基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

馬文明

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

?

·雙刀切紙機(jī)電氣控制·

基于伺服控制的雙刀切紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

馬文明

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

根據(jù)雙刀切紙機(jī)的工作原理及現(xiàn)場工藝要求,設(shè)計了基于伺服控制的電氣控制系統(tǒng)。對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件方面的設(shè)計,重點介紹了匯川伺服驅(qū)動器的位置控制模式的應(yīng)用。2年的應(yīng)用實踐表明，切紙機(jī)的平均誤差在±0.5 mm以內(nèi)，切口平整，無毛刺，保證了產(chǎn)品質(zhì)量；且此控制系統(tǒng)切紙精度高,性能穩(wěn)定,操作方便。

雙刀切紙機(jī)；伺服控制；位置控制模式

切紙機(jī)是重要的紙張再加工設(shè)備,主要應(yīng)用在印刷行業(yè)和包裝行業(yè)等。轉(zhuǎn)刀式切紙機(jī)的功能是將經(jīng)過復(fù)卷機(jī)卷取后的卷筒紙剪切加工成符合規(guī)格要求的平張紙，其送紙裝置和切紙裝置可以做周期性運(yùn)動,機(jī)械機(jī)構(gòu)簡單、生產(chǎn)能力強(qiáng),能同時裁切兩種以上不同長寬規(guī)格的紙張。轉(zhuǎn)刀式切紙機(jī)要保證成品紙規(guī)格的高度精確和成品紙的方正度，以保證整齊的堆紙成垛,其切長誤差和對方正度誤差一般要求不大于公稱尺寸的±0.2%[1]。為了達(dá)到此精度要求,并且高速穩(wěn)定運(yùn)行,本課題設(shè)計了基于伺服控制的電氣控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)利用伺服電機(jī)拖動切紙輥,在導(dǎo)輥機(jī)構(gòu)處安裝能夠準(zhǔn)確測量紙張線速度的編碼器,將紙張線速度作為主速度輸入到伺服驅(qū)動器中,伺服驅(qū)動器根據(jù)切長和紙速度等數(shù)據(jù)計算得到伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速,驅(qū)動伺服電機(jī)對紙張速度進(jìn)行實時的跟隨,伺服電機(jī)的編碼器向驅(qū)動器反饋脈沖數(shù),驅(qū)動器對電動機(jī)輸出軸的位置進(jìn)行修正[2]。

1 雙刀切紙機(jī)的工作原理及工藝要求

雙刀切紙機(jī)是一種雙重固定轉(zhuǎn)刀式切紙機(jī),其具有兩組送紙輥裝置,兩組切刀輥裝置。經(jīng)過復(fù)卷機(jī)卷曲之后的若干組紙卷,由送紙輥裝置驅(qū)動,經(jīng)過弧形輥和導(dǎo)輥之后進(jìn)入縱切機(jī)構(gòu),縱切機(jī)構(gòu)對紙幅按照一定規(guī)格進(jìn)行縱向分切,分切后的紙張一部分通過1號送紙輥進(jìn)入1號切紙輥,而另一部分通過2號送紙輥進(jìn)入2號切紙輥。1號送紙輥和2號送紙輥由各個送紙輥電機(jī)驅(qū)動,兩個切紙輥可以同時進(jìn)行兩種不同規(guī)格紙張的裁切。裁切后的紙張通過位于切刀輥下面的傳送帶被輸送到后面的接紙臺,進(jìn)行整理和打包[2]，如圖1所示。

以河北某造紙企業(yè)切紙機(jī)設(shè)備參數(shù)為例,設(shè)計最高車速110 m/min,工作車速35～110 m/min,設(shè)計幅寬2400 mm,退卷裝置最多可放置6卷原紙卷,送紙輥直徑為400 mm,切紙輥直徑為500 mm,送紙輥減速機(jī)的減速比為19.2,1號和2號切紙輥的減速比為9.25。切長要求為700～1300 mm,切紙誤差要求小于±0.4 mm。

圖1 雙刀切紙傳動原理示意圖

2 雙刀切紙機(jī)總體控制方案分析及確定

從雙刀切紙機(jī)的工作原理得知,切紙機(jī)在工作過程中,送紙輥由電機(jī)驅(qū)動連續(xù)送紙,切刀輥連續(xù)旋轉(zhuǎn)切紙,每旋轉(zhuǎn)1周切1次紙。每次切紙的長度與送紙輥線速度和刀輥轉(zhuǎn)速有關(guān),而且長度與這兩個速度存在如式(1)的關(guān)系[1-2]。

