新型鋼絲圈基片卷取成型機(jī)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

彭俊，惠晶

（江南大學(xué) 無(wú)錫市工業(yè)節(jié)能與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214122）

1 引言

鋼絲圈是環(huán)錠紡紗的關(guān)鍵部件，由高碳鋼絲經(jīng)多單元同步冷軋工藝壓延成型［1］。鋼絲圈基片截面的形狀如圖1所示，基片規(guī)格繁多，具有扁、薄、窄和圓弧角的特征，要求對(duì)基片在卷取和成型時(shí)保持張力恒定，等間隙整齊排列。當(dāng)排列太密，鋼絲圈基片出現(xiàn)堆疊擠壓，會(huì)出現(xiàn)變形、傷邊緣；當(dāng)排列太疏，就不能充分利用收卷工字料盤(pán)。因此，對(duì)鋼絲圈基片必須以恒線速度卷取，均勻整齊的排列。

圖1 某型號(hào)鋼絲圈基片截面的形狀Fig.1 The cross section of one type of traveler laminate

傳統(tǒng)的卷取成型機(jī)的卷取主軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，排片與換向機(jī)構(gòu)采用復(fù)雜的機(jī)械耦合結(jié)構(gòu)與主軸硬連接。存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)械磨損大、噪音大、成型精度低、無(wú)法適應(yīng)不同規(guī)格鋼絲的排片需要，改變機(jī)械參數(shù)適應(yīng)性差等一系列問(wèn)題。文獻(xiàn)［2］的方法雖可解決機(jī)械耦合的問(wèn)題，但使用步進(jìn)電機(jī)同樣存在精度差、高速穩(wěn)定性差、帶負(fù)載能力弱、快速啟動(dòng)易失步等不足［3］。

為同時(shí)滿足高速?gòu)?fù)卷?xiàng)l件下，精確控制張力和排片位置，本文介紹一種新型的鋼絲圈基片卷取成型機(jī)，采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)卷取機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)成型機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)卷取軸和成型軸的機(jī)械解耦，利用RS－485總線實(shí)現(xiàn)可編程控制器（PLC）與變頻器和伺服放大器之間的通信。通過(guò)軟件編程和數(shù)據(jù)通信，無(wú)需改變?nèi)魏螜C(jī)械參數(shù)，只要利用觸摸屏修改控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，就可適應(yīng)各種規(guī)格鋼絲圈基片的卷取成型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的柔性化調(diào)整，可以顯著簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高鋼絲圈基片的卷取成型的質(zhì)量。

2 卷取和成型系統(tǒng)控制原理

2.1 卷取系統(tǒng)控制原理

鋼絲圈基片在卷取時(shí)必須保證恒定的線速度，設(shè)當(dāng)前收卷料盤(pán)的線速度為v，卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n2，標(biāo)準(zhǔn)收卷用工字料盤(pán)的直徑為D0，當(dāng)前卷取層的直徑為D，鋼絲圈基片齒條的厚度為b，收卷料盤(pán)的示意圖如圖2所示。

圖2 收卷料盤(pán)示意圖Fig.2 The schematic diagram of rewinding roller

每當(dāng)收卷料盤(pán)旋轉(zhuǎn)一圈，收卷料盤(pán)的直徑就增加2倍的鋼絲圈基片厚度b，當(dāng)卷繞N層后，收卷料盤(pán)的直徑變?yōu)?/p>

收卷料盤(pán)的線速度v與卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系為

由式（2）可知，若要保持卷取線速度v恒定，則隨著收卷料盤(pán)直徑D遞增，卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速n2必須要相應(yīng)的遞減，兩者呈反比例函數(shù)關(guān)系。卷取過(guò)程中卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速與收卷料盤(pán)直徑的關(guān)系變化如圖3所示。

圖3 卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速與收卷料盤(pán)直徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between rewinding motor speed and rewinding roller diameter

為了保持卷取線速度v的恒定，可以通過(guò)控制鋼絲圈基片張力的恒定間接達(dá)到控制線速度恒定的目的，使用直接張力控制，可以獲得較高的靈敏度和精確度。卷取系統(tǒng)直接張力控制原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 直接張力控制原理圖Fig.4 The schematic diagram of direct tension control

