基于PIC單片機的智能換卷控制器設(shè)計

張克銳，林洪貴，林金表，鄭子武，李寒林

(1．集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021;3．船舶輔助導(dǎo)航技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

紙制品生產(chǎn)線需要穩(wěn)定的料卷張力及生產(chǎn)速度以保證成品質(zhì)量。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線換卷時都存在停機過程，造成了材料浪費，降低了設(shè)備的產(chǎn)能。在換卷技術(shù)研究方面，柏承東[1]利用變頻控制技術(shù)，通過PLC實現(xiàn)了紙機換卷的速度控制；XIE[2]利用機光電一體化技術(shù)，設(shè)計了復(fù)合膜自動放卷控制設(shè)備；馮開林[3]研究了光電液伺服控制系統(tǒng)的控制方法，利用MATLAB進行了仿真，證明了方法可靠；文獻(xiàn)[4-8]研究了換卷過程中張力控制問題。以上研究主要針對主控制器的算法和控制策略，但是由于主控制器同時控制多個換卷單元，布線復(fù)雜，部分機械結(jié)構(gòu)控制時間滯后，精度不高。為解決此問題，本文提出現(xiàn)場控制方式，結(jié)合光電檢測，開發(fā)基于PIC單片機的生產(chǎn)線智能換卷控制器，以期改善控制器的穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。

1 換卷單元的工作流程

針對某紙制品生產(chǎn)線進行技術(shù)改造，該生產(chǎn)線長38 m，分配有7組自動換卷單元，7個換卷單元由一臺PLC控制，線路復(fù)雜，控制系統(tǒng)采用屏蔽線來抑制信號傳輸中的干擾，費用高、穩(wěn)定性差。為解決此問題，本文提出了基于PIC單片機的生產(chǎn)線智能換卷控制策略，每個控制器獨立控制相應(yīng)的換卷單元，生產(chǎn)過程中，換卷單元均采用A卷、B卷自動換卷，A卷運轉(zhuǎn)，B卷備用，A卷放卷完畢自動切換到備用B卷，輪流切換。單元的流程圖如圖1所示。

A卷和B卷物料分別套在由變頻電機驅(qū)動的氣脹軸上。首先，A卷物料經(jīng)過自動換卷機構(gòu)，進入儲料機構(gòu)的儲料架上；然后，物料由牽引機構(gòu)的輸送輥，經(jīng)過二次張力調(diào)節(jié)桿，傳送至后續(xù)生產(chǎn)設(shè)備。其中，張力控制機構(gòu)配備有位移傳感器或者角度傳感器，通過檢測位移或角度信號，控制變頻電機和輸送輥的轉(zhuǎn)速，從而保持張力恒定。

A卷物料開始輸出后，控制器利用光柵傳感器的信號，間接推算A卷是否接近放卷完畢。如達(dá)到換卷標(biāo)準(zhǔn)，由換卷機構(gòu)自動實現(xiàn)切斷A卷尾料、導(dǎo)入B卷運轉(zhuǎn)、兩卷接頭壓緊接合等工作，從而實現(xiàn)不停機狀態(tài)下的A卷、B卷切換。自動換卷后，控制器發(fā)出提示信號，操作人員只需在B卷放卷結(jié)束前，重裝A卷物料到氣脹軸上，即可保證生產(chǎn)過程連續(xù)運轉(zhuǎn)。由于儲料架可以存儲一定長度的物料，其角度變化時，存儲的物料長度可以有適當(dāng)?shù)淖兓?，起到換卷過程中緩沖張力波動作用。

2 硬件電路設(shè)計

本文選用帶有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的PIC16F1777單片機作為硬件電路的主控制芯片。圖2是控制器的部分電路原理圖。限于篇幅，輸入量控制電路、單片機復(fù)位電路、RS485通信電路、電源電路等不具體給出。圖2中輸入輸出信號的引腳標(biāo)號與單片機相對應(yīng)，如74HC574的11腳上標(biāo)注的RA3對應(yīng)單片機引腳RA3。

