基于轉矩控制的膠片塑料紙剝離裝置及控制方法

黃笑祥，季徐慶

(杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018)

在輪胎制造行業(yè)中，斜裁是生產帶束層以及鋼包等制品的主要設備，一般由導開裝置、遞布裝置、裁斷裝置、接頭裝置、動力輥裝置、貼膠片裝置、膠片剝離裝置、卷取裝置等組成。

制品經過貼膠片裝置時，需要貼敷有塑料紙的膠片。同時膠片上的塑料紙由塑料紙剝離裝置取走。在原有的設備中，通過包邊處壓輥將塑料紙剝離，且一旁的壓縮空氣吹至空曠處。這樣的生產方式會導致現場塑料紙雜亂無章且無法回收利用。由于壓縮空氣屬于二次能源，增加生產成本。

隨著交流變頻技術越來越成熟，變頻器系統(tǒng)因其生產效率高、維護成本低，其應用越來越廣泛。本文利用西門子PLC和三菱變頻器轉矩控制方式，設計一種塑料紙剝離裝置。通過公式推導建立起塑料紙長度與電機輸出轉矩關系的數學模型，進而給出相應的設計方案。應用結果表明，該設備能將塑料紙有序回收，同時回收的塑料紙能夠重復利用到現場，滿足生產和工藝要求。

1 剝離塑料紙裝置的設計

1.1 剝離塑料紙裝置機械組成部分

剝離塑料紙裝置機械結構主要由交流電機、聯(lián)軸器、減速機、軸承座、卷軸、輸送帶、凹凸鐵片等組成，如圖1所示。其中交流電機通過聯(lián)軸器與減速機相連，通過卷軸將塑料紙卷曲回收。

1.2 剝離塑料紙裝置電氣組成部分

剝離塑料紙裝置電氣結構主要由西門子S7-400系統(tǒng)、交流電機、按鈕、急停按鈕、三菱變頻器、接近開關等組成。系統(tǒng)中以西門子 S7-300作為Profibus-DP 現場總線主站提供與ETS200S分站模塊直接通訊而便利的高速循環(huán)通信服務, 通訊速率高、控制適時性好、抗干擾能力強且編程簡單[1～2]。

圖1 剝離塑料紙裝備機械結構圖

在S7-300系統(tǒng)中，需要對硬件進行選型及組態(tài)。在選型中，采用ET200S電源模塊1塊，ET200S 4DI的輸入模塊1塊，ET200S 4DO數字量輸出模塊1塊，ET200S 2AO模擬量輸出模塊1塊。在該套設備中，需要用到3個輸入點，2個輸出點，以及1個模擬量輸出點。具體功能如表1所示。

表1 模塊輸入輸出點

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括三大部分, 其一為PLC控制程序的設計,其中包括硬件選型、系統(tǒng)Profibus-DP 網絡組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、邏輯程序設計等；其二為扭矩給定數學模型建立及程序編寫；其三為三菱變頻器扭矩控制參數設定及控制回路。

2.1 PLC控制程序的設計

剝離塑料紙卷取裝置控制原理如下：PLC根據生產線啟停信號，對變頻器的使能進行控制。通過接近開關與凹凸鐵片產生的脈沖數檢測，由PLC計算出當前卷曲塑料紙的長度。當卷軸裝滿時，通過按鈕對其計算出的轉矩進行復位。由于不同規(guī)格塑料紙寬窄不一，通過上位機畫面設定PLC計算出的扭矩的系數。具體原理圖如圖2所示。

圖2 PLC可控制原理圖

在 Step7 管理界面中插入主站“SIMATIC 300 站點”，雙擊主站進入硬件配置界面。首先，在該界面中加入機架，將CPU315-2DP 拖入機架的 2 號槽中，編輯 2 號槽中的“DP”創(chuàng)建 Profibus-DP 總線；最后在 Profibus-DP 總線上配置從站“ET200S”，ET200S模塊中包含電源模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊及模擬量輸出模塊。以上都完成后，下載硬件組態(tài)[3]。

圖3 PLC硬件組態(tài)

2.2 扭矩給定數學模型建立及程序編寫

2.2.1 扭矩給定數學模型建立

在塑料紙卷曲過程中，因為塑料紙的厚度d恒定，因此每增加一圈，其周長也相應的增加2πd。而接近開關計算出的塑料紙總長度L與每圈的周長成等差數列關系,從而計算出當前總圈數n。通過總圈數計算出當前卷軸直徑。