(1)

式中,v為送紙速度，m/min；n為刀輥轉(zhuǎn)速，r/min；L為切紙長度，mm。

在切紙長度預(yù)先設(shè)定的情況下,刀輥的轉(zhuǎn)速n與已知的送紙輥速度v呈線性關(guān)系,即n=k·v；其中k=1000/L。于是,設(shè)定不同的切紙長度L則得到不同的比例系數(shù)k,相反只要做到對k的控制即可得到不同的切紙長度L[2]。為了達(dá)到對k的精確控制,結(jié)合伺服系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性等的優(yōu)勢,決定設(shè)計基于伺服控制系統(tǒng)的雙刀切紙機(jī)控制方案。即采用交流伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)對兩臺切紙輥進(jìn)行伺服控制方式,采用交流變頻器和交流電機(jī)對兩臺送紙輥采用速度控制方式。根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作原理,只要能夠?qū)⒓垙埦€速度送入到兩臺切紙輥伺服系統(tǒng)中作為主軸速度,就能夠充分發(fā)揮交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)秀特性：動作響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好,達(dá)到雙刀切紙機(jī)控制工藝要求[3- 4]。

3 雙刀切紙機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了達(dá)到雙刀切紙機(jī)控制精度要求,本系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226CN可編程控制器作為控制單元,采用西門子品牌M440變頻器作為1號、2號送紙輥的驅(qū)動單元。采用匯川品牌IS560伺服驅(qū)動器作為1號、2號切紙輥的驅(qū)動單元,采用匯川交流伺服電機(jī)。采用西門子KTP1000觸摸屏作為系統(tǒng)人機(jī)界面,控制單元通過西門子USS通信協(xié)議與1號、2號送紙輥變頻器進(jìn)行通信,并且通過MODBUS通信協(xié)議與1號、2號切紙輥驅(qū)動器進(jìn)行通信[4]?？傮w設(shè)計如圖2所示。

可編程控制器主要輸入外部電機(jī)啟動信號,張力投入確認(rèn)信號,1組切刀和2組切刀聯(lián)動信號,電機(jī)風(fēng)機(jī)狀態(tài)信號以及外部急停信號等。由于與1號、2號送紙輥變頻器采用USS通信,與1號、2號切刀伺服驅(qū)動器采用MODBUS通信,驅(qū)動單元的控制命令、速度給定、狀態(tài)反饋、速度反饋等信息通過總線通信方式進(jìn)行控制?？删幊炭刂破饔布O(shè)計如圖3所示。

圖2 雙刀切紙機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計圖

圖3 可編程控制器硬件設(shè)計圖

圖4 送紙輥變頻器硬件接線圖

1號、2號送紙輥采用變頻器驅(qū)動,送紙輥電動機(jī)為三相交流異步電動機(jī)。由于送紙輥允許有速度的波動和偏差,采用速度控制完全滿足控制要求,系統(tǒng)主要通過計算切長,對反饋的切長誤差進(jìn)行PID計算和處理,在跟隨送紙輥速度的基礎(chǔ)上,輸出誤差補(bǔ)償值,來控制切紙輥來消除誤差。變頻器通過USS通信方式與PLC進(jìn)行通信,送紙輥電機(jī)軸上連接有編碼器,編碼器將檢測到的速度信息送入變頻器編碼器輸入模塊進(jìn)行速度的反饋,從而形成速度的閉環(huán)控制方式。送紙輥變頻器硬件接線圖如圖4所示。

1號、2號切紙輥驅(qū)動器采用匯川IS560伺服驅(qū)動器,功率為11 kW。此驅(qū)動器配置4路數(shù)字量輸入、2路高速DI、5路數(shù)字量輸出。伺服電機(jī)編碼器反饋信號輸入DB15；脈沖信號輸入DB25；通信端子CN3、CN4,支持RS232、RS485通信協(xié)議等[5]。交流伺服電動機(jī)配備有2500線高精度省線式增量型編碼器,編碼器的輸出連接到驅(qū)動器的編碼器輸入端口,形成閉環(huán)控制。為了保證伺服電機(jī)能夠精確地運(yùn)行,要求編碼器有較強(qiáng)的抗干擾性能和較高的可靠性。切紙輥在運(yùn)行中需要不斷加速和減速,為了防止在減速時驅(qū)動器中的直流電壓過高,必須為伺服驅(qū)動器配置制動電阻。交流伺服驅(qū)動器硬件接線如圖5所示。

