脉冲所走的长度为：l2=（2 7hr2 / 600） / i2而牵引侧牵引压辘编码器e1上每个脉冲所走的长度为：ll=2 兀门 / 600收卷直径演算示意图在plc中，装有两个专用计数器，记录牵引侧和收卷侧

6、编码器发岀的脉冲。 因为片材被拉紧后伸缩度很小，可以认为由牵引侧过走的长度和收卷侧所走的长 度相等，这时在plc屮单位时间at内读取牵引侧和收卷侧编码器发的脉冲分别 为n1和n2,则有：2 兀 rl / 600 at ni二（2 兀 r2 / 600） / i2 at n2整理该式得；rl nl=r2 n2 / i2r2=rl nl i2 / n2d2=2 r2=2 rl n1 i2/n2d2为收卷直径；上式中，rl、i 2在制造中已定，nl、n2为plc在单位吋间内分别读取的牵引 侧和收卷侧编码器所发的脉冲，都为已知数，通过plc内部程序计算可以得出收 卷直径。（4）收卷梯度的演算在恒张力收

7、卷机收卷的过程屮，由于收卷半径不断地加大，收卷力矩也随之 加大，用m表示收卷力矩，用t表示设定张力，r2表示任意收卷半径，则有：m=t r2当收卷亡半径和收卷力矩m加大后，会发生整卷越到外侧越紧的现彖，茯 至导致整卷产品报废。为解决这个问题，在收卷过程中设置收卷梯度，即随着收 卷半径加大收卷力矩减小程度的这一参数。收卷梯度一般定义为：当收卷收到最 大卷径时，此时张力减小的程度，用递减的百分比计算。用n表示收卷梯度，ro 表示收卷最小半径(收卷起始半径),rmax表示收卷最大半径(由收卷机在设计时 确定)，r2表示收卷半径在ro与rmax之间任意半径，tn表示当收卷半径为r2 时运算后的张力，t

8、表示设定张力，则有；tn=t 1 一 (r2 一 ro ) / (rmaxro ) n (3)从上式中可以看出，当卷径边为起始半径“时，代入上式(3)得；tn二t就是设定张力，当卷径r2为最大半径rnmx时，代入上式(3)得；tn=t (1-n)就是设定张力乘以张力减小的百分比(1-门)。在plc屮，如果将收卷张力和收卷梯度事先设定后，plc通过接收到e1和 e2的脉冲运算后，可以得到实时的收卷半径r2o我们将上述公式(3)编入plc 运算程序屮，再把收卷实吋半径亡代入该程序屮，得到切入梯度后运算的结果 tn。二. 贝加莱plc在收卷机设备上应用方框图和工作原理1. 贝加莱plc应用方框图贝加

9、莱plc方框图2. 有关贝加莱产品简单介绍和说明方框图屮的触摸屏使用贝加莱2003系列-款plc,它的cpu和触摸屏做成 一体，具有结构紧凑，屏幕反映速度快优点。与下一级plc子站的通讯联系采用 工业以太网通讯，从整体上看采用了这种结构以后其运算速度和屏幕反映速度是 比较快的。其次它采用了网络适配器分站的形式将plc组成若干个小plc单元， 运用起来相当方便。上面方框图中，一组plc装于收卷机机身分线盒上，另一部 分装于收卷机电柜屮，这样可以将电线分别就近接入plc屮，比plc集屮布置将 电线接入省去很多电线，从而节省物料费用和人工费用，而且外观上容易做到整 齐。3. 贝加莱plc的布局结构和

10、功能及工作原理(1)贝加莱plc的布局结构和功能plc的结构主要由三部分组成：第一部分触摸屏，它由plc的cpu和触摸屏 组成，装于操作盒。第二部分是装于收卷机机身分线盒中部分的plc,它由网络 适配器和开关量输入、开关量输出、模拟量输入、计数器模块组成。第三部分是 装于收卷机电柜屮部分的plc,它是由网络适配器和开关量输入、开关量输出、 模拟量输入、模拟量输出、计数器模块组成。触摸屏主要是显示收卷过程中各种数据，如生产线速度、收卷长度、收卷张 力、收卷直径、牵引驱动线速度和负荷、收卷线速度和负荷，显示各种实时报警 和历史报警。其次是通过触摸屏可以设定各种参数，如设定收卷长度、设定张力、 设定

