基于PLC的多層玻纖纏繞機控制系統(tǒng)的設計

王琪，吳少斌，高進可，孫宇峰，張進

(1.江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇貝爾機械有限公司，江蘇 張家港 215600)

0 引言

玻纖纏繞機是一種將玻纖增強帶按一定規(guī)律纏繞在熱塑性塑料擠出成型的內(nèi)層管上的機器。國際上第一臺機械式纖維纏繞機于1947年在美國研制成功，在此之后，相繼出現(xiàn)了各種不同形式的纖維纏繞機，基本采用機械傳動方法。由于機械傳動效率和運動控制精度都較低，不便于調(diào)整和更換掛輪，產(chǎn)品的種類也十分有限[1]。第二代纏繞機出現(xiàn)于20世紀60年代初，在控制形式上做出了巨大改進，有凸輪、光電模板、數(shù)字等控制方式，但是調(diào)整、準備依舊很費時。20世紀60年代末，隨著計算機技術的發(fā)展，纖維纏繞機也邁出了自動化的第一步，但由于計算機技術剛剛起步，計算機控制的纖維纏繞過于復雜，編程麻煩，第三代纏繞機未能普及。

近幾十年來，微電子技術飛速發(fā)展，電子計算機更是經(jīng)歷了多代更迭，出現(xiàn)了以16位和32位微處理器構(gòu)成的微機化PC。其中，PLC已由最初的1位機發(fā)展到現(xiàn)在的多處理器多通道處理16位和32位機。如今，PLC技術已進入成熟階段，功耗和體積不僅小，而且控制功能增強，可靠性得到了顯著提高。編程使用梯形圖語言，靈活方便，而且隨著無線通訊和互聯(lián)網(wǎng)、圖像處理以及圖像顯示的發(fā)展，使PLC向用于連續(xù)生產(chǎn)的方向轉(zhuǎn)型，成為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的一大基石[2-4]。

本文依托于江蘇貝爾公司設計的玻纖纏繞機，其控制系統(tǒng)與纏繞機的性能密切相關，需要滿足柔性化制造的要求。因此，探究纏繞機的PLC控制系統(tǒng)具有重要價值。

1 工藝需求分析

如圖1所示，玻纖纏繞機的工作原理是將玻纖帶盤類似“裹膠帶”的方式以一定角度裹在從機器正中心穿過的塑料內(nèi)管上。纏繞效果取決于纏繞的角度、溫度以及速度，在于對角度電機等是否隨時可調(diào)(影響纏繞角度α)，加熱溫度變化響應是否及時，旋轉(zhuǎn)電機的速度是否與當前的生產(chǎn)線管材運行速度匹配(Vr/Vt=tanα)。電機傳動采用齒輪、絲桿、皮帶等方式，加熱使用可控硅驅(qū)動線圈的方式。

圖1 玻纖纏繞機模型

玻纖纏繞機有旋轉(zhuǎn)電機(伺服)、托管電機(伺服)、定中心電機、引帶電機、對位電機、對角度電機、加熱器、風機等需要控制組件。首先當纏繞機接通電源后可手動啟動旋轉(zhuǎn)電機至需要位置進行玻纖帶安裝并把玻纖帶頭引導到牽引棍里，安裝完成后啟動自動模式，纏繞盤轉(zhuǎn)到基準位后進入待機狀態(tài)，進入待機前還要手動對準纏繞角度及風槍位置(角度和風槍位也可在運行中遙控調(diào)整)。當合格的塑料管通過牽引機牽引過纏繞機時，第一次需手動啟動按扭，此時風機、加熱器工作，延時(時間可調(diào))后引帶電機工作將玻纖帶送到壓棍里，旋轉(zhuǎn)電機開始工作，旋轉(zhuǎn)速度視牽引管的速度作初步設置，待運行中視情況再遙控調(diào)整，同時對加熱溫度作精確調(diào)整。

加熱總功率(單位：kW)估算：

其中:a為熱損失系數(shù)(現(xiàn)場測定)；c為空氣比熱容，kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，kg/m3；v為加熱區(qū)等效空氣體積，m3；T2-T1為加熱前后溫度差，K；t為加熱時間，s。本項目預計使用10個1.2 kW加熱線圈(圖2)，故滿足加熱需要。

