基于PLC 和伺服控制的細(xì)繩卷繞成型機(jī)

吳明琪，周武能，張志杰，孫培德

（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引言

細(xì)繩卷繞成型機(jī)在制繩行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，是在生產(chǎn)線(xiàn)的主流程中處于最下游的主體設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)制繩行業(yè)的卷繞機(jī)還處于半自動(dòng)化狀態(tài)，設(shè)備陳舊，采用傳統(tǒng)的電氣控制方式，電氣控制的任務(wù)基本都由繼電器控制系統(tǒng)完成［1］。由于該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛，至今仍在許多簡(jiǎn)單機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用。但是該系統(tǒng)采用固定的硬接線(xiàn)方式來(lái)完成各種控制邏輯，靈活性差，拓展性不強(qiáng)。另外機(jī)械式的觸點(diǎn)工作頻率低、易損壞、可靠性不高、壽命低，經(jīng)常需要維修。綜上所述，當(dāng)前制繩企業(yè)一方面需要克服傳統(tǒng)電氣控制方式帶來(lái)的缺點(diǎn)，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度；另一方面，自動(dòng)化程度的提高可以減緩人力資源成本帶來(lái)的壓力，保存企業(yè)的優(yōu)勢(shì)，尋求生存和發(fā)展的空間。

隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展和應(yīng)用，可編程邏輯控制器（PLC）以軟件手段來(lái)完成各種控制功能，克服了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的諸多缺點(diǎn)，作為工業(yè)現(xiàn)代化的技術(shù)支柱之一，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域占有十分重要的地位。PLC 把計(jì)算機(jī)的功能完備、通用性和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的操作方便、簡(jiǎn)單易懂、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，是一種適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置［2］。電機(jī)是本系統(tǒng)一個(gè)重要的執(zhí)行部件，三相交流異步電機(jī)已無(wú)法滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)對(duì)精確位置控制和高轉(zhuǎn)速的需求，而伺服控制技術(shù)以其精確的檢測(cè)裝置，速度和位置雙閉環(huán)控制，高性能的伺服電動(dòng)機(jī)與寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)可滿(mǎn)足當(dāng)前復(fù)雜控制的需求。

1 細(xì)繩卷繞成型機(jī)裝置的基本設(shè)計(jì)

細(xì)繩卷繞成型機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想：卷繞頭由原來(lái)的直接電機(jī)啟?？刂聘臑樗欧姍C(jī)控制；成型部分由原來(lái)的手動(dòng)控制改為步進(jìn)電機(jī)控制；整機(jī)在PLC 的控制下自動(dòng)完成一筒細(xì)繩卷繞成型的全過(guò)程。細(xì)繩卷繞成型機(jī)的3D 結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

該設(shè)備的主要工作流程如下：由自動(dòng)進(jìn)筒生頭裝置將空筒置于卷繞位置，并將需卷繞繩線(xiàn)牽引至初始位置；卷繞頭總控裝置按照一定的卷繞方案啟動(dòng)卷繞頭的伺服電機(jī)進(jìn)行卷繞；同時(shí)按照同一卷繞方案，總控裝置通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制卷筒的卷繞位置，以形成所需的卷繞成型；完成規(guī)定長(zhǎng)度（或形狀）的卷繞后，總控裝置控制切斷裝置切斷繩線(xiàn)，并啟動(dòng)卸筒裝置將卷繞成型的成品卷筒卸下（也可用人工卸筒）。

圖1 細(xì)繩卷繞成型機(jī)

如圖1 所示，卷繞桿和卷繞頭通過(guò)皮帶、皮帶輪、齒輪等一系列傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，它們使用的是同一個(gè)動(dòng)力源，即伺服電機(jī)。卷繞桿和卷繞頭的旋轉(zhuǎn)通過(guò)這些齒輪相互影響，這種影響需要基于實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，保證成品繩團(tuán)漂亮美觀、不易松垮。在保證卷繞頭具有較高轉(zhuǎn)速的同時(shí)，需要對(duì)其停止的區(qū)域進(jìn)行限定以使得在卸筒時(shí)不與卷繞桿碰撞，避免發(fā)生機(jī)械和電氣故障。因?yàn)樵谛锻矔r(shí)卷繞桿附加的伸縮機(jī)構(gòu)（氣動(dòng)機(jī)構(gòu)）會(huì)動(dòng)作，伸出卷繞桿，通過(guò)旁邊的卸筒裝置完成卸筒。為了卸筒方便，卷繞桿與卷繞頭旋轉(zhuǎn)的軸之間會(huì)成直角，如果卷繞頭停止的位置在上半周，線(xiàn)頭也在上半周，這樣會(huì)對(duì)下個(gè)卷繩周期產(chǎn)生影響；如果卷繞頭停在水平位置，則卸筒時(shí)會(huì)與卷繞桿發(fā)生碰撞，所以卷繞頭最好停在正下方的位置，這里就需要伺服電機(jī)的位置控制。

