基于PLC技術的分切機自動控制系統(tǒng)設計

(寶雞職業(yè)技術學院 電子信息工程系，陜西 寶雞 721013)

0 引言

文獻[8]設計了基于模糊控制的分切機自動控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用PLC為控制核心，使用模糊控制算法對分切機主要運行的工況進行分析，不依靠分切機運行狀態(tài)方程和參數(shù)，自動選擇最佳輸出量對3臺分切機進行控制，該方法控制響應性較好，但存在一定的控制風險。文獻[9]設計了一種分切機自動控制系統(tǒng)。分切機自動控制系統(tǒng)運用的是ST188型紅外光電傳感器，檢測了一定時間內(nèi)使用分切機分切的數(shù)量；通過YS41F型霍爾元件對分切機工作的速度進行計算；并且該系統(tǒng)接收和采集分切量和分切速度信息用的是AT89C51型單片機。通過分析和計算分切機實際應用中分切的速度和設定值的不同，向調(diào)節(jié)裝置森創(chuàng)110BYG250C型步進點機發(fā)射出相應的指令。當實際的分切速度的偏離值超過了系統(tǒng)設定的允許機器偏差的誤差范圍時系統(tǒng)會及時的發(fā)出警報，通過單片機的輸出，同時采用實時的警報加上指示燈不斷閃爍的警報，這個系統(tǒng)的控制精確度雖然較高，但是該系統(tǒng)響應性較差。文獻[10]提出了一種基于組態(tài)技術的分切機自動控制系統(tǒng)?；诮M態(tài)技術的分切機自動控制系統(tǒng)包括了分切機的人機交互界面，在實現(xiàn)分切機工作狀態(tài)的實時檢測和遠程控制的同時也最大程度的提高了分切機自動控制系統(tǒng)的運行效率。雖然這個系統(tǒng)的實時控制性較好，但是該系統(tǒng)實際應用擴展性較差。

針對上述產(chǎn)生的問題，提出一種基于PLC技術的分切機自動控制系統(tǒng)設計。研究表明，采用該技術實現(xiàn)了分切機自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，該系統(tǒng)的控制響應性較好，而且具有良好的應用價值。

1 分切機的自動控制系統(tǒng)整體設計

在采用PLC技術對分切機自動控制系統(tǒng)進行設計過程中，首先配備PLC定位控制模塊，伺服驅(qū)動機構模塊。其次是觸摸屏模塊，變頻器模塊，回旋切割機構模塊和傳送機構模塊。具體系統(tǒng)設計參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設計參數(shù)

分切機的自動控制系統(tǒng)整體設計構成圖如圖1所示。

圖1 分切機自動控制系統(tǒng)的基本構成圖

在日常工作中，等待切割的物品放在分切機的輸送槽中，由安裝有撥叉的伺服電機驅(qū)動鏈條將物品推送到指定的位置，然后用回旋切割裝置對物件進行切割，并切割出系統(tǒng)設定的尺寸?；匦懈钅K對物品的長度進行設定，物品的首尾進行修飾和切割同時還對物品首部的切割長度作出規(guī)定，按照物品的長度來連續(xù)、自動的切割出所需的長度。PLC定位模塊主要負責完成和觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳遞工作，兩者之間相互配合。伺服驅(qū)動模塊實現(xiàn)實時監(jiān)控分切機運行和對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行報警，在情況緊急下能夠馬上停止；傳送機構是用來傳送模塊之間的數(shù)據(jù)和信息，起到模塊之間的橋梁作用。變頻器是用來調(diào)控和整頓分切機回旋刀架的轉動速度。觸摸屏模塊主要顯示分切機自動控制系統(tǒng)的參數(shù)和運行狀態(tài)。

