基于PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

唐國(guó)方

（江蘇大亞新型包裝材料有限公司，江蘇 丹陽 212300）

基于PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

唐國(guó)方

（江蘇大亞新型包裝材料有限公司，江蘇 丹陽 212300）

本文結(jié)合實(shí)際案例，圍繞以PLC作為控制核心的恒張力控制系統(tǒng)，針對(duì)復(fù)合機(jī)按放卷、貼合、印刷、卷取四個(gè)部分展開論述。

PLC；紙張復(fù)合機(jī)；張力控制

包裝材料的生產(chǎn)設(shè)備之一是復(fù)合機(jī)，復(fù)合機(jī)經(jīng)過優(yōu)化和改造后已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化、微機(jī)控制，內(nèi)裝載有信號(hào)采集輸入等分散型控制結(jié)構(gòu)。各種分立設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)關(guān)系到生產(chǎn)質(zhì)量，如果張力控制不好就會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的下降，對(duì)生產(chǎn)效益有極大的影響。因此，控制張力是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 PLC為核心的張力控制新系統(tǒng)的作用

張力控制是復(fù)合機(jī)的核心，控制得當(dāng)，材料不會(huì)發(fā)生橫向或者縱向的形變，結(jié)構(gòu)平整，沒有褶皺，能夠在印刷過程中保持平穩(wěn)和穩(wěn)定，大大提高精準(zhǔn)率，降低廢品率。因此對(duì)復(fù)合機(jī)不斷進(jìn)行優(yōu)化的技術(shù)改造，核心內(nèi)容就是要得到穩(wěn)定的張力控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的微機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以PLC(編程控制器）為核心的張力控制系統(tǒng)升級(jí)改造，以滿足生產(chǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合機(jī)穩(wěn)定控制具有良好效果。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)（圖1）。系統(tǒng)從架構(gòu)上可以分為張力控制、放卷、印刷等部分。

圖1 復(fù)合機(jī)張力控制結(jié)構(gòu)圖

（2）張力控制采用被動(dòng)式放卷方式，其組成部分包括放卷張力控制、紙料與復(fù)合輥之間的張力控制，鋁箔料和復(fù)合輥之間的張力控制。放卷的卷徑越小、越重、越寬，張力就越大。復(fù)合張力控制的效果取決于復(fù)合輥、印刷輥等的速度。在復(fù)合機(jī)的運(yùn)行中，對(duì)上述輥電機(jī)的速度調(diào)節(jié)可以得到不同的張力。另外，基礎(chǔ)材料的伸縮率、厚薄率、干燥情況等，都會(huì)影響張力的產(chǎn)生和效果。速度加快，也會(huì)產(chǎn)生較大張力，導(dǎo)致基材厚度不均勻，發(fā)生輥壓力波動(dòng)；速度加快還會(huì)影響張力導(dǎo)致褶皺的發(fā)生，甚至出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

（3）放卷張力的控制由紙料、復(fù)合輥來實(shí)現(xiàn)控制，紙料以及鋁箔料的張力部分的控制，在放卷時(shí)采用被動(dòng)的方式，放卷過程基本保持穩(wěn)定，磁粉制動(dòng)器通過調(diào)節(jié)穿動(dòng)力滿足張力要求。若距離較短，則放卷張力隨著料卷的加重而加重。針對(duì)不同材質(zhì)進(jìn)行整流輸出、速度差的調(diào)整，以得到合適的張力值。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行改造方案。針對(duì)原有的卡板分立的缺點(diǎn)，采用PLC張力控制系統(tǒng)（圖2），將數(shù)字量的輸入和輸出依靠模塊的擴(kuò)展功能進(jìn)行擴(kuò)大輸入的功能實(shí)現(xiàn)，由原來的8路變?yōu)?6路。模擬量的輸入和輸出改用EM235進(jìn)行。4路檢測(cè)器對(duì)張力進(jìn)行檢測(cè)和輸入，3臺(tái)調(diào)速器控制拖動(dòng)直流電機(jī)，通過PLC來進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制。

2 硬件部分介紹

本文以臺(tái)灣生產(chǎn)的某型號(hào)復(fù)合機(jī)為例，在該機(jī)的張力控制系統(tǒng)中，采用的是西門子的PLC邏輯控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合機(jī)的控制，通過對(duì)磁粉制動(dòng)器和直流拖動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒張力控制，整個(gè)工藝流程順為：放卷—貼合—印刷—卷取。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

（1）隨著放卷的卷徑減小，張力可保持恒定。采用被動(dòng)式的方式對(duì)紙料和復(fù)合輥之間、鋁箔料和復(fù)合輥之間技能型張力控制，其工作原理為：通過磁粉控制器的制動(dòng)力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)張力的負(fù)載，這個(gè)負(fù)載可以通過傳感器進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過放大器放大后，送到控制器中?？刂破鹘o予張力控制信號(hào)，經(jīng)過制動(dòng)器作用驅(qū)動(dòng)磁粉作用送到卷軸，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其工作流程為給定張力控制器到恒流源放大器，經(jīng)過DC輸出到磁粉制動(dòng)器，再經(jīng)轉(zhuǎn)矩輸出到張力傳感器，最后進(jìn)入信號(hào)放大器，再進(jìn)行放卷輸入輸出信號(hào)閉環(huán)系統(tǒng)。使用PLC核心的張力控制系統(tǒng)，采用CPU數(shù)字量進(jìn)行模塊的輸出和輸入等程序的實(shí)現(xiàn)，利用磁粉控制器的放卷過程的張力，實(shí)現(xiàn)張力檢測(cè)輸入，完成PLC的邏輯控制。