卷取系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由外部給定1個(gè)線速度，卷取時(shí)要求鋼絲圈基片保持一致的張力通過(guò)張力測(cè)量輥，以恒定的線速度v進(jìn)入收卷料盤(pán)。在牽引輥和收卷料盤(pán)之間設(shè)有張力檢測(cè)環(huán)節(jié)，張力檢測(cè)主要由張力測(cè)量輥、位移傳感器、彈簧張力機(jī)構(gòu)等組成，其主要作用是檢測(cè)鋼絲圈基片卷取時(shí)的張力，所測(cè)張力轉(zhuǎn)換為電壓值，與給定的線速度對(duì)應(yīng)的電壓值作比較，經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算與比較，其差值輸入到卷取變頻器的外部模擬量輸入端VRF，卷取變頻器就根據(jù)外部模擬量速度指令控制卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鋼絲圈基片卷取的恒張力控制，恒線速度卷取。

2.2 成型系統(tǒng)控制原理

鋼絲圈基片成型時(shí)要保持緊密排列，均勻整齊。為了實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程較高的精度，使用伺服電機(jī)作為成型系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。成型伺服電機(jī)與卷取交流異步電機(jī)同步運(yùn)行，同步控制策略主要有主從式、交叉耦合、同步主參考（SMR）、電子長(zhǎng)軸（ELS）和相對(duì)耦合等［4］。從簡(jiǎn)單實(shí)用角度考慮，兩電機(jī)設(shè)計(jì)成主從工作方式，即：卷取電機(jī)作為主電機(jī)，成型電機(jī)作為從電機(jī)。

在卷取電機(jī)主軸安裝高速旋轉(zhuǎn)編碼器PG，測(cè)取卷取電機(jī)M2的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換為高速脈沖串形式發(fā)送給伺服放大器，控制成型伺服電機(jī)SM轉(zhuǎn)速n3正／反旋轉(zhuǎn)，跟隨卷取電機(jī)M2主軸轉(zhuǎn)速n2，實(shí)現(xiàn)成型伺服電機(jī)與卷取交流異步電機(jī)的同步運(yùn)行。在完成一層的成型后，成型電機(jī)通過(guò)安裝在絲杠左右兩端的光電傳感器自動(dòng)換向。成型系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

設(shè)成型伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為n3，卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速為n2，鋼絲圈基片的寬度如圖1所示為a，成型機(jī)構(gòu)傳動(dòng)絲杠的螺距為l，高速旋轉(zhuǎn)編碼器PG的精度為z，z＝2 000p／r，成型伺服電機(jī)自帶的編碼器為20位，其PPR＝220＝1 048 576，減速機(jī)的減速比為i。

圖5 成型系統(tǒng)原理圖Fig.5 The schematic diagram of rewinding and forming system

成型伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)連接傳動(dòng)絲杠，則伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n3可表示為

旋轉(zhuǎn)編碼器PG的輸出頻率f為

則伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n3也可以表示成：

式中：α，β為伺服放大器內(nèi)部可調(diào)的電子齒輪系數(shù)。

由式（3）等于式（5），消去相關(guān)變量，可得：

對(duì)于一個(gè)選定的系統(tǒng)，減速比i、傳動(dòng)絲杠的螺距l(xiāng)、旋轉(zhuǎn)編碼器的精度z、伺服電機(jī)自帶編碼器的精度PPR都是定值，對(duì)于式（6），假設(shè)電子齒輪系數(shù)β取值為1，則電子齒輪系數(shù)α只與鋼絲圈基片的寬度a有關(guān)。在本系統(tǒng)中，通過(guò)觸摸屏就可以設(shè)置鋼絲圈基片的寬度a，利用RS－485總線通信，無(wú)需改變?nèi)魏螜C(jī)械參數(shù)，就可以滿足各種規(guī)格鋼絲圈基片的卷取成型，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的柔性化調(diào)整。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，它具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、通用靈活與維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用［5］。系統(tǒng)電氣控制原理圖如圖6所示。

PLC接受現(xiàn)場(chǎng)的操作指令、各種狀態(tài)信息的反饋及觸摸屏實(shí)時(shí)的參數(shù)修改；交流異步電機(jī)M1，M2和伺服電機(jī)SM作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)RS－485總線，在接受經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部計(jì)算處理后指令的同時(shí)，也實(shí)時(shí)的把電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過(guò)總線RS－4 8 5傳遞給PLC，在觸摸屏上得到直觀的顯示。