圖2 預調(diào)整和加熱電氣原理圖(從站)

換帶功能是由兩臺同型號的纏繞機交替工作實現(xiàn)的(圖3)。當玻纖帶的尾端過牽引棍時，光電開關檢測到后發(fā)出信號，高清攝像機迅速記錄下末尾的圖像，系統(tǒng)將圖像傳給另一臺進入待機狀態(tài)的纏繞機，并通過推進器將兩臺纏繞機同時推動。當待機狀態(tài)的纏繞機系統(tǒng)找到上臺機玻纖帶末尾信號時，系統(tǒng)自動啟動風機、加熱器等一系列跟上臺的同樣環(huán)節(jié)。當這臺纏繞機正常工作后，加熱器自動升溫、旋轉(zhuǎn)速度加快，同時推進器將兩臺纏繞機同時反向拉到工作機的原始位，加熱器和旋轉(zhuǎn)電機恢復正常狀態(tài)，其中旋轉(zhuǎn)電機和推進電機的電氣原理圖見圖4。當這臺纏繞機的玻纖帶到尾端時系統(tǒng)象上次一樣工作，但推進方向相反。

圖3 1號機換帶示意圖

圖4 纏繞和換帶電氣原理圖(主站)

通過若干組纏繞機在生產(chǎn)線中的合理布置(圖5)，實現(xiàn)多層纏繞的效果。每組有兩臺纏繞機，用于該組不停機換帶，組內(nèi)旋向相同；Ⅰ組與Ⅱ組的纏繞機旋轉(zhuǎn)方向相反，坯管先經(jīng)Ⅰ組纏繞，再經(jīng)Ⅱ組反向纏繞，以此類推。這種交錯方式使得玻纖纏繞得更均勻，增強效果更好。

圖5 多層纏繞生產(chǎn)線布置

為方便本文說明，以Ⅰ組纏繞機為設計對象。根據(jù)實際使用需求，Ⅰ組纏繞機要設計以下功能：手動模式，即纏繞機可以手動操作任意一個控制單元，便于安裝調(diào)試；自動模式，即纏繞機連續(xù)完成纏繞—換帶—纏繞的循環(huán)過程(圖6)；監(jiān)控模式，在監(jiān)控模式下，可以看到纏繞機當前的運行狀態(tài)、溫度、故障等信息記錄。

圖6 自動模式流程圖

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 方案設計

玻纖纏繞機的關鍵執(zhí)行器件主要是幾組三相異步電機正反轉(zhuǎn)控制(調(diào)整工位)、伺服電機、可控硅、限位開關檢測，結(jié)合圖像識別設備在正確的位置進行續(xù)帶操作。整個系統(tǒng)由兩臺同型號的纏繞機組成，纏繞機旋轉(zhuǎn)盤上執(zhí)行機構(gòu)工作中會隨盤轉(zhuǎn)動，因此需要單獨PLC從站控制，還需要設置主站與兩個從站進行無線數(shù)據(jù)交換。主站也負責控制旋轉(zhuǎn)電機、換帶推進電機，主站與從站均需要擴展無線通訊模塊，協(xié)議采用MODBUS TCP(圖7)。

圖7 控制系統(tǒng)組成圖

主站與從站雙向通信，從站接收主站的指令，控制纏繞機旋轉(zhuǎn)盤的工作點位調(diào)整(對角度、對位等)和加熱，并將是否越位、當前溫度等數(shù)據(jù)反饋給主站；主站主要負責系統(tǒng)控制邏輯關系的實現(xiàn)，如旋轉(zhuǎn)盤的啟停、換帶時推進器的啟停、換帶信號檢測。觸摸屏主要用于數(shù)據(jù)監(jiān)控和人機交互。整個控制系統(tǒng)由溫度變送器、接近開關、三相異步電機、伺服電機、可控硅、風機、PLC、觸摸屏等組成。

