卷繞成型機設(shè)計中PLC和伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用

李文才

【摘要】卷繞成型機從半自動化到自動化設(shè)計，需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)的核心作用，從而實現(xiàn)運轉(zhuǎn)功能和效率的提升。本文介紹了卷繞成型機的基本設(shè)計，并對PLC與伺服系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計做了分析，希望能為卷繞成型機設(shè)計和使用提供參考。

【關(guān)鍵詞】卷繞成型機；伺服系統(tǒng)；設(shè)計；應(yīng)用

1.卷繞成型機的基本設(shè)計

卷繞成型機設(shè)計的基本思路是將傳統(tǒng)設(shè)計中的電機控制改為伺服系統(tǒng)控制，成型部分手動改為電機控制，在PLC控制下完成運轉(zhuǎn)，其3D結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 卷繞成型機3D結(jié)構(gòu)圖

卷繞成型機運轉(zhuǎn)工作流程為：自動進筒裝置完成空筒與卷繞繩線初始位置的方式→伺服電機控制按照卷繞方案運作的卷繞頭→卷繞方案下總控裝置控制卷繞位置并成型→完成卷繞，切斷繩線，卸下成品卷筒。根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)所示，伺服電機為皮帶、皮帶輪與齒輪等傳統(tǒng)機構(gòu)的動力源，齒輪旋轉(zhuǎn)影響完成卷繞桿與頭的旋轉(zhuǎn)，可根據(jù)實際需求調(diào)整，達(dá)到美觀效果。高速旋轉(zhuǎn)下，要限定停止區(qū)域避免發(fā)生機械碰撞、卷筒碰撞與電氣事故等。為卸筒方便，卷繞桿與頭最佳關(guān)系為直角，可避免碰撞、連續(xù)卷繞，伺服電機位置控制作用是核心[1]?？紤]到不同卷材需求，PLC與觸摸屏連接提供不同卷繞方案，伺服電機與卷繞頭配合完成卷繞任務(wù)。

2.PLC與伺服系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用

2.1 PLC與伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

對于卷繞成型機而言，PLC控制指令與編碼器檢測帶的位置反饋脈沖共同進入伺服系統(tǒng)，通過比較位置信息進行準(zhǔn)確矯正，完成速度控制器ASR的給定，調(diào)節(jié)電流與功率，確保卷繞頭始終想著偏差減小的方向宣傳。位置指令作為隨機變量，輸出必須準(zhǔn)確跟蹤變化，所以伺服系統(tǒng)內(nèi)位置隨動系統(tǒng)必須保證快速性、靈活性與準(zhǔn)確性，這一使命由三閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)，通過速度環(huán)、電流環(huán)與位置環(huán)的配合實現(xiàn)控制目標(biāo)。三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。

圖 2 三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)內(nèi)速度與位置傳感器檢測運行速度并轉(zhuǎn)化為光電編碼反饋給系統(tǒng)，通過編碼器轉(zhuǎn)換并與磁極位置檢測完成電樞電流控制。整流器將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡⑼ㄟ^電容器濾波平滑后提供給逆變器，配合PWM信號驅(qū)動，完成交流電與直流電在伺服電機電樞繞組中的應(yīng)用，其中PWM回路還會以一定頻率觸發(fā)功率器件的控制信號去，確保電壓與輸出頻率隨時保持協(xié)調(diào)，確保電樞繞組中電流的良好正弦性[2]。速度與電流的控制以PI調(diào)節(jié)為主，作用為減少震蕩，穩(wěn)定控制速度，以確保位置控制時具備快速響應(yīng)能力和穩(wěn)態(tài)時強勢的轉(zhuǎn)矩特征，抑制各種擾動。

2.2 PLC與伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

PLC脈沖信號與伺服電機脈沖信號需要經(jīng)過電子齒輪的偏差設(shè)計才能夠進入伺服控制器，電子齒輪作為分頻器，可根據(jù)實際應(yīng)用需要搭配分倍頻值，PLC控制中，不顧及減速和編碼器脈沖數(shù)，計算與應(yīng)用相對簡單。以本次研究中所提到的卷繞成型機為例，其具體應(yīng)用情況如下：