11、张力pid参数、设定收卷梯度、设定最大收卷直径等。网络适配器主要是用于和触摸屏cpu及各站之间的通讯，本方案中采用2 个网络适配器，分别是2#和3#站，它们将触摸屏中cpu发出的指令接收后输送 到本站屮各个模块去执行，并将各模块执行的结果发送回cpu。网络适配器和触 摸屏之间的通讯采用工业级以太网powerlink网通讯，其速率可达100mb / s。装于收卷机机身分线盒中的plc模块功能：开关量输入模块主要用于操作盒上手动一自动装换开关、换卷开关、牵引和 收卷机启停开关、各种执行机构位置开关等。开关量输出模块主耍用于操作盒上各种指示灯、各种执行机构和电磁阀驱 动。计数器模块主要用于牵引压辘编

12、码器脉冲的接收。模拟量输入模块是(0-10v)电压输入模块，主要用于张力辗组屮的压力传感 器模拟量(0 - tov)信号的接收。装于收卷机电柜中的plc模块功能：开关量输入模块主要用于电柜屮各种开关辅助触头、变频器报警接点、紧急 停止开关等。开关量输出模块主要用于电柜屮变频器启停、报警器启动、各种电机启停等。 计数器模块主要用于收卷变频器脉冲监视的脉冲接收。模拟量输入模块是(0-i0v)电压输入模块，主要用于生产线线速度 模拟量信号的接收，牵引馄组变频器速度和负荷模拟量信号的接收、 收卷变频器速度和负荷模拟量信号的接收。模拟量输出模块是(0-10v)电压输出模块，主要用于牵引辗组驱动变频器速

13、度的给定、收卷变频器速度和力矩的给定。(2) 工作原理装于电柜的plc模拟量输入模块接收生产线(0 一 10v)线速度信号，在plc 内部进行运算。先将i0v时对应于最大生产线线速度设定为vi,然后根据牵引 辘直径和牵引驱动电机与牵引辗之间的速比，算出驱动牵引电机变频器模拟量输 出模块10v对应的牵引辘线速度v2,v2=(nfl4-i 1) 兀 d1式屮nfl为牵引馄驱动电机额定转速；il为牵引駅动电机与牵引辘之间的速比；d1为牵引辗直径；vi / v2二k1式中k1为生产线线速度与牵引车昆速度比例系数，因为是线性关系，所以这 种关系在任意速度下都成立。设生产线线速度为vl,对应的线速度电压为

14、ul,牵引辘速度为v 2,对应 牵引辘驱动电机的变频器给定电压为u2,则有v 1 / v 2=ul / u2整理后得u2=(v 2/v 1) ul=(l / ki) ul将接收到的生产线线速度电压ul乘以(1 /k1)线速度作为牵引车区组驱动变频 器的速度给定信号，使牵引辘组的线速度与生产线线速度同步。在实际情况中， 牵引馄组的线速度与生产线线速度存在着速差，为解决这一问题，在牵引馄组速 度给定中加入速度给定微调，通过微调保证牵引辘组的线速度与牛产线线速度一 致。同样收卷线速度和牵引辘线速度也存在着线性比例关系，设驱动收卷电机变 频器模拟量模块1 0v对应的收卷线速度v3,v3=(nf24-i

15、 2) 兀 d2式中nf2为收卷驱动电机额定转速；i2为收卷駆动电机与收卷轴之间的速比；d2为收卷轴起始直径；v2 / v3二k2设收卷线速度为v 3,对应收卷驱动电机的变频器给定电压为u3,则有v 2 / v 3=u2 / u3整理后得u3=(v 3 / v 2) u2=(l /k2) u2用已知的u2乘以(1 / k2)作为收卷电机驱动变频器速度给定，可以保证收卷 线速度和牵引车昆线速度同步。在实际工作中，收卷线速度驱动信号只作为收卷驱 动电机变频器的辅助给定，用丁速度限制，只要u3大于等于u2就能保证片材不 松，片材张力的大小由力矩给定决定，当收卷直径变大后，收卷线速度变大，收 卷张力不

