基于PLC層繞機(jī)張力與排絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

田勝利，劉銀，曹國(guó)宏，李鍍鋒

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074)

排絲機(jī)系統(tǒng)在紡織和紡紗工廠里應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛和普遍了，現(xiàn)在排絲機(jī)也廣泛地應(yīng)用于塑料、金屬、印刷等行業(yè)。在這些行業(yè)中，發(fā)現(xiàn)排布的那些材料比較細(xì)，而且沒(méi)有張力，對(duì)它們進(jìn)行高精度的排絲有一定的困難，因此需要一個(gè)高精度排絲系統(tǒng)來(lái)解決這種問(wèn)題。

1 排絲機(jī)的總體控制方案設(shè)計(jì)

1.1 排絲機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

線纜卷繞機(jī)由放線機(jī)構(gòu)、繞線機(jī)構(gòu)和排線機(jī)構(gòu)三部分所組成。在排線過(guò)程中只要繞線電動(dòng)機(jī)和排線電動(dòng)機(jī)保持恒定的轉(zhuǎn)速比就可以實(shí)現(xiàn)等螺距卷繞。其中繞線排線機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卷繞排絲機(jī)構(gòu)

1.2 卷取張力控制方案

圖2所示的控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器為張力調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器接受張力定值信號(hào);速度調(diào)節(jié)器在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持線速度的恒定，電流調(diào)節(jié)器保證電機(jī)的穩(wěn)定。兩條副回路只是在卷取過(guò)程中起粗調(diào)作用，而主回路才是對(duì)卷取張力的細(xì)調(diào)。當(dāng)張力高于或低于設(shè)定值時(shí)，其調(diào)節(jié)器發(fā)生調(diào)節(jié)信號(hào)，校正卷取系統(tǒng)的給定值，不斷糾正張力，保持卷取時(shí)張力的恒定。

圖2 卷取張力控制系統(tǒng)方案

1.3 排絲控制方案

圖3 中的主調(diào)節(jié)器為位置調(diào)節(jié)器，保證每次排絲都能達(dá)到所需的位置，接下來(lái)傳遞給矢量調(diào)節(jié)器，到達(dá)一定位置后能往相反的位置行走。在整個(gè)過(guò)程中，要保證導(dǎo)軌絲杠行走的速度保持一定。通過(guò)速度調(diào)節(jié)器，保證速度保持穩(wěn)定。

圖3 排絲控制系統(tǒng)方案

2 排絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，參與運(yùn)作的主要設(shè)備器件有伺服電機(jī)機(jī)、變頻器、交流異步電動(dòng)機(jī)、PLC。其中伺服電機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié);變頻器對(duì)重要控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)調(diào)整;PLC作為核心控制器最終實(shí)現(xiàn)排絲的控制系統(tǒng)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)成。PLC 是控制中心，完成所有的運(yùn)算和自動(dòng)控制;變頻器是電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫動(dòng)裝置部分和由交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的卷繞裝置部分的變頻控制;控制面板和觸摸屏接收到速度脈沖的信號(hào)與PLC 進(jìn)行信息交換形成自動(dòng)控制，硬件系統(tǒng)的連接如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)連接圖

2.2 I/O 地址分配表

西門子S7-200 系列作為排絲機(jī)系統(tǒng)的控制器，進(jìn)行全開(kāi)關(guān)量輸入、輸出的控制，完成西門子S7-200型PLC 對(duì)控制系統(tǒng)的作用。其中I/O 地址分配圖如表1所示。

表1 I/O 地址分配圖

2.3 I/O 接線圖

I/O 地址接線圖如圖5所示。它和表1所示的電氣控制系統(tǒng)的資源配置I/O 口地址分配相對(duì)應(yīng)。

圖5 I/O 接線圖

3 系統(tǒng)的仿真

為檢驗(yàn)此設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性、正確性以及穩(wěn)定性，在這里使用MATLAB 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真，確定系統(tǒng)的可靠性，驗(yàn)證所做設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3.1 恒張力仿真

由于此系統(tǒng)恒張力控制比較復(fù)雜，不易精確求得數(shù)學(xué)模型、被控對(duì)象的參數(shù)變化較大，因此采用PID校正能得到滿意的控制效果。

經(jīng)上文分析可以知道，卷取張力的控制實(shí)際是一個(gè)速度跟蹤器，下面將對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行仿真。張力仿真控制框圖如圖6所示。

圖6 張力仿真控制框圖

被控系統(tǒng)為一個(gè)二階系統(tǒng)，其中，Kt=46.67，τt=0.001 46，得出張力慣性傳遞函數(shù)如下所示:

利用MATLAB 實(shí)現(xiàn)，輸入?yún)?shù):

Kr=400Tp=10-6TI=10-3

通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)采用PID 校正，得出如圖7所示的階躍響應(yīng)曲線。

從仿真結(jié)果可以看出:改進(jìn)后，張力環(huán)的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短，并且也能很快保持穩(wěn)定狀態(tài)，使得卷取張力能很好地保持穩(wěn)定。

圖7 階躍響應(yīng)曲線

3.2 排絲伺服系統(tǒng)的仿真

排絲系統(tǒng)主要是由伺服電機(jī)控制的，而來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)是由位置控制的，因此，這里主要測(cè)試位置環(huán)的階躍性。

圖8 位置環(huán)框圖

被控系統(tǒng)為一個(gè)二階系統(tǒng)，根據(jù)二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的超調(diào)量和阻尼比ξ 之間的關(guān)系，可求得ξ=0.69，ωn=140.27，得出傳遞函數(shù)如下:

所需的主軸變頻率利用MATLAB 實(shí)現(xiàn)，其參數(shù)設(shè)置如下:

T=40K=0.05 τ=1.0

從圖9 可以看出:位置環(huán)的響應(yīng)時(shí)間明顯縮短了，位置階躍超調(diào)明顯小于傳統(tǒng)，因此改進(jìn)后位置環(huán)的穩(wěn)定程度有所提高，也就是說(shuō)明排絲伺服機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性改善。

圖9 位置環(huán)的階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)介排絲機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成和工作原理。為實(shí)現(xiàn)焊絲的自動(dòng)排絲，設(shè)計(jì)了硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。硬件由模擬量采集模塊來(lái)處理張力傳感器輸入的張力信號(hào)，由可編程序控制器對(duì)模擬量模塊的信號(hào)進(jìn)行操作和計(jì)算，模擬量輸出傳給變頻器，變頻器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，以實(shí)現(xiàn)焊絲的高精度排絲。并且能使排絲伺服系統(tǒng)適應(yīng)各種變化而不斷地修正控制器的參數(shù)，控制速度環(huán)跟隨理想模型，從而使位置環(huán)輸出達(dá)到理想效果，實(shí)現(xiàn)高精度排絲。

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