結合分切機的工藝要求和分切機在運作中的特點，分切機的控制系統(tǒng)硬件的配置如下所示。

結合峨眉武術的地域特點、文化內(nèi)涵和歷史發(fā)展過程，峨眉武術文化的概念一般被解釋為：“具有區(qū)域特色的峨眉武術是在巴蜀武術與中原文化碰撞與交流過程中，受到巴蜀民俗、民風影響，自成一體系，逐漸形成具有鮮明地域特色的中國武術文化?！盵10]它是在現(xiàn)代巴蜀地區(qū)的人文影響與當?shù)孛袼椎拈L期積累和強烈的古代俠義文化影響下產(chǎn)生的。與此同時，它也受到中原武術文化和抗日戰(zhàn)爭期間外來文化滲透的影響。

2 分切機自動控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 PLC與分切機自動控制系統(tǒng)定位模塊設計

PLC技術的大部分都用來實現(xiàn)在物品分切中可能存在的一些邏輯方面的控制，通過分切機系統(tǒng)中的觸摸屏模塊來完成與通信數(shù)據(jù)之間的工作，PLC技術在I/O情況下的整個控制系統(tǒng)的數(shù)字輸入量為50點，其中的數(shù)字量輸出量為30點，而且不需要模擬變量的輸入。因為分切機自動控制系統(tǒng)對物品的分割定位要求較高，本文采用了三菱FXzN-48MT-002型，這個型號包括了分切機自動控制系統(tǒng)的所有功能基本的要求。分切機的脈沖發(fā)生單元也就是分切機自動控制系統(tǒng)中的定位模塊，該模塊采用的型號是FX2N-1PG-F型，分切機自動控制中的定位模塊是為了擴展FX2N系列PLC所配置的，這個模塊能通過伺服控制系統(tǒng)和分切機的驅(qū)動放大器所提供的一定數(shù)量的沖脈來完成一個單位物件的分切定位過程。而其中物品的定位分切目標、機械定位運行的速度和定位參數(shù)是由PLC和PGU之間通過FROM/TO指令來完成參數(shù)設定。

2.2 分切機自動控制系統(tǒng)伺服驅(qū)動模塊設計

分切機自動控制系統(tǒng)伺服驅(qū)動模塊選用的晶體管型是FX2N-48MT，伺服驅(qū)動模塊選用的放大器具有多功能和性能高的MR-J2S-350A，該模塊的位置控制模式依靠的是分切機自控控制系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動模塊。伺服驅(qū)動模塊的編碼器配備的分辨率是12184脈沖/轉位置編碼器。其中PLC、PGU和MR-J2S的端子接線如圖2所示。

圖2 PLC、PGU及MR-J2S的端子接線圖

2.3 分切機自動控制系統(tǒng)觸摸屏模塊設計

觸摸屏模塊在分切機自動控制系統(tǒng)的運行中負責的部分主要是對分切機產(chǎn)生的參數(shù)進行修改，對運算過程中的參數(shù)進行記錄并顯示，實時顯示控制系統(tǒng)在運行中的狀態(tài)和指示報警等作用。在這個系統(tǒng)中采用的是HITECH PWS1761-CTN觸摸屏，24 V的電源進行供電，PLC與分切機觸摸屏之間使用RS-422來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。觸摸屏模塊PWS1763的配備中含有大屏的顯示屏幕并且配有模擬式觸控的版面，模擬式控制面板的工業(yè)級設計含有IP67型的防水防塵功能，該設計可以讓觸目屏模塊在各種惡劣的環(huán)境中運用不會產(chǎn)生故障。

2.4 分切機自動控制系統(tǒng)變頻器模塊設計

保持分切機轉動的速度不變、對它的切割速度進行調(diào)整時是通過調(diào)整回旋刀架的運作速度來控制的。分切機自動控制系統(tǒng)的變頻器采用的型號是三菱FR-E540-5.5K-CH型，該模塊中的電位器旋鈕是用來調(diào)整該模塊的運行速度的，同時也可以采用手動的控制方法來實現(xiàn)對變頻器運行速度的調(diào)整。分切機自動控制系統(tǒng)的PLC、電位器和變頻器的接線圖如圖3所示。