圖5 交流伺服驅(qū)動器硬件接線圖

圖6 基于伺服控制的電氣控制系統(tǒng)程序總體設(shè)計圖

4 雙刀切紙機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

可編程控制器是雙切刀伺服控制系統(tǒng)的核心部分。本控制系統(tǒng)采用S7-200系列CPU226CN可編程控制器,使用的編程工具是STEP 7Micro/WIN。本控制系統(tǒng)編程語言為梯形圖,采用模塊化設(shè)計來實現(xiàn)各部分的功能。程序主要包括主程序和子程序,子程序包括1號送紙輥控制程序、2號送紙輥控制程序、伺服驅(qū)動器控制程序、切長設(shè)定程序、MODBUS通信程序、USS通信程序、輔助控制功能程序等。主程序主要是對各個子程序的調(diào)用。主程序的構(gòu)成見圖6。

1號送紙輥控制程序主要是通過安裝在導(dǎo)輥位置

圖7 1號和2號送紙輥控制流程圖

圖8 1號和2號切紙輥控制流程圖

圖9 切長設(shè)定程序流程圖

表1 匯川IS560伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置表

的編碼器對紙幅的實際線速度進(jìn)行測定和采集,編碼器將采集的紙幅線速度信號通過1號送紙輥變頻器接線端口,通過USS通信協(xié)議送入PLC中,PLC將編碼器反饋的實時轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的計算,得到紙幅的實時線速度。PLC將紙幅的實時線速度經(jīng)過與1號、2號送紙輥給定值比較計算出偏差值,經(jīng)過PID控制輸出1號、2號送紙輥的修正給定值,通過USS通信協(xié)議將速度給定值賦到1號、2號送紙輥變頻器中,控制1號、2號送紙輥的轉(zhuǎn)速,形成閉環(huán)控制。通過人機(jī)界面進(jìn)一步調(diào)節(jié)1號、2號送紙輥的給定速度和調(diào)整，如圖7所示。

伺服驅(qū)動器控制程序完成伺服驅(qū)動器的啟動和停止的功能,根據(jù)電子凸輪和伺服驅(qū)動器的工作特點編寫程序,伺服驅(qū)動器使能延時1 s之后,凸輪功能暫停6 s的同時伺服電機(jī)拖動切紙輥轉(zhuǎn)動尋找切紙輥的切點,找到原點并且凸輪暫停時間到達(dá)6 s之后,啟動凸輪功能,切紙輥開始工作。1號和2號切紙輥的控制流程圖如圖8所示。

切長設(shè)定程序中可編程控制器與人機(jī)界面進(jìn)行通信,操作工通過人機(jī)界面寫入1號、2號切刀輥的切長,將切長寫入到PLC程序中,PLC通過MODBUS通信協(xié)議與1號、2號伺服驅(qū)動器進(jìn)行通信,將切長寫入到伺服驅(qū)動器參數(shù)H1316中。切長設(shè)定程序流程圖如圖9所示。

5 伺服驅(qū)動器位置控制調(diào)試及參數(shù)設(shè)置

匯川IS560伺服驅(qū)動器采用位置控制模式控制交流伺服電機(jī),使用了電子凸輪的功能。在調(diào)試過程中要對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并使用設(shè)備自帶的后臺軟件查看伺服驅(qū)動器的輸出波形。通過不斷調(diào)節(jié)位置環(huán)和速度環(huán)的PID參數(shù),使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,切長誤差減小,當(dāng)切長誤差為最小時,系統(tǒng)為最佳運(yùn)行狀態(tài),停止調(diào)節(jié)參數(shù)[5- 6]。伺服驅(qū)動器的位置控制單元采用比例控制,即位置環(huán)只有一個PID的比例P參數(shù)；而速度控制單元采用比例積分控制,即具有P參數(shù)和I參數(shù)。由于速度環(huán)的響應(yīng)性能高于位置環(huán)的響應(yīng)性,為了使系統(tǒng)快速響應(yīng)而不是產(chǎn)生滯后,首先調(diào)節(jié)速度環(huán)比例和積分參數(shù),然后再調(diào)節(jié)位置環(huán)的比例參數(shù)[6]。伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

由表9(90個組合中保留前40個組合)可知，定植密度(株行距)及定芽數(shù)處理互作分析結(jié)果中，株行距50cm×100cm、定芽數(shù)4至70cm×120cm、定芽數(shù)2處理組合之間無顯著性差異，但它們與其它所有組合間存在顯著性差異，且組合平均合格插穗數(shù)較高(組合均值)。因此，以下兩因素互作組合單株平均合格插穗數(shù)(表10)和兩因素互作組合單位面積合格插穗數(shù)(表11)中只保留株行距50cm×100cm、定芽數(shù)4至70cm×120cm、定芽數(shù)2共39個處理組合進(jìn)行分析。