假設卷軸初始半徑a1，塑料紙長度L，塑料紙的厚度d，計算出當前圈數n，當前卷軸直徑D，其數學模型如下：

由公式1推導計算出圈數n：

通過圈數n計算出當前卷軸的直徑D：

由于扭矩給定值與當前卷軸直徑正比例關系，假設扭矩設定最大值Tmax，扭矩設定最小值Tmin，塑料紙卷軸直徑最大值Dmax，塑料紙卷軸直徑最小值Dmin，當前扭矩設定百分比X%，計算出當前值扭矩值T。

2.2.2 扭矩給定程序編寫

為了方便閱讀和調試，Step7 采用結構化編程方式，將任務分解為若干個小任務塊（FC 或者FB），任務塊通過編程指令完成各自的任務。OB1 通過調用這些任務塊來完成整個任務。任務塊之間有一定的相對獨立性，同時也存在一定的關聯(lián)性。它們彼此之間需根據控制系統(tǒng)的要求進行數據交換。其中FC143是整個控制的邏輯過程，FC146是直徑計算程序，FC165是扭矩計算程序。其整個程序控制結構圖如圖4所示。

圖4 扭矩控制結構圖

在FC146中，根據公式（1）（2）（3）進行長度計，以start作為使能信信號，reset作為復位信號，同時設置塑料紙的厚度、卷軸的最小直徑以及每個脈沖數的長度，從而計算出當前直徑，如圖5所示。

圖5 FC146直徑計算

在FC165中，根據公式（4）進行扭矩的計算。同時設置好扭矩最大值、扭矩最小值、扭矩初始值、直徑最大值、直徑最小值、比例系數，根據FC146計算出的當前直徑，進行對當前扭矩的計算，如圖6所示。

圖6 FC165扭矩給定計算

在生產過程中，膠片寬窄不一，因此需要工控機WINCC畫面中設定比例系數，將比例系數用于FC165計算中，如圖7所示。

圖7 WINCC畫面比例系數修改

2.2.3 三菱變頻器參數設定

由于我們要保證電機的輸出轉矩和負荷轉矩取得平衡時，電機的轉速將為恒定速度。因此轉矩控制時的電機轉速是由負荷決定的。轉矩控制時，如果電機的輸出轉矩比電機負荷大，電機將會加速。為了防止出現過速度，應設定速度限制值以避免電機的轉速過度上升。鑒于扭矩控制的以上功能，我們采用三菱變頻器的實時無傳感器矢量控制的轉矩控制。

根據PLC計算出的扭矩值，通過對模擬量輸出模塊轉換成0～10 V電壓，連接到三菱變頻器端子1和5中。利用三菱變頻器的轉矩控制功能，使塑料紙卷曲時張力恒定，具體參數設定如表2所示。

表2 三菱變頻器參數設定

3 結束語

實踐證明，該控制方法及設備可以有效的回收塑料紙及降低能耗。該設備投產后，能獲得較好經濟效益。

塑料紙用量方面：改造前，塑料紙使用量為0.580 kg/條；改造后，塑料紙能夠得到重復利用，塑料紙使用量降低為0.576 kg/條，可產生效益：(0.580-0.576)kg/條×10元/kg×24萬條×12個月 =11.52萬元 /年。

能源方面：改造前，使用氣動馬達卷塑料紙，需壓縮空氣為0.6 MPa，耗氣量為28 m3/h，標準狀態(tài)下空氣密度為1.293 kg/m3，壓縮空氣的價格為0.168元/kg，一般用減壓閥控制到0.2 MPa，1 h需要1.293 kg/m3×28 m3/h×0.168元 /kg×0.2/0.6 MPa =2.04 元。而使用電機時，電機功率為0.25 kW，而且電機沒有全額工作，每小時只需要0.2 kW.h，電費為0.605元，1 h使用電費0.12元，平均每臺一天使用12 h，1年可節(jié)省16 h×(2.04-0.12)元 ×350天=1.07萬元/年。

該設備投入使用后，1年可創(chuàng)造效益12.59萬元。

本文基于PLC 與三菱變頻器實現塑料紙卷曲的控制。該控制系統(tǒng)具有很高的實用價值，已經成功應用于橡膠行業(yè)中的裁斷機。運用結果表明，不論是塑料紙寬窄、加速、減速、停車都能保證卷曲過程的平穩(wěn)性以及塑料紙的重復回收利用。

[1] 廖常初.大中型PLC應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 王海鵬. 冷軋重卷卷徑計算及速度和張力控制策略.自動化與儀器儀表 [J]，2015，6，98～99.

[3] 劉東升. 基于PLC與變頻器的恒張力卷繞控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2011，33(8)：131～133,147.