圖3 PLC、電位器以及變頻器的接線圖

2.5 分切機自動控制系統(tǒng)回旋切割機構模塊設計

回旋切割機構主要是對物品進行切割，在切割的過程中可對分切使用刀具進行定期的自動磨修，并且分切時間與切割時間間隔都是可以進行設定的。為了使操作員的操作更加簡潔、方便，該系統(tǒng)設置了撥叉點、刀架和磨刀手動，并且切割的速度由手動設定?；匦懈顧C構設置相應的聯(lián)鎖防護裝置觸摸屏會自動顯示并且記錄機器生產(chǎn)的成品總數(shù)和切割機的切割速度。

2.6 分切機自動控制系統(tǒng)傳送機構模塊設計

傳送機構模塊主要是改變分切機自動控制系統(tǒng)動力機輸出轉矩，以滿足工作機的要求；將分切機輸出運動轉換為工作機正常運行狀態(tài)，如將旋轉運動改變?yōu)橹本€運動，或反之；將一個分切機的機械能傳送到數(shù)個工作機上，或?qū)?shù)個動力機的機械能傳送到一個工作機上，該模塊可有利于分切機的自動控制，裝配、安裝等工作執(zhí)行。

分切機的硬件構造是制造分切機自動控制系統(tǒng)重要部分，而分切機的軟件模塊設計為分切機自動控制系統(tǒng)的工作提供了信息和運作方法。

3 分切機自動控制系統(tǒng)軟件設計

分切機自動控制系統(tǒng)軟件設計主要專注于伺服電機驅(qū)動的鏈條的位置控制方面。其中分切機自動控制系統(tǒng)的伺服電機驅(qū)動模塊中最重要的功能是設定分切機自動控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的輸出脈沖最大的頻率、起始的頻率和設置設備所需脈沖數(shù)、設備加減速的時間。分切機自動控制系統(tǒng)啟動后，當系統(tǒng)檢測到了一個撥叉的指令，就執(zhí)行一次物品分切的定位切割的過程，在切割的過程中PLC與PGU之間的數(shù)據(jù)通信主要依據(jù)FROM和TO指令完成，在PGU中給定分切數(shù)據(jù)通信的緩沖存儲器，同時PLC中配置相應的繼電器，將分切指令從PLC的數(shù)據(jù)存儲區(qū)轉送至PGU的數(shù)據(jù)設備中。在實際分切機構連續(xù)運行中，分切量大，分切機的3個卷軸的直徑變化也較大，需要實時根據(jù)半徑變化修正各個軸扭矩來保持分切機的恒張力，分切機在裝完材料之后，首先PLC要通過輸入每個軸卷的初始半徑來計算該物品的扭矩，其次對物品進行逐層遞減或遞加的運算。最后利用下面的式子計算出在分割時各軸扭矩的變化數(shù)學模型：

ΔT=FΔR

(1)

式中，ΔT所表示的是分切機放卷軸每旋轉一圈扭矩的減小值或剝離軸和余料收卷軸的增加值；F為分切機自動控制系統(tǒng)分別設定的三軸張力；ΔR所表示的是分切機各軸所對應材料的厚度。

分別在分切機放卷軸、收卷軸、余料收卷軸安裝傳感器，用于記錄旋轉的數(shù)，其中各個軸卷每旋轉一圈它的扭矩增加或減少和它相對應的扭矩ΔT。為了實現(xiàn)分切速度的調(diào)節(jié)，采用了PLC模擬控制變頻器來調(diào)節(jié)電機轉速，在分切的過程中這個速度是可以隨著時間的變化來調(diào)節(jié)的。分切機復卷機構控制是由橫動機構控制和張力控制組成的，通過橫動機構控制和張力控制的協(xié)同作用，分切完成后重新覆膜的預浸窄帶需要根據(jù)所定的規(guī)律將其繞卷在機器的表面上，讓它變?yōu)橐环N具有一定容量和形狀的機械。利用下式給出分切機復卷機構預浸窄帶卷繞成形規(guī)律的基本數(shù)學模型：

v1=πdknk

(3)

