PE料卷開卷機(jī)構(gòu)控制方案的設(shè)計(jì)

李青青 佟河亭 胡玉景

摘要：??為提高集裝箱液袋生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，本文對(duì)PE袋切割設(shè)備的開卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了開卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制方案，并介紹了系統(tǒng)的主要程序?？刂葡到y(tǒng)采用基于西門子S7-200?PLC作為控制器，根據(jù)檢測(cè)張力傳感器數(shù)據(jù)處理控制變頻器。該方案可以滿足放料機(jī)與儲(chǔ)料機(jī)之間速度跟隨的控制，提高了開卷的效率，滿足了PE料切割的節(jié)拍要求，解決了PE料拖拽時(shí)易扯壞問題，為后續(xù)的切割工序提供了充足的PE儲(chǔ)料，為PE切割設(shè)備定長(zhǎng)下料的實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)。該研究具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：??PE料卷;?開卷機(jī)構(gòu);?可編程控制器;?變頻器;?速度跟隨

中圖分類號(hào)：?TP273?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A

收稿日期：?2018-06-14;?修回日期：?2019-09-20

作者簡(jiǎn)介：??李青青（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人。

通信作者：??佟河亭，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橐簤号c氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及機(jī)器人。Email：?tongheting@163.com

集裝箱液袋是一種新型的運(yùn)輸容器，其適用于散裝非危險(xiǎn)液體或化學(xué)制品的運(yùn)輸，具有存儲(chǔ)和包裝功能[1]。液袋主要由聚乙烯PE（polyethylene）內(nèi)袋和聚丙烯PP（polypropylene）外袋組成，袋子尺寸大且具有柔性[2]。PE料卷是筒形PE薄膜料纏繞料軸而成，料卷不能直接用于產(chǎn)品的加工制造，必須通過開卷機(jī)構(gòu)將料卷展開，這樣才能保證后續(xù)加工的進(jìn)行。開卷機(jī)構(gòu)大多適用于金屬板材，該機(jī)構(gòu)在原理上與PE料卷的開卷機(jī)構(gòu)類似[3]。目前，國(guó)外的開卷生產(chǎn)線發(fā)展水平較高，比利時(shí)的LVD公司在此基礎(chǔ)上利用編程控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同厚度和長(zhǎng)度金屬板材的加工[4];意大利的Salvagnini公司采用數(shù)字化技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)將金屬板材進(jìn)行柔性化加工，為金屬板材的加工提供了新的思路。隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷提高，國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化設(shè)備也在不斷發(fā)展，開卷生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造企業(yè)利用PLC、變頻調(diào)速技術(shù)及伺服系統(tǒng)等技術(shù)，使開卷設(shè)備得到迅速發(fā)展和進(jìn)步[5]。以上設(shè)備雖然在金屬卷料的開卷技術(shù)上水平較高，但由于PE料具有柔性大，且易扯壞等特性，不能使用上述開卷機(jī)構(gòu)?；诖?，本文主要對(duì)PE料卷定量定速開卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，根據(jù)料卷的張力值來控制料卷的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒張力放料控制，同時(shí)可以與后續(xù)切割設(shè)備相適用，精度高且可靠性強(qiáng)。該研究提高了生產(chǎn)效率和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

1?開卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

PE料卷開卷機(jī)構(gòu)是PE切割設(shè)備的一部分，主要包含放卷機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)兩大模塊。開卷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。放卷電機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)PE料卷轉(zhuǎn)動(dòng)放料，PE料通過導(dǎo)向輪1及由儲(chǔ)料電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)放料組件在儲(chǔ)料盤中進(jìn)行儲(chǔ)料，再通過導(dǎo)向輪2輸送至后續(xù)切割設(shè)備。