圖6 系統(tǒng)電氣控制原理圖Fig.6 The schematic diagram of electric control system

通過(guò)估算，實(shí)際的輸入輸出量I／O點(diǎn)數(shù)超過(guò)24點(diǎn)，因此，按照PLC產(chǎn)品系列進(jìn)行選型，選擇三菱 FX2N系列的 FX2N－32MR 型 PLC。FX2N－32MR型PLC屬于繼電器輸出型，它的基本指令執(zhí)行時(shí)間為0.08μs，內(nèi)置的用戶(hù)存儲(chǔ)器為8 000步，有多種特殊功能模塊或功能擴(kuò)展板。由于在本系統(tǒng)中，PLC需要和變頻器及伺服放大器進(jìn)行RS－485總線通訊，因此需要配置FX2N－485－BD通信用功能擴(kuò)展板。在生產(chǎn)中，設(shè)定不同規(guī)格鋼絲圈基片的寬度a、成型層數(shù)x，PLC接收光電傳感器換向信號(hào)，按式（6）編寫(xiě)卷取成型的控制程序，寫(xiě)入PLC內(nèi)存中，PLC就可以按照預(yù)先編寫(xiě)的程序控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)鋼絲圈基片的恒線速卷取，緊密均勻排列。

PLC輸入端子的功能定義如表1所示，需要占用11個(gè)輸入端子，PLC輸入端外部接線示意圖如圖7所示。

表1 PLC輸入端功能定義Tab.1 The function definition of input terminals of PLC

鋼絲圈基片的卷取屬于恒功率負(fù)載，要求變頻器工作在恒功率調(diào)速狀態(tài)。因此，主軸選用三菱FR－D720S－0.75K－CAT型三相400V 變頻器驅(qū)動(dòng)0.75kW的交流異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)線速度的給定值與張力控制器的輸出值的疊加輸出結(jié)果，調(diào)節(jié)卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速n2，按照式（2），隨著卷取直徑D的增大而相應(yīng)的減小，達(dá)到恒線速卷取的目的。同時(shí)，變頻器的PU接口具有RS－485通訊功能，可以方便地與PLC實(shí)現(xiàn)總線通信。

圖7 PLC輸入端外部接線示意圖Fig.7 The schematic diagram of external terminals of PLC

成型系統(tǒng)由高精度的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬于小慣量系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用富士公司最新ALPAA5 Smart系列RYA401F5－VV5型單相200V伺服放大器，驅(qū)動(dòng)GYS401D5－RG2型額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，額定功率400W的交流伺服電機(jī)。伺服放大器設(shè)置為“控制”控制模式，接收高速旋轉(zhuǎn)編碼器（PG）的脈沖信號(hào)，按照光電傳感器的換向控制信號(hào)，控制成型伺服電機(jī)（SM）帶動(dòng)成型機(jī)構(gòu)左右往復(fù)成型。伺服放大器的CN3口具有RS－485通信功能，當(dāng)生產(chǎn)的鋼絲圈基片產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，伺服放大器可以通過(guò)RS485總線，按照式（6），實(shí)時(shí)的修改電子齒輪系數(shù)，滿足不同的生產(chǎn)要求。

系統(tǒng)選用三菱F940GOT觸摸屏作為人機(jī)界面，既可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)工況，還可以方便地進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)的在線修改，而無(wú)需調(diào)整任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，極大地提高了生產(chǎn)效率。利用GOT－F900系列觸摸屏配套 FX－PCS－DU／WIN－C組態(tài)軟件進(jìn)行各種監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)，與PLC之間通過(guò)RS－422總線連接。當(dāng)產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，通過(guò)觸摸屏就可以調(diào)整給定線速度，修改鋼絲圈基片寬度a。本設(shè)計(jì)的觸摸屏還實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的故障信息監(jiān)控，方便現(xiàn)場(chǎng)操作人員的維護(hù)檢修，具有良好的人機(jī)交互性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼絲圈基片卷取成型機(jī)的原理及生產(chǎn)工藝的要求，確定程序的基本結(jié)構(gòu)，主要有5部分組成：PLC主控制程序、牽引變頻與PLC通訊程序、卷取變頻與PLC通訊程序、成型伺服與PLC通訊程序及觸摸屏組態(tài)畫(huà)面程序。