2.1 輸入量控制電路

輸入端口分為開關(guān)量輸入和模擬量輸入。其中：開關(guān)量有按鈕信號、光電耦合器(以下簡稱光耦)檢測信號；模擬量有位移傳感器信號。光耦信號用于檢測物料斷掉或換卷接合未成功。正常情況下，光耦的紅外發(fā)射管產(chǎn)生的紅外光線，被物料遮擋，無法照射到紅外接收管，物料斷掉或接合失敗時，紅外光線照射到紅外接收管，使接收管導(dǎo)通。導(dǎo)通信號通過開關(guān)量通道輸入單片機后，單片機發(fā)出報警。

2.2 輸出量控制電路

輸出量分為模擬量輸出和繼電器輸出(見圖2)。單片機數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號至變頻器來控制電機的轉(zhuǎn)速。單片機通過2組74HC574芯片和ULN2004芯片驅(qū)動12路繼電器，從而控制氣缸、氣脹軸、A卷和B卷電機、變頻器輸入的三相電源的開關(guān)。

2.3 電路的抗干擾設(shè)計

峰值電流形成瞬態(tài)的噪音電壓干擾，使信號失真，采用鐵氧體磁珠濾除頻率高的干擾，進而濾掉數(shù)字電路中的噪音。模電的地線和數(shù)電的地線走不同的線，防止數(shù)字信號電流在模擬電路地線中產(chǎn)生干擾。同時選用較粗地線，防止電位隨電流波動而發(fā)生變化，造成定時信號的電平不穩(wěn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件控制流程

智能換卷控制器的軟件部分采用模塊化設(shè)計，流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)開機之后進行初始化和自檢，判斷自身是否存在故障。自檢后，通過通信請求模塊，接收上位機設(shè)定的生產(chǎn)線設(shè)備運行速度數(shù)據(jù)，設(shè)置物料卷的初始轉(zhuǎn)速，為設(shè)備運行做好準(zhǔn)備。正常運行時，通過信號采集模塊，讀取運行物料卷信息，實時檢測儲料架位置、光電及按鈕等信號。通過光耦傳感器信號，判斷物料是否斷開或未接合。通過卷徑計算模塊，檢測輸送輥軸和物料卷軸上布置的光柵信號，及時調(diào)節(jié)輸送輥、物料卷電機轉(zhuǎn)速，并利用轉(zhuǎn)速值間接計算卷徑。在判斷物料即將用完時，通過換卷模塊，進行自動換卷，并提示工作人員更換尾料卷。

3.2 自動換卷算法

自動換卷需要推算卷徑的大小和換卷時刻，本文采用間接推算方法[9]。由圖1可知，由于物料從自動換卷機構(gòu)至生產(chǎn)設(shè)備過程中，經(jīng)歷了儲料架和輸送輥，因此，總放卷長度為儲料架儲料長度變化量和輸送輥兩部分的物料長度之和。

具體推算方法為：選取物料A卷或B卷運轉(zhuǎn)不超過一圈的定時時長T0，物料A卷、B卷和輸送輥轉(zhuǎn)動軸上布設(shè)光柵盤，開槽數(shù)為m個，用光耦檢測定時時間T0內(nèi)A卷或B卷、輸送輥轉(zhuǎn)過的槽數(shù)。位移或角度傳感器檢測定時開始和結(jié)束時儲料架角度分別為θ1和θ2，則物料A卷、B卷輸送料長l為：

l=k(πxd/m+z2-z1)。

(1)

式中：k為張力作用下的拉伸率，一般小于1.02；x為輸送輥定時時間T0轉(zhuǎn)過的槽數(shù)；d為輸送輥輥徑，一般為120 mm。z1、z2分別為儲料架轉(zhuǎn)角為θ1和θ2時對應(yīng)物料儲存長度，其對應(yīng)關(guān)系已經(jīng)提前存儲于單片機內(nèi)。

假如A卷運行，根據(jù)公式(1)實時計算出A卷輸送料長，當(dāng)物料即將用完時，控制器輸出控制信號，使A卷電機停止運行，氣缸伸出，壓住A卷物料，接合氣缸伸出，使A卷、B卷物料接在一起，同時切斷氣缸伸出，推動切刀切斷A卷物料。所有氣缸回位，B卷電機運行，實現(xiàn)A卷、B卷自動換卷。