（2）貼合控制流程，經(jīng)過導(dǎo)輥的牽引力將紙料和鋁箔料放卷，以料帶的形式進(jìn)行貼合操作。第一步進(jìn)行涂布，之后在料帶上涂上類似于膠水的物質(zhì)進(jìn)行貼合，貼合號(hào)的紙料和鋁箔料進(jìn)入貼合輥，在貼合輥和貼合輪的作用下實(shí)現(xiàn)涂布和膠水的粘合。紙料和鋁箔料粘合的過程對(duì)于PLC控制器來說是開環(huán)，提高直流調(diào)速器、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵，否則電流的閉環(huán)邏輯無法控制。PLC控制器給予電機(jī)的是速度的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行。PLC控制器完成了直流調(diào)速的控制輸出，通過直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)完成電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)邏輯控制，整體運(yùn)行狀態(tài)性能可靠，節(jié)省了測(cè)速發(fā)電機(jī)的安裝。接通電源后，進(jìn)行數(shù)字量輸入和輸出操作，使用PLC控制器對(duì)模擬量進(jìn)行輸入和輸出，分別對(duì)四個(gè)壓力傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)。在模擬量輸出部分進(jìn)行電樞電源和勵(lì)磁電源的操控，進(jìn)入三個(gè)直流調(diào)速器（圖3）。

圖3 貼合過程輸入輸出信號(hào)

（3）印刷控制是將復(fù)合后的料帶通過導(dǎo)輥輸入印刷單元輸入到張力，經(jīng)過偏差值的輸入張力，從張力控制器中，輸出-10～10V的電壓，進(jìn)入直流調(diào)速器中，給張力反饋和張力定值進(jìn)行比較得到偏差值，得到輸出量來控制直流調(diào)速器，輸出張力控制器的直流調(diào)速大小可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過DC輸出大直流電動(dòng)機(jī)中，將印刷過程的張力控制在正常范圍內(nèi)，使用控制PID算法，實(shí)現(xiàn)印刷工程的穩(wěn)定張力控制，從雙閉環(huán)發(fā)展為3閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（4）SMOREGD全數(shù)字直流調(diào)速。貼合、印刷、卷取過程的電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的構(gòu)件采用了全數(shù)字直流調(diào)速裝置。這個(gè)系統(tǒng)包含了四個(gè)模擬量輸入口、八個(gè)模擬量輸出口、四個(gè)開關(guān)量輸入和3個(gè)開關(guān)量輸出口。裝置軟件操作簡(jiǎn)便，易于替換。由于復(fù)合機(jī)正反轉(zhuǎn)的特殊性，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)合機(jī)的點(diǎn)動(dòng)。選擇單相限速調(diào)速器可以實(shí)現(xiàn)控制數(shù)字化調(diào)速器的功能，但要保證系統(tǒng)對(duì)控制精準(zhǔn)度沒有要求，可以不通過測(cè)速接口就進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3 軟件部分介紹

控制系統(tǒng)的軟件部分的啟動(dòng)是通過開機(jī)掃描等程序完成，系統(tǒng)的存儲(chǔ)器的運(yùn)行通過PLC在初始化過程中進(jìn)行電源和故障的監(jiān)測(cè)。首先開機(jī)掃描，進(jìn)行初始化部分的操控，運(yùn)行初始化程序后，如果沒有故障，則進(jìn)入下一步的掃描。下面是變速操作，可使系統(tǒng)不斷靠近新的系統(tǒng)速度。最后是PID調(diào)節(jié)部分，通過磁粉制動(dòng)器和直流電動(dòng)機(jī)完成張力控制。掃描結(jié)束后進(jìn)行故障檢測(cè)階段，發(fā)現(xiàn)故障啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，如無故障，程序結(jié)束。輸入過程中，如果電源關(guān)閉，則程序運(yùn)行結(jié)束，執(zhí)行過程也隨之結(jié)束。如果電源部分打開，則程序進(jìn)行故障輸入，程序檢測(cè)故障，則進(jìn)行自動(dòng)或者手動(dòng)選擇。采用手動(dòng)操作進(jìn)行程序運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入運(yùn)行和停車判斷過程，手動(dòng)操作用于調(diào)試設(shè)備所用，自動(dòng)操作用于生產(chǎn)。當(dāng)輸入為停車程序階段，則設(shè)備進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，如輸入為運(yùn)行，則程序啟動(dòng)運(yùn)行。

4 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入和系統(tǒng)的控制PLC控制核心可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。通過系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果證明，張力控制系統(tǒng)、模塊化設(shè)計(jì)思路是整機(jī)運(yùn)行中對(duì)質(zhì)量產(chǎn)生影響的主要因素。通過PLC控制系統(tǒng)是為了程序結(jié)構(gòu)的清晰度，為日后的改進(jìn)和維護(hù)做準(zhǔn)備。使用的小型PLC作為運(yùn)行系統(tǒng)的核心，可以令復(fù)合機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低，性能可靠，控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。

[1]張亞鋒.放卷氣動(dòng)張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2015,(2):110～112,120.

[2]劉楓，楊超君，孫君等.超薄面料用軋光機(jī)卷取機(jī)構(gòu)的減張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013,(10):146～148.

TP273

A

1671-0711（2017）01（下）-0143-02