由于開卷過程中料卷直徑逐漸變小，線速度也隨之變化，為使開卷的線速度維持在恒定值，本系統(tǒng)在導(dǎo)向輪1和主動(dòng)放料組件之間安裝張力傳感器，以檢測(cè)PE料的張力，儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)上的儲(chǔ)料電機(jī)可滿足后續(xù)切割要求的恒定速度進(jìn)行放料，放卷機(jī)構(gòu)上的變頻器通過張力傳感器檢測(cè)到的張力大小，及時(shí)調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的速度，與儲(chǔ)料電機(jī)放料速度保持一致[6-7]。這種開卷方式，不僅滿足了整個(gè)切割設(shè)備的節(jié)拍要求，也對(duì)PE料在開卷過程中可能受到的損傷降到最低。既不會(huì)由于放卷機(jī)構(gòu)放料速度比儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)速度慢而造成對(duì)PE料的拉扯，也不會(huì)由于儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)速度過快，造成儲(chǔ)料盤中大量料的堆積而在后續(xù)拖拽時(shí)對(duì)PE料造成傷害。

2?系統(tǒng)硬件組成

為保證各部分機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，需要對(duì)控制元件、執(zhí)行元件等進(jìn)行選型。PE料卷的開卷機(jī)構(gòu)有2個(gè)變頻電機(jī)，即型號(hào)為BHI62URA的儲(chǔ)料電機(jī)和型號(hào)為YVP802-4的放卷電機(jī)。

2.1?可編程控制器的選取

PE料卷開卷機(jī)構(gòu)需要關(guān)機(jī)、開機(jī)、急停、氣缸上/下限位開關(guān)和復(fù)位變頻故障6個(gè)開關(guān)量輸入;1個(gè)模擬量輸入;放卷電機(jī)接觸器、儲(chǔ)料電機(jī)接觸器以及電磁閥左/右位4個(gè)開關(guān)量輸出和1個(gè)模擬量輸出，共計(jì)12個(gè)I/O點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取西門子S7-200型PLC，中央處理器選取CPU224XP型號(hào)，有數(shù)字量14輸入/10輸出，模擬量2輸入/1輸出，滿足要求，且方便以后對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展[8-10]。

2.2?變頻器的選取

考慮控制和接線的方便，選擇西門子系列的PLC，并在滿足控制要求的前提下，選擇西門子MM440變頻器，采用RS485的通訊方式[11]。

2.3?張力傳感器的選取

GB/T4456—2008《包裝用聚乙烯吹塑薄膜》[12-13]中規(guī)定，塑料薄膜的抗拉強(qiáng)度≥10?N/mm2。根據(jù)企業(yè)要求，開卷過程中PE料所受張力不得超過50?N，加上張力輥重力195?N，所以允許的張力范圍是195～245?N。所選張力傳感器型號(hào)為ZHZLZT，量程為0～500?N，靈敏度為0.1%，滿足要求。

3?PLC接線原理

根據(jù)工作要求，分配I/O點(diǎn)數(shù)，I/O分配表如表1所示，繪制其端子接線圖如圖2所示。輸入端均為DC24V接線，輸出端除電機(jī)外均為AC220V接線，儲(chǔ)料電機(jī)及放卷電機(jī)均用AC380V接線，張力傳感器用DC24V供電。

4?軟件部分設(shè)計(jì)

4.1?流程圖

開卷流程圖如圖3所示。程序開始后，先進(jìn)行初始化，將所有需要置位的寄存位置設(shè)為初始值。主動(dòng)輥下降到位后，啟動(dòng)儲(chǔ)料電機(jī)和放卷電機(jī)，然后對(duì)張力信號(hào)進(jìn)行采集和比較，根據(jù)比較的情況再通過變頻器調(diào)節(jié)放料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使張力達(dá)到設(shè)定范圍[14-15]。

為方便編程，在I/O分配表的基礎(chǔ)上，添加編程內(nèi)部符號(hào)表，內(nèi)部符號(hào)表如圖4所示。

4.2?主要程序及說明

4.2.1?模擬量輸入子程序

張力傳感器輸出的電壓為0～10?V，對(duì)應(yīng)AIW值為0～32?000，由于其線性相關(guān)，張力模擬量轉(zhuǎn)換[16]如圖5所示。由圖5可得