6 結(jié) 論

根據(jù)雙刀切紙機(jī)工作原理及精度要求,設(shè)計了基于伺服控制的電氣控制系統(tǒng)。1號、2號送紙輥采用變頻器驅(qū)動,使用USS通信協(xié)議；1號、2號切刀輥采用交流伺服驅(qū)動器控制,使用MODBUS通信協(xié)議。通過對系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計分析和改進(jìn),特別是交流伺服驅(qū)動器位置控制模式的精確調(diào)試,優(yōu)化了雙刀切紙機(jī)伺服控制系統(tǒng)。此伺服控制系統(tǒng)在河北某造紙廠得到具體應(yīng)用,通過2年的運(yùn)行情況來看,切紙機(jī)的平均誤差在±0.5 mm以內(nèi),切口平整,無毛刺。保證了產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)良,并且系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,操作簡單,得到用戶的認(rèn)可和好評。

[1] 張 立, 黃菊芳. 高速切紙機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能特點[J]. 輕工機(jī)械, 2006, 25(3)： 16.

[2] YUE Ming-jun, ZHAO Zhen. Cutter Spead Control Based on Serro Control[J]. China Pulp & Paper, 2006, 25(2)： 67.

岳明君, 趙 振. 基于PLC和變頻器的切紙機(jī)速度控制[J]. 中國造紙, 2006, 25(2)： 67.

[3] 崔 文. 基于伺服系統(tǒng)的雙刀切紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 造紙科學(xué)與技術(shù), 2014, 33(5)： 83.

[4] Wekhande S,Agarwal V.High-resolution absolute posit ion vernier shaft encoder suitable for high-performance PMSM servo drives[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006, 55(1)： 357.

[5] 深圳市匯川技術(shù)股份有限公司. IS560伺服驅(qū)動器用戶手冊[Z]. 2010.

(責(zé)任編輯：常 青)

·消息·

2016 CIPTE國際造紙技術(shù)報告會將于10月12日在上海召開

由中國造紙學(xué)會、德國造紙技術(shù)研究所(PTS)和中國制漿造紙研究院聯(lián)合主辦,中國造紙雜志社承辦的2016CIPTE國際造紙技術(shù)報告會定于2016年10月12日在上海世博展覽館召開,報告會會期一天。

CIPTE國際造紙技術(shù)報告會是造紙科技工作者了解國際造紙工業(yè)發(fā)展成果與發(fā)展動向的平臺,在中國國際造紙科技展覽會舉辦期間召開,目前已成為中國造紙行業(yè)中最有影響、最受歡迎的國際學(xué)術(shù)盛會之一。

2016 CIPTE 國際造紙技術(shù)報告會將邀請中國、德國、加拿大等國家的造紙行業(yè)專家做專題報告,探討“工業(yè)4.0”時代下創(chuàng)新技術(shù)在造紙工業(yè)中的應(yīng)用、節(jié)能降耗新舉措,以及中國造紙工業(yè)最新發(fā)展趨勢和“新常態(tài)”下企業(yè)應(yīng)如何應(yīng)對諸多挑戰(zhàn)等熱點。

一、會議時間和地點

時間：2016年10月12日(8：00—8：40報到)

地點：上海世博展覽館1號會議室

二、會議內(nèi)容及日程安排(見表1)

三、聯(lián)系方式

聯(lián)系人：劉振華 常 青 楊 揚(yáng)

電 話：010-64778161/8160/8761

傳 真：010-64778174

E-mail：89510702@qq.com

cpp2108@vip.163.com

yangyang@ctapi.org.cn

Design and Application of Synchro-fly Cutter Servo Control System

MA Wen-ming

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

(E-mail: 987746606@qq.com)

According to the working principle of synchro-fly cutter and the on site technological requirements, the electric control system based on servo control was designed and the hardware and software of the electric control system were also designed, the application of Inovance servo drive position control mode was mainly introduced. The control system had the advantages of high precision, stable performance and convenient operation.

synchro-fly cutter； servo control； position control mode

表1 2016 CIPTE國際造紙技術(shù)報告會日程

馬文明先生，助教；主要研究方向：紙機(jī)的傳動控制。

2016- 02-18(修改稿)

TP276

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.09.012