干法復(fù)合機(jī)應(yīng)用PLC和變頻器技術(shù)的升級(jí)改造

殷曉東，丁新彥

（1.漯河天潤(rùn)彩印包裝有限公司；2.漯河市泥河洼管理處，河南 漯河 462000）

雙匯集團(tuán)天潤(rùn)彩印公司在二十世紀(jì)90年代引進(jìn)了韓國(guó)一臺(tái)干法復(fù)合機(jī)，由于元件老化，控制精度降低，故障率高，生產(chǎn)能力不能滿(mǎn)足工藝要求。經(jīng)對(duì)該設(shè)備技術(shù)評(píng)審后，對(duì)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，使干法復(fù)合機(jī)重新煥發(fā)青春。

1 原干法復(fù)合機(jī)組成及存在的問(wèn)題

干式復(fù)合是在一種基材上均勻涂布一層粘和劑，通過(guò)烘箱干燥后與第二種復(fù)合基材粘合形成新的復(fù)合材料的設(shè)備。干法復(fù)合機(jī)由兩套放卷單元，一套進(jìn)料單元，一套涂膠單元、三組干燥裝置、一套復(fù)合單元和一套收卷單元組成。干式復(fù)合機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如示意圖1所示。

原干法復(fù)合機(jī)設(shè)計(jì)最高復(fù)合速度150m/min，張力控制精度±0.5kg，張力控制范圍5～40kg/全幅。主要存在問(wèn)題是控制系統(tǒng)是可控硅直流拖動(dòng)，電子分立元件模擬調(diào)速，器件參數(shù)易漂移，元件老化，控制精度低，故障多。

圖1 干法復(fù)合機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

2 干法復(fù)合機(jī)改造硬件組成設(shè)計(jì)

按照可靠性、合理性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)改造的電氣系統(tǒng)，對(duì)干法復(fù)合機(jī)的9個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，每一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由一臺(tái)交流變頻電機(jī)拖動(dòng)，主控單元采用S7-300，通過(guò)西門(mén)子MPI串行通信總線(xiàn)與觸摸屏連接，構(gòu)成一個(gè)以S7-300為核心，以觸摸屏為操作終端，變頻器為終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高速數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

變頻器調(diào)速裝置設(shè)計(jì)選用安川G7系列變頻器，每臺(tái)變頻器均由脈沖編碼器測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，構(gòu)成閉環(huán)速度負(fù)反饋控制系統(tǒng)。通過(guò)功能設(shè)置變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)快速響應(yīng)能力，靜態(tài)精度可以達(dá)到≤±0.01%，動(dòng)態(tài)精度達(dá)到≤ ±0.05%。

變頻器功率型號(hào)的選擇如表1所示。

表1 變頻器選型一覽表

測(cè)速編碼器選用OMRON型號(hào)為E6B2-CWZ5B 600脈沖/轉(zhuǎn)。該編碼器為增量型光電旋轉(zhuǎn)編碼器，為非接觸式結(jié)構(gòu)，使用壽命長(zhǎng)、可靠性高，提高了信號(hào)的抗干擾能力和傳輸距離。

變頻器采用帶PG卡的矢量控制模式，具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)控制、張力調(diào)節(jié)控制、故障檢測(cè)和保護(hù)、電機(jī)溫度監(jiān)視等。PG卡的連接方式如圖2所示。

圖2 變頻器PG卡的連接路圖

PLC采用西門(mén)子公司S7-300的CPU314。該CPU上集成了兩個(gè)PROFIBUS-DP接口，其中一個(gè)作為MPI口，通過(guò)該口與裝有編程軟件Step7的計(jì)算機(jī)連接可進(jìn)行編程、調(diào)試、診斷等。另一個(gè)DP接口，可以將S7-300作為DP主站或從站加入到MPI網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)觸摸屏設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制。

觸摸屏選用西門(mén)子公司的MP277-10，主要用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理、電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)控制及用于參數(shù)調(diào)整的自動(dòng)系統(tǒng)控制功能。

3 干法復(fù)合機(jī)的控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 模擬量控制

改造設(shè)計(jì)利用PLC和變頻器傳動(dòng)，將干法復(fù)合機(jī)的兩個(gè)放卷、進(jìn)料、涂布、復(fù)合輥和收卷輥分別由單獨(dú)的變頻器拖動(dòng)，通過(guò)控制各段傳動(dòng)輥的線(xiàn)速度，實(shí)現(xiàn)張力的高精度控制。

干法復(fù)合機(jī)復(fù)合材料經(jīng)過(guò)兩個(gè)放卷、進(jìn)料、涂布、復(fù)合和收卷完成整個(gè)復(fù)合過(guò)程，由于各傳動(dòng)輥的線(xiàn)速度差異，因此在各傳動(dòng)輥間產(chǎn)生張力，根據(jù)復(fù)合工藝要求對(duì)各段張力進(jìn)行控制，各段張力的控制精度要求在±1%以?xún)?nèi)。每臺(tái)電機(jī)需要一個(gè)張力給定或速度給定信號(hào)，需要占用的AO通道數(shù)為9路，收卷裝置需錐度控制，因此共需10個(gè)模擬信號(hào)通道。

3.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、PLC、矢量變頻器、編碼器和擺輥式張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)人機(jī)界面可以在線(xiàn)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況、設(shè)定設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)；在系統(tǒng)中PLC是用作設(shè)備的張力控制和設(shè)備I/O控制；安裝在傳動(dòng)軸上的編碼器脈沖信號(hào)回饋到矢量變頻器的PG卡中，形成速度閉環(huán)，使整體速度精度控制在3‰以?xún)?nèi)。