FXAIWX=50032?000

即

FX=AIWX×50032?000

因此，編寫張力模擬量轉(zhuǎn)換子程序，模擬量轉(zhuǎn)換子程序如圖6所示。模擬量輸出子程序在原理上與模擬量輸入子程序相同，在此不做詳盡說明。

4.2.2?變頻器參數(shù)設(shè)定

對(duì)變頻器的控制，需要調(diào)用USS指令。USS是西門子專為驅(qū)動(dòng)裝置開發(fā)的通信協(xié)議，是一種基于串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議。USS指令庫(kù)是西門子為方便用戶使用USS協(xié)議進(jìn)行通信而專門編寫的庫(kù)。USS初始化程序如圖7所示，初始化指令USS_INIT用于啟用或禁止PLC和變頻器之間的信任。用SM0.1調(diào)用USS初始化指令USS_INIT，只在第一個(gè)掃描周期調(diào)用[17-18]。

USS控制程序如圖8所示，控制指令USS_CTRL用于控制已經(jīng)被USS_INIT激活的變頻器，用SM0.0調(diào)用控制程序USS_CTRL，在每個(gè)掃描周期都執(zhí)行此程序[19-20]。

USS控制程序比較實(shí)際測(cè)量張力與設(shè)定張力最小值195?N的差值形成相應(yīng)的電壓信號(hào)，并傳輸給變頻器MM440，變頻器根據(jù)電壓信號(hào)的大小調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢。在張力允許范圍內(nèi)，差值越大，電壓信號(hào)值越大，變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快;當(dāng)張力值大于允許張力最大值245?N時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障，常閉觸點(diǎn)I0.2接通，變頻器立刻停止電動(dòng)機(jī)，同時(shí)停止儲(chǔ)料電機(jī)，防止PE料被扯壞。當(dāng)故障消除時(shí)，常開觸點(diǎn)I0.5接通，復(fù)位變頻器故障。

5?結(jié)束語

作為液袋生產(chǎn)線的首道工序，開卷機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效率對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線具有重要作用，本文對(duì)PE袋切割設(shè)備的開卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了開卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)計(jì)了基于PLC的PE料卷開卷機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)。完成控制系統(tǒng)硬件選型和軟件編程。PE開卷機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以滿足PE料卷開卷的節(jié)拍要求，保證了PE料的質(zhì)量，具有高精度、高效率和高可靠性等特點(diǎn)。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design?of?Control?Scheme?for?PE?Roll?Decoiler

LI?Qingqing，?TONG?Heting，?HU?Yujing

（School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China）

Abstract：??In?order?to?improve?the?level?of?automation?and?productivity?of?fluid?bag?and?increase?the?economic?efficiency?of?the?enterprise，?this?paper?studies?the?roll?decoiler?of?PE?bag?cutting?equipment，?analyzes?the?structure?and?working?principle?of?the?decoiler，?designs?the?control?scheme?of?the?system，?and?introduces?the?main?program?of?the?system.?The?control?system?is?based?on?Siemens?S7-200?PLC?as?the?controller，?according?to?the?detection?of?tension?sensor?data?control?frequency?converter.?The?scheme?can?meet?the?speed?following?control?between?the?feeding?machine?and?the?storage?machine，?improve?the?efficiency?of?the?decoiling，?satisfy?the?beat?requirement?of?the?PE?material?cutting，?solves?the?problem?of?easy?damage?of?the?PE?material?when?dragging?and?provides?sufficient?PE?material?reserve?for?the?subsequent?cutting?process.?It?provides?a?theoretical?basis?for?the?realization?of?PE?cutting?equipment，?and?has?high?practical?value.

Key?words：??PE?roll;?decoiler;?programmable?controller;?frequency?converter;?speed?following