另外，不同的線(xiàn)材需要繞出不同的形狀，可以在觸摸屏中選擇不同的線(xiàn)材，觸摸屏?xí)cPLC進(jìn)行通信，將所需繞繩的參數(shù)傳遞到PLC 中。圖1 中調(diào)節(jié)檔位的步進(jìn)電機(jī)需要和驅(qū)動(dòng)卷繞頭和卷繞桿的伺服電機(jī)通過(guò)PLC 的控制相互配合，完成不同線(xiàn)材的不同卷繞方法，保證了卷繞成的繩團(tuán)美觀不易松垮。

2 三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)

2.1 三相交流永磁同步伺服系統(tǒng)的工作原理與組成

將PLC 發(fā)出的指令脈沖和編碼器檢測(cè)帶的位置反饋脈沖送入伺服控制器進(jìn)行比較，確定偏差，得到校正信號(hào)作為速度控制器ASR 的給定，再經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)和功率放大，使得伺服電機(jī)和卷繞頭向著偏差減小的方向旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槲恢弥噶钍且粋€(gè)經(jīng)常變化的隨機(jī)變量，需要輸出準(zhǔn)確跟蹤給定的變化，所以位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)由輸出相應(yīng)的快速性、靈活性、準(zhǔn)確性決定。采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)構(gòu)成的三閉環(huán)控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足以上指標(biāo)。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的三閉環(huán)位置控制的組成框圖如圖2 所示。

圖2 三閉環(huán)位置控制伺服系統(tǒng)

2.1.1 速度和位置傳感器 為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，通常在電動(dòng)機(jī)軸的非負(fù)載端安裝速度檢測(cè)傳感器，在伺服系統(tǒng)里該部件一般為光電編碼器。對(duì)于永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，還必須有轉(zhuǎn)子永磁體的磁極位置檢測(cè)器檢測(cè)出磁極位置，從而實(shí)現(xiàn)電樞電流的正交控制。實(shí)際上，檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、磁極位置和系統(tǒng)的定位控制都可用光電編碼器來(lái)完成。

2.1.2 功率逆變器和PWM 生成電路 功率逆變器主要由整流器和逆變器兩部分組成。整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經(jīng)過(guò)電容器濾波平滑后提供給逆變器作為直流輸入電壓，在PWM 控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，逆變器將輸入的直流電變成電壓和頻率可調(diào)的交流電，輸入到伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組中。PWM 回路以一定的頻率產(chǎn)生觸發(fā)功率器件的控制信號(hào)，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關(guān)系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。

2.1.3 速度控制器和電流控制器 速度控制器一般是PI 調(diào)節(jié)的，它的輸出是直流電流量，它的作用主要是穩(wěn)定控制速度，不產(chǎn)生振蕩。在進(jìn)行位置控制時(shí)，速度環(huán)需要具備快速響應(yīng)的能力，并能在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有很硬的轉(zhuǎn)矩特性，從而抑制各種擾動(dòng)。

電流控制器是三閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，它使得電樞繞組中的電流在幅值和相位上都能得到有效的控制，通常也采用PI 調(diào)節(jié)，具備快速響應(yīng)的能力，以應(yīng)對(duì)電流瞬時(shí)跟蹤控制的要求，它的電流環(huán)增益不能在PLC 里調(diào)節(jié)，是隨著伺服控制器的型號(hào)而定的［3］。

2.2 三相交流永磁同步伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

PLC 發(fā)出的脈沖信號(hào)需要和伺服電機(jī)光學(xué)編碼器反饋的脈沖信號(hào)共同送入伺服控制器，均需要通過(guò)電子齒輪變換才能進(jìn)行偏差的設(shè)計(jì)。電子齒輪是一個(gè)分頻器，可以根據(jù)需要搭配分倍頻值。PLC 在進(jìn)行控制時(shí)，可以不顧及機(jī)械的減速比和編碼器的脈沖數(shù)，其計(jì)算與應(yīng)用也十分簡(jiǎn)單。以本設(shè)計(jì)為例，1 圈旋轉(zhuǎn)角為360°，機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)減速比為3∶1，編碼器反饋脈沖為2500P/R，1 指令單位定為0.1°，則旋轉(zhuǎn)一周需要360/0.1=3600 個(gè)指令，按照電子齒輪比的計(jì)算公式B/A=（編碼器脈沖數(shù)×4/負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1 圈的指令量）×減速比=（2500×4/3600）×3=25/3。

在細(xì)繩卷繞成型機(jī)卷繞頭的位置控制系統(tǒng)中，使用信捷DS2－20P7 伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)對(duì)PLC 的高速脈沖輸出Y000 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)PLC每輸出3600 個(gè)脈沖，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，驅(qū)動(dòng)卷繞頭旋轉(zhuǎn)一周。Y000 的高速脈沖作為伺服驅(qū)動(dòng)器的位置指令，脈沖的數(shù)量決定了卷繞頭的旋轉(zhuǎn)位移，脈沖的頻率決定了伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度，即卷繞頭的旋轉(zhuǎn)速度。

3 細(xì)繩卷繞成型機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制方案采用PLC 作為主控制單元，協(xié)調(diào)設(shè)備中各個(gè)部分的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)細(xì)繩卷繞成型機(jī)的自動(dòng)控制。