由公式(2)、(3)可得：

(4)

式中，α所表示的為分切機的復卷機構卷繞角；v1所代表的是卷曲運行的攻速；v2代表的是導紗在運行中的速度；h是軸和軸之間的距離；dk是物品纏繞的直徑長度；nk為物品纏繞的轉速。

通過公式(4)可以看出：要想實現(xiàn)分切機復卷機構軸向等螺距卷繞，必須使v2與nk的比值保持不變。復卷軸端裝接近開關與控制單元的高速計數(shù)器比較相似，每當分切機復卷軸轉動一次就會產(chǎn)生一個脈沖，由此可計算復卷軸的轉速：

(5)

式中，t表示分切機復卷機構卷繞一圈的時間，即 PLC所記錄的二次脈沖時間的間隔。由公式(4)、(5)可得：

(6)

在這里，導紗速度的精確性是通過分切機自動控制的伺服電機得以實現(xiàn)的。各個層次之間會產(chǎn)生粘連的現(xiàn)象，是因為該模塊中所用的預浸料是有粘性的，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生該系統(tǒng)應該使用PE膜隔離。PE膜表摩擦系數(shù)很小，向心力的產(chǎn)生是因為外層紗會對內(nèi)層紗發(fā)出一種壓力，該壓力會使內(nèi)層紗向軸向的兩端延展，產(chǎn)生向外的壓力，而當這種壓力瀕臨一個階點時，就產(chǎn)生了一種新的現(xiàn)象，稱之為脹邊。為了減小脹邊對復卷造成的影響，應該采用塔形復卷，也就是隨著復卷寬度的逐層減小，每層大部分會減少0.2～0.6 mm。使用PLC技術來計算復卷的每層縮進后寬度，通過分切機的復卷機構脈沖發(fā)射單元所發(fā)出的控制脈沖，來準確的控制橫動機構的位移變化，最后實現(xiàn)塔形收卷的作用，復卷機構的復卷軸直徑變化量受到導程的影響。當設置的導程越小并且卷繞時，預浸窄帶部分會重疊，卷繞越密實，每層的半徑變化就越大。因此，不能使用這種分切機構的扭矩逐層遞減或者遞增的模式，需要實際測量它的半徑。分切機復卷軸勻速旋轉時，根據(jù)扭矩平衡公式：

FfRf-Tf=βnk

(7)

(8)

則分切機復卷軸靜態(tài)動力方程為：

(9)

式中，F(xiàn)f表示的是分切機自動控制系統(tǒng)設定的復卷張力；Rf為控制轉矩；β為分切機摩擦的阻尼系數(shù)；v所表示的為分切速度。通過式(9)可知，通過Tf+βnk與vt的比值恒定來實現(xiàn)分切機自動控制。分切機自動控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖如下圖4所示。

圖4 軟件實現(xiàn)流程圖

4 測試與驗證

為了證明本文提出的基于PLC技術的分切機自動控制系統(tǒng)設計需要進行一次實驗，利用Visual 2010+Open CV 2.4.9軟件平臺搭建分切機自動控制系統(tǒng)設計實驗平臺，實驗選取某工業(yè)自動化公司提供的分切機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分切寬度為50～1 300 mm，張力設定范圍為5～50 kg，放卷電機功率為22 kW。