3.3 張力控制

張力控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，收放卷張力的變化會影響產(chǎn)品的質(zhì)量。張力過大，物料會產(chǎn)生拉伸形變，甚至斷裂；張力過小，物料復(fù)合時不整齊。采用傳統(tǒng)的PID控制算法難以精確實時的控制器的張力；本文采用具有自適應(yīng)性的模糊PID控制算法來實現(xiàn)張力的有效控制,控制算法具體流程圖如圖4。

通過儲料機構(gòu)上的位移傳感器或角度傳感器的測量值與設(shè)定值比較，得到轉(zhuǎn)速偏差值e，微分得到偏差變化量值ec。e和ec各乘以相應(yīng)的系數(shù)并取整，模糊化得到相應(yīng)的模糊量，根據(jù)模糊量獲取轉(zhuǎn)速控制增量，乘比例因子即為轉(zhuǎn)速控制增量值。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 張力控制試驗

根據(jù)智能換卷控制器的硬件電路制作印刷電路板，軟件編譯并寫入單片機后，安裝于某紙制品生產(chǎn)線進行試驗。試驗機臺設(shè)計最高速度為600片/min，某型號紙制品的總長為530 mm，可以算出最高線速度為318 m/min。試驗中先將放卷速度調(diào)節(jié)到318 m/min左右，人為調(diào)節(jié)變頻器的頻率，在正常運行過程中突然改變轉(zhuǎn)速，從318 m/min降速20%、40%、60%，然后又突然增加20%、40%、60%。在非換卷狀態(tài)下，測得張力控制的儲料架最大波動不超過8.3°，張力控制滿足生產(chǎn)的需要。

4.2 成本節(jié)省估算

在相同的條件下，分別使用智能控制器、傳統(tǒng)的PLC控制器和人工換卷三種方法，進行了11次測試，三種方法的尾料長度如表1所示。從表1可以看出，本智能控制器每次換卷浪費的料尾為1.7 m 左右，較傳統(tǒng)控制器換卷產(chǎn)生的尾料減少了8.59 m左右，大大節(jié)省物料成本；手動換卷方式的尾料浪費與本智能控制方法相近，但是人工成本高。

表1 本智能控制與傳統(tǒng)方法尾料長度比較表

試驗采用的熱封布卷徑為600 mm，物料長度為4000 m，寬度為320 mm，選用18 g/m2熱封布，市場價格大概為22元/kg。對比傳統(tǒng)自動換卷每卷能節(jié)約8.59 m尾料來計算，每卷大概節(jié)約1.1元左右。生產(chǎn)線500片/min紙制品，每片需要熱封布長度為440 mm，所以，按照24 h不停機計算，每天需要79.6卷熱封布。對比傳統(tǒng)自動換卷方式，智能換卷設(shè)備每月能節(jié)省2626.8元。生產(chǎn)線上有7組換卷機構(gòu)，整條生產(chǎn)線每個月約能節(jié)省18 000元。

此外，該控制器采用成本較低的單片機控制器，約230元/臺，減少PLC擴展板數(shù)量(1000元/臺)；生產(chǎn)線共有7組換卷機構(gòu)，節(jié)約材料費和部件費約2.4萬元。

5 結(jié)論

不停機自動換卷控制器是紙制品生產(chǎn)線的核心單元，本文在分析某型紙制品生產(chǎn)線現(xiàn)有控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于PIC單片機的智能換卷控制器，控制器可獨立控制相應(yīng)的換卷單元，采用具有自適應(yīng)性的模糊PID控制算法，實現(xiàn)張力的恒定。通過生產(chǎn)線調(diào)試，與傳統(tǒng)PLC控制方法和人工換卷方法比較發(fā)現(xiàn)，本文的智能控制器簡化了布線，節(jié)省了生產(chǎn)成本。通過修改本智能換卷控制器參數(shù)，可在印刷、包裝等相似生產(chǎn)線中作為獨立單元使用，市場應(yīng)用前景廣闊。