條件：圈旋轉(zhuǎn)角360°、機械結(jié)構(gòu)的傳動減速比3∶1、編碼器反饋脈沖2500P/R、1指令單位定0.1°，旋轉(zhuǎn)一周指令數(shù)：360/0.1=3600 個

電子齒輪比計算公式：（編碼器脈沖數(shù)×4/負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈的指令量）×減速比

則B/A=（2500×4/3600）×3=25/3

比如在伺服系統(tǒng)中使用信捷DS2-20P7伺服電機及驅(qū)動器，使用PLC進行編程，可實現(xiàn)輸出3600個脈沖實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，驅(qū)動卷繞頭完成一周旋轉(zhuǎn)，其中脈沖的數(shù)量決定了卷繞頭旋轉(zhuǎn)位置，脈動頻率決定卷繞頭旋轉(zhuǎn)速度。

2.3 PLC與伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計

PLC與伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計以PLC為主控單位完成內(nèi)部運行各個部分的協(xié)調(diào)與自動控制。PLC的多運動模塊滿足多樣化控制需求，同時對于遠(yuǎn)距離電機也可通過總線網(wǎng)絡(luò)通信方式實現(xiàn)同步調(diào)速與控制，減少布線數(shù)量，確保穩(wěn)定性。PLC連接構(gòu)成自動化系統(tǒng)，包括設(shè)定工藝參數(shù)、系統(tǒng)設(shè)備停送電、故障報警與自動化監(jiān)控等，其電機結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)流程從觸摸屏、控制面板到PLC與擴展模塊，最后送達(dá)氣動結(jié)構(gòu)、步進電機與伺服電機[3]。設(shè)計中可選用信捷XC5（PLC）與DS2-20P7（伺服電機）組合，功能性強，拓展性佳。設(shè)計這種系統(tǒng)需要較多的I/O點數(shù)，考慮到伺服驅(qū)動需要告訴脈沖，所以晶體管選用輸出型，型號選擇信捷CPU模塊XC5-48T-E和擴展模塊XC-E8TR，一共28個輸入及輸出，其他諸如控制按鈕、開關(guān)、傳感器與限拉開關(guān)等則選用適合型號。

做好硬件準(zhǔn)備之后，在軟件方面要根據(jù)運轉(zhuǎn)流程進行設(shè)計，基本上保持啟動→伺服電機控制卷繞頭→步進電機控制檔位成型→卷繞計數(shù)→氣動裝置卸筒→卸筒完成這一流程。在狀態(tài)顯示上，則以電檢測復(fù)位→卷繞成型功能→報警處理→狀態(tài)顯示等部分組成。電檢測復(fù)位確保系統(tǒng)處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，急停報警對程序運行進行監(jiān)測，及時發(fā)布報警信號，處理故障，同時停止主程序。經(jīng)過實際應(yīng)用調(diào)試之后，該卷繞成型機徹底完成，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，功能強大，系統(tǒng)穩(wěn)定性與拓展性較好，對比半自動化卷繞成型機來說優(yōu)越性大幅度提升，滿足了一些較常規(guī)的自動化使用功能，從應(yīng)用性上來說結(jié)構(gòu)上佳。

卷繞成型機作為重要生產(chǎn)設(shè)備，從半自動化走向自動化的過程需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)發(fā)揮核心作用，從軟硬件設(shè)計到具體應(yīng)用都要圍繞PLC和伺服控制系統(tǒng)，從而最終實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升和設(shè)備性能的提高。

3.參考文獻

[1]司徒元舜,麥敏青.紡絲成網(wǎng)生產(chǎn)線中的高性能卷繞機[J].紡織導(dǎo)報,2011(12).

[2]徐新.基于PLC的智能倉儲控制系統(tǒng)設(shè)計[J].江漢大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(03).

[3]吉鳳.基于PLC與伺服電機控制的機械手設(shè)計方案[J].科技資訊,2012(24).