3.3 張力控制原理

為提高各段張力的控制高精度和速度響應(yīng)性，本系統(tǒng)采用PID控制和同步控制相結(jié)合的方式。變頻器和編碼器組成速度控制內(nèi)環(huán)，PLC、張力傳感器組成張力外環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的串級(jí)控制；同時(shí)將測(cè)算出的放卷輥輸出線(xiàn)速度，換算成轉(zhuǎn)速后加到放卷輥后各傳動(dòng)輥的速度環(huán)上，作為速度的初始給定，這樣，在進(jìn)行張力調(diào)節(jié)之前，各傳動(dòng)輥間線(xiàn)速度基本同步，此時(shí)各傳動(dòng)輥間速度誤差在1%以?xún)?nèi)，張力誤差在3%以?xún)?nèi)(實(shí)測(cè)值)，然后通過(guò)張力串級(jí)調(diào)節(jié)進(jìn)一步提高張力控制精度。

（1）放卷線(xiàn)控制：放卷輥為干法復(fù)合機(jī)各傳動(dòng)輥的第一級(jí)，其它各輥速度跟隨放卷輥，本方案在人機(jī)界面設(shè)定設(shè)備的運(yùn)行線(xiàn)速度，通過(guò)測(cè)量放卷輥的半徑，可計(jì)算出卷輥的轉(zhuǎn)速。

（2）速度同步控制：為保證各傳動(dòng)輥之間的線(xiàn)速度基本同步，各傳動(dòng)輥的驅(qū)動(dòng)單元需進(jìn)行速度初給定，初給定的速度以放卷輥為基準(zhǔn)。設(shè)備的運(yùn)行速度在人機(jī)界面中設(shè)定，通過(guò)PLC計(jì)算后，換算成各變頻器運(yùn)行的頻率，經(jīng)PLC上模擬量輸出給各輥驅(qū)動(dòng)變頻器。由于各變頻器的加減速及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性很難一致，需對(duì)放卷輥外其它變頻器的速度初始一個(gè)修正系數(shù)，在不加張力控制時(shí)，各傳動(dòng)輥的速度偏差控制在0.8%以?xún)?nèi)。

（3）張力控制：各段張力的設(shè)定在人機(jī)界面中進(jìn)行，設(shè)定張力由PLC計(jì)算，經(jīng)D/A模塊送電氣轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換成氣信號(hào)后給擺輥氣缸，當(dāng)復(fù)合材料張力大于設(shè)定值時(shí)，擺輥上移，反之下降，同時(shí)送出電壓信號(hào)給PLC。

3.4 張力控制的方案

張力控制是干法復(fù)合機(jī)改造的最核心內(nèi)容，本方案張力控制采用西門(mén)子S7-300、安川G7變頻器，以及日本藤倉(cāng)無(wú)阻尼氣缸浮動(dòng)輥上的旋轉(zhuǎn)電位器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

浮動(dòng)輥上的電位器檢測(cè)當(dāng)前浮動(dòng)輥位置，亦即張力狀況，以模擬電壓信號(hào)反饋給PLC；PLC根據(jù)任務(wù)要求及自身程序，計(jì)算出相應(yīng)輸出，向變頻器發(fā)出指令，保證各個(gè)電機(jī)工作在同步狀態(tài)，使張力保持穩(wěn)定。

在設(shè)備一放料、二放料、進(jìn)料、涂布、復(fù)合和收卷部位，共設(shè)計(jì)了6套張力檢測(cè)器，其中收卷部位除用于張力檢測(cè)外，還用于張力的直接控制，與電控轉(zhuǎn)換器、浮動(dòng)輥和收卷變頻器共同組合，實(shí)現(xiàn)收卷的錐度控制。

收卷張力大小隨著收卷料卷直徑的增大而有規(guī)律地減少，控制模式由張力檢測(cè)器、電控轉(zhuǎn)換器、浮動(dòng)輥和收卷變頻器和PLC共同組合，實(shí)現(xiàn)收卷的錐度控制。

3.5 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

MP277-10觸摸屏通過(guò)組態(tài)畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)了干法復(fù)合機(jī)的全數(shù)字控制，提高了操作機(jī)構(gòu)的安全性和可靠性。

主顯示畫(huà)面顯示主機(jī)速度，收料A、B軸及總累積長(zhǎng)度，顯示主機(jī)狀態(tài)等功能。擺輥顯示畫(huà)面，顯示牽引、復(fù)合、收、放料各擺輥的位置狀態(tài)。在設(shè)定畫(huà)面，操作員可設(shè)定最高速度（自動(dòng)加速目標(biāo)速度），最低速度（自動(dòng)減速目標(biāo)速度），加速時(shí)間（從0m/min到200m/min所需時(shí)間），減速時(shí)間，收料張力，收料錐度張力等。設(shè)備調(diào)試畫(huà)面便于工程師現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在調(diào)試時(shí)輸入工程師密碼才能進(jìn)入。

4 結(jié)語(yǔ)

干法復(fù)合機(jī)技術(shù)升級(jí)改造后，與原控制系統(tǒng)相比，機(jī)速由150m/min提高到200m/min，張力精度由＜0.5%提高到＜0.03%，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、控制可靠、操作便利，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化助力設(shè)備升級(jí)，使老設(shè)備再次煥發(fā)青春。

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