分切機氣脹滑差軸中的張力測量裝置的工作原理是：把分切機的自動控制系統(tǒng)中的觸摸屏模塊設定成調(diào)試的狀態(tài)，通過在分切機的觸摸屏中給出一個電氣比例閥的給定值，然后對應在觸摸屏上面顯示的分切機的電氣比例閥中輸出氣壓的量為一斤每平方厘米，把通過對應變頻器計算出來的壓力值通過該系統(tǒng)的傳送機構輸送給電氣比例閥，伺服驅(qū)動機構控制傳送機構將調(diào)壓完畢的氣體傳送到分切機滑差軸中的氣囊裝置，然后再將氣體傳送給紙芯，使用PLC定位模塊來啟動分切機的電機，是電機按照規(guī)定速度加以轉動，紙芯將帶動固定帶旋轉拉緊，當滑差鍵和滑差環(huán)的摩擦力小于或者等于紙芯外徑力矩和產(chǎn)生的拉力時，滑差部件就會發(fā)成打滑的現(xiàn)象，通過計算彈簧秤上的數(shù)值與紙芯外半徑的乘積就可以得到摩擦力矩。利用下述給出自動控制系統(tǒng)氣脹滑差軸張力測量裝置調(diào)試狀態(tài)下以及工作狀態(tài)下的測定數(shù)值列表，如表2和表3所示。

表2 張力測定數(shù)值列表(調(diào)試狀態(tài)下)

表3 張力驗證數(shù)值列表(工作狀態(tài)下)

分析表2、表3可知，在調(diào)試狀態(tài)下時對張力的特性和實測張力的數(shù)值進行比較，通過比較可知，電氣比例閥數(shù)值隨張力給定值的增大而增大，且變化趨勢和實測張力的數(shù)值相似，通過比較可知每個滑差軸中的張力特性是接近的，把張力特性輸入程序張力特性的曲線會得到精確的張力特性表達軸，主要在于本文方法設計的分切機自動控制系統(tǒng)通過FROM和TO指令確定分切時各軸的扭矩，得以實現(xiàn)分切機復卷機構預浸窄帶復卷的恒張力。在工作狀態(tài)下通過伺服驅(qū)動調(diào)試后的張力值與變頻器設定的張力值進行分析比較，實測張力值明顯低于張力設定值。由此可見，本文設計的分切機自動控制系統(tǒng)控制性能優(yōu)越。

分別采用本文方法、文獻[7]方法和文獻[9]方法進行分切機自動控制實驗。將3種不同方法進行回旋切割機構控制的控制響應性(%)對比，對比結果用圖5進行表示。

圖5 不同方法回旋切割機構控制響應性對比

從圖5中可以分析得出，利用本文方法相應的自動控制的響應性要優(yōu)于文獻[7]和文獻[9]方法進行回旋切割機控制的控制響應性。這主要是因為本文方法采用的是三菱FR-E540-5.5K-CH型的變頻器，該設備的分切機調(diào)速是通過配備電位器的旋鈕和手動的控制方式來實現(xiàn)的，從而保障了本系統(tǒng)自動化控制程度高，數(shù)據(jù)實時處理能力強。

分別采用本文方法、文獻[7]方法和文獻[9]方法進行分切機自動控制實驗。將3種不同方法進行回旋切割控制的控制穩(wěn)定性(%)對比，對比結果用圖6進行表示。

圖6 不同方法回旋切割機構控制穩(wěn)定性對比

從圖6中可以分析得出，本文方法相應的控制穩(wěn)定性要優(yōu)于文獻[7]和文獻[9]方法進行回旋切割控制的穩(wěn)定性。這主要是因為利用本文方法設計的分切機自動控制系統(tǒng)依據(jù)FROM和TO指令確定分切時各軸的扭矩，分析分切機預浸窄帶卷繞成形規(guī)律，由此實現(xiàn)了分切機復卷機構預浸窄帶復卷的恒張力，由此保障了本系統(tǒng)自動化控制設備控制穩(wěn)定性。

5 結束語

運用當前方法進行分切機自動控制時，存在分切機力度控制差、精準度低等問題。為此，提出一種基于PLC技術的分切機自動控制系統(tǒng)設計方法。仿真實驗證明，所提方法精準度高、控制力好、系統(tǒng)控制響應性高，具有極高實踐價值，為將來分切機自動控制系統(tǒng)設計提供幫助。

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