16、受影响。因此不考虑收卷直径变大后，收卷线速度改变的演算。收卷机张力控制采用闭环张力控制。在plc中计算检测张力10v吋对应的最 大张力，这个张力(张力和压力是相等的)值由所购置的压力传感器量程决定，触 摸屏设定张力值屮，最大值也应该等于这个张力值。装在机身分线盒内的plc 模拟量输入模块接收到压力传感器(0-10v)压力信号，与触摸屏设定张力进行比 较，将比较结果进行比例放大，其放大增益值用p表示，然后将比例放大结果分 别进行积分和微分运算，其中积分值的大小用工表示，微分值的大小用d表示， 将积分和微分运算后的值z和进行演算去控制收卷驱动变频器模拟量输出电压 的大小，从而达到张力闭环控制。p、

17、1、d的值可以通过触摸屏将英值变动，在 运行中通过改变这三个数的值可以将张力的效果控制到最佳。张力闭环控制方框图收卷机机身分线盒和电柜分别装有脉冲计数器，该计数器内部有独立的cpu 负责接收脉冲的处理，使计数器计数更加可靠。plc通过单位吋间接受两个计数 器脉冲，可以计算出收卷长度和收卷直径。plc当检测到收卷长度达到设定长度 时，发出报警提示，提示操作人员换卷。同时plc将触摸屏上设定收卷梯度值和 演算的收卷直径再经过演算得出新的张力tn,再将tn作为新的张力设定值去控 制张力，实现带冇梯度的张力控制。有关收卷长度、收卷直径、收卷梯度的公式 在前面已经有公式演算过。收卷机机身分线盒装冇开关量

18、的输入输出模块，其屮一部分负责操作盒上的 牵引辘组、收卷、换卷的动作启动停止、手动和口动转换，还有相应的运行指示 灯亮或灭。另一部分负责收卷机工位的监测、辅助换卷的位置监测、辅助换卷动 作的驱动、切断机位置的检测、驱动切断机。手动时收卷直径任意位置可以换卷, 口动时达到设定收卷长度时，可以口动换卷。为了防止换卷时发生机械碰撞和损 坏，在收卷工位、收卷辅助换卷位置、切断机z间做了电气上的互锁。当收卷机 不在工位时，收卷辅助换卷不能换卷；当收卷辅助换卷不在前端时，切断机不能 切断；当收卷辅助换卷不在后端时，切断机不能复位；当切断机不在原始位置吋, 收卷机不能翻转。收卷机屯柜装冇开关量的输入输出模块

19、，主要负责急停电路接 点输入、齐个开关辅助接点输入、齐个变频器报警点输入、变频器的启动、切断 机启停。当急停电路切断时，plc停止一切启动和驱动动作，保护操作人员和设 备的安全，同时给出报警讯号。各个辅助开关动作和变频器报警后，plc先停止 相关设备，给出相应的报警。贝加莱plc触摸屏除了显示控制画面和显示画面外，它还提供实时画面报警 和历史画面报警。实时报警就是将当时发生的报警显示在实时报警栏内，实时报 警栏放置在触摸屏最上方并做成公共显示栏（每一画而在同一位置的显示栏）o实 时报警栏内显示的报警为红色，当报警解除或故障排除后，乂有绿色显示同样的 内容以做提示，但吋间显示是报警解除或故障排除的吋间。历史报警画面为单独 的画面，将所冇报警按时间顺序排列，共显示400条，当超过400条时，自动将 最先报警条挤出。每一条报警都有当时的报警时间和年月口。报警时显示为红色, 当报警解除或故障排除以绿色显示同样报警的内容，但时间显示是报警解除或故 障排除的时间。这样可以记录故障发生的时间和故障排除的时间，供管理人员参 考。三. 实际测试效果恒张力收卷机装好后，运行调试结果是：1. 张力波动测试结果：张力在50nm时,张力波动为±4nm；张力在loonm时,张力波动为±7nm； 张力在150nm时,张力波动为