PLC 控制系統(tǒng)提供了許多專(zhuān)業(yè)化運(yùn)動(dòng)控制功能塊，如電子齒輪、電子凸輪、轉(zhuǎn)矩控制、觸發(fā)定位、鼓序列發(fā)生器、CNC 等，可以滿(mǎn)足各種控制需求，實(shí)現(xiàn)同步控制功能。即使對(duì)于遠(yuǎn)距離的電機(jī)，PLC 控制系統(tǒng)也可以通過(guò)工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信方式實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)距離的電機(jī)同步調(diào)速，大大減少布線(xiàn)數(shù)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)由PLC 相連接。根據(jù)需要可選擇設(shè)置上位機(jī)（操作面板），用于整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)工藝過(guò)程及運(yùn)行數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、系統(tǒng)主要設(shè)備的停送電、工藝參數(shù)的設(shè)定、故障報(bào)警顯示、整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控、生產(chǎn)報(bào)表打印以及生產(chǎn)管理等。

由PLC 組成的細(xì)繩卷繞成型機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)用于完成各部分傳動(dòng)裝置的速度設(shè)定（包括升降速曲線(xiàn)控制、卷繞成型控制等）、聯(lián)調(diào)以及必要的手動(dòng)操作、現(xiàn)場(chǎng)工藝數(shù)據(jù)的顯示等。細(xì)繩卷繞成型機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 細(xì)繩卷繞成型機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由PLC（信捷XC5）與伺服系統(tǒng)（DS2－20P7）等元件組合而成，具有功能強(qiáng)、擴(kuò)展性好、模塊化的特點(diǎn)。

本系統(tǒng)所需的I/O 點(diǎn)數(shù)較多，輸入信號(hào)包括光電傳感器、接近開(kāi)關(guān)、控制面板的按鈕，還有一些限位開(kāi)關(guān)等。輸出信號(hào)包括伺服驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)的信號(hào)、控制面板的指示燈、氣動(dòng)所需的電磁閥控制等。由于伺服驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)需要高速脈沖，PLC 采用晶體管輸出型，基于上述考慮，選配信捷CPU 模塊XC5－48T－E 和擴(kuò)展模塊XC－E8TR，總共28 個(gè)輸入和28 個(gè)輸出［4］。

設(shè)計(jì)好電氣圖紙和加工電控柜，完成接線(xiàn)后，需對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

細(xì)繩卷繞成型機(jī)的流程圖如圖4 所示。整個(gè)主程序由上電檢測(cè)復(fù)位、卷繞成型功能、急停報(bào)警處理以及狀態(tài)顯示等部分組成。

3.2.1 上電檢測(cè)復(fù)位子程序 系統(tǒng)上電之后按下復(fù)位按鈕，PLC 調(diào)用上電檢測(cè)復(fù)位子程序，目的是保證系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)，如果子程序通過(guò)檢測(cè)各個(gè)傳感器，得到系統(tǒng)未處于就緒狀態(tài)，則該子程序啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位。

3.2.2 急停報(bào)警處理子程序 當(dāng)系統(tǒng)正在運(yùn)行時(shí)，PLC 會(huì)在每個(gè)掃描周期調(diào)用該子程序。急停動(dòng)作時(shí)，主控程序停止執(zhí)行。PLC 也會(huì)在每個(gè)掃描周期掃描一些關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)的報(bào)警信號(hào)，如果伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)出錯(cuò)報(bào)警，則PLC 立即使主控程序停止，同時(shí)報(bào)警信號(hào)燈閃爍。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置表

圖4 細(xì)繩卷繞成型機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.2.3 主控程序 圖4 是主控程序的軟件設(shè)計(jì)流程圖，細(xì)繩卷繞成型機(jī)會(huì)在本階段完成一系列步進(jìn)順序動(dòng)作。當(dāng)卷繞頭和卷繞桿旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間（使用定時(shí)器）之后，繩團(tuán)生頭完成，卷繞頭和卷繞桿繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，它與伺服電機(jī)搭配完成繩團(tuán)成型的功能。當(dāng)卷繞完畢（計(jì)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)圈數(shù)）并且卷繞頭所停位置正確時(shí)，卸筒裝置（氣動(dòng)機(jī)構(gòu)）完成卸筒動(dòng)作，這樣一個(gè)工序完成，如此往復(fù)，完成下一個(gè)繩團(tuán)的卷繞［5］。

4 結(jié)論

經(jīng)調(diào)試，該細(xì)繩卷繞成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、裝備靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定，使用PLC 利用其內(nèi)部的軟觸點(diǎn)來(lái)取代先前的機(jī)械觸點(diǎn)，大大提高了細(xì)繩卷繞成型機(jī)的自動(dòng)化程度，如配合觸摸屏的使用調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)操作更加方便。此外，本系統(tǒng)又充分發(fā)揮了伺服控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，即控制靈活、響應(yīng)迅速、定位精準(zhǔn)等特點(diǎn)，滿(mǎn)足三閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的性能要求，具有很好的應(yīng)用前景。

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