4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

如圖8所示為控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)流程圖。系統(tǒng)上電，PLC開(kāi)始運(yùn)行后，先對(duì)系統(tǒng)初始化，把數(shù)據(jù)寄存器和通用寄存器清零，讀入設(shè)定的給定線速度及鋼絲圈基片的寬度a等參數(shù)。檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，正常則進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)狀態(tài)選擇，否則轉(zhuǎn)到故障報(bào)警，系統(tǒng)停機(jī)。選擇自動(dòng)運(yùn)行則開(kāi)始生產(chǎn)線全線啟動(dòng)，手動(dòng)運(yùn)行則轉(zhuǎn)到手動(dòng)調(diào)試狀態(tài)。生產(chǎn)線運(yùn)行后，程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線運(yùn)行情況，出現(xiàn)不正常立即進(jìn)行故障報(bào)警并停機(jī)。并且，在光電傳感器控制左右成型換向時(shí)，進(jìn)行成型圈數(shù)計(jì)數(shù)，達(dá)到設(shè)定的成型圈數(shù)時(shí)，程序停止運(yùn)行，生產(chǎn)線自動(dòng)停機(jī)。

圖8 PLC控制程序流程圖Fig.8 The flow chart of PLC control program

4.2 PLC與各外圍設(shè)備的通訊

本系統(tǒng)PLC與變頻器及伺服放大器通過(guò)RS－485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳遞控制命令和接收實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；PLC與觸摸屏之間通過(guò)RS－422總線進(jìn)行連接，接受來(lái)自觸摸屏的參數(shù)設(shè)定，并把變頻器及伺服放大器的運(yùn)行參數(shù)在觸摸屏上直觀的顯示。

利用FX系列PLC自帶的外部設(shè)備命令及一些特殊的輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，可以方便地實(shí)現(xiàn)PLC與外部設(shè)備的通訊［6］。

當(dāng)系統(tǒng)選用無(wú)協(xié)議通信方式時(shí)，為使PLC與外部設(shè)備進(jìn)行RS－485通信，必須設(shè)置波特率、停止位、奇偶校驗(yàn)和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等通信參數(shù)，可以通過(guò)特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120來(lái)設(shè)置串行通信格式，如表2所示。

本設(shè)計(jì)選用的數(shù)據(jù)位為8位，偶校驗(yàn)，1位停止位，波特率為19 200bit／s，故D8120設(shè)定為0C97A。

表2 D8120通訊參數(shù)設(shè)置Tab.2 The communication parameters setting of D8120

通過(guò)特殊輔助繼電器M8161來(lái)選擇數(shù)據(jù)處理格式。當(dāng)M8161設(shè)為0時(shí)為16位模式，當(dāng)M8161設(shè)為1時(shí)為8位模式。本設(shè)計(jì)選擇8位模式。設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)，用串行通信指令RS存儲(chǔ)到D8120中，外圍設(shè)備設(shè)置好一致的通信參數(shù)，按照通信協(xié)議就可以進(jìn)行相互通信了。

5 結(jié)論

本文針對(duì)鋼絲圈基片卷取的工藝要求，利用先進(jìn)的變頻控制和高精度伺服系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新型的鋼絲圈基片卷取成型機(jī)，改變了傳統(tǒng)鋼絲圈基片卷取成型機(jī)構(gòu)的機(jī)械耦合傳動(dòng)模式，克服了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪音大、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題；采用高性能PLC作為核心控制器，提高系統(tǒng)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中的可靠性；采用高精度伺服電機(jī)成型，進(jìn)一步提高成型的精度，滿足生產(chǎn)工藝的要求；利用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，簡(jiǎn)化硬件電路連接，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的柔性化調(diào)整。系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)各種規(guī)格的鋼絲圈基片的恒線速卷取，均勻緊密成型。

新型鋼絲圈基片卷取機(jī)使卷取線速度由原來(lái)的120m／min提高到200m／min，可以滿足0.6～3.6mm寬度鋼絲圈基片的卷取成型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化和自動(dòng)化，具有廣泛的應(yīng)用前景，稍加改進(jìn)和調(diào)整，就可以直接應(yīng)用到造紙、包裝、線材、印染等不同領(lǐng)域的卷取成型控制。

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