本文的加熱環(huán)境不是封閉空間，而是不斷地與空氣進行熱交換，熱交換參數(shù)尚不能完全掌握，更得不到精確的數(shù)學模型。溫度與風速、加熱器的功率、環(huán)境溫度息息相關，唯一可控的只有加熱器的功率，這又需要依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時可以采用PID模糊控制技術(圖8)，PID加熱是在從站PLC上實現(xiàn)的，PID控制器以溫度變送器送出的當前溫度值信號PV(n)與設定值SP(n)的差值e(n)為輸入量，經(jīng)PID計算以及D-A模塊轉(zhuǎn)換后輸出直流電流模擬量M(t)，從而驅(qū)動可控硅控制加熱線圈的功率輸出占比。從站也控制旋轉(zhuǎn)盤上的對角度電機等，開關的開關量反映電機是否越位。

圖8 從站PID加熱控制系統(tǒng)框圖

管材擠出速度受制于生產(chǎn)線末端的牽引機，本項目牽引機的牽引速度使用變頻器調(diào)節(jié)。變頻器使用RS-485通信端口與主站進行通信，使用USS協(xié)議。主站接收當前變頻器的輸出頻率等信息，經(jīng)換算后顯示出當前管材速度Vt，根據(jù)當前的速度值PLC以纏繞角α=55°計算出旋轉(zhuǎn)電機(伺服)的轉(zhuǎn)速Vr推薦值并顯示在觸摸屏上，操作員可依照推薦值輸入轉(zhuǎn)速設定值，實際轉(zhuǎn)速值通過將伺服驅(qū)動器Z相信號接入PLC的高速計數(shù)輸入端計算得知(Z脈沖電機轉(zhuǎn)1圈輸出1個)(圖9)。主站控制換帶時的推進電機，限位開關的開關量反映推進電機是否返回原始位，外部換帶點開關量反映推進電機是否到達續(xù)帶點；運轉(zhuǎn)指示燈表明系統(tǒng)是否正常運行，當系統(tǒng)溫度過高或過低，報警蜂鳴器將會鳴叫報警，確保系統(tǒng)的運行正常。本項目使用的是觸摸屏控制，因此按鈕的開關量使用輔助繼電器，輔助繼電器線圈的通斷只能由內(nèi)部指令驅(qū)動。

圖9 主站PLC控制框圖

2.2 軟件設計

a)主-從站無線通信

系統(tǒng)的控制要求是加熱、纏繞、換帶三者之間的邏輯關系。在本項目中，每次換帶時兩臺設備的交接點位置不固定，是由高速攝像機不斷拍下圖像的軟件并分析，當纏繞機到達換帶點時“通知”PLC主站進行換帶動作。換帶時主站有必要與從站通信啟動或關閉從站加熱程序。

b)程序設計

1)程序設計采用程序塊設計方法，使用OB1、OB100和OB30程序塊。PID參數(shù)是由現(xiàn)場調(diào)試得出。主站與牽引機的變頻器通信采用USS協(xié)議，主站通過調(diào)用USS_Drive_Control指令建立通信，調(diào)用USS_Port_Scan指令確保幀通信的響應時間恒定。

2)程序設計要精簡，根據(jù)圖6的自動模式流程圖，分析控制系統(tǒng)的工藝過程，編制自動模式下的順序功能圖(SFC)，見圖10。順序功能圖可以轉(zhuǎn)化為梯形圖程序，部分型號PLC可以直接使用順序功能圖編程。

圖10 自動模式順序功能圖

2.3 HMI系統(tǒng)設計

手動模式HMI界面如圖11所示。

圖11 手動模式HMI界面

自動模式主要負責控制纏繞機依次連續(xù)循環(huán)執(zhí)行各道工序，在自動模式運行中，可以對部分控制單元遠程遙控，如旋轉(zhuǎn)盤上的對角度電機、加熱溫度等，并實時顯示纏繞機當前狀態(tài)。

監(jiān)控模式用于系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)監(jiān)控，纏繞機出現(xiàn)溫度過高或過低、電機越位等異常時，根據(jù)異常程度發(fā)出不同等級報警提示。

3 結(jié)語

玻纖纏繞增強管生產(chǎn)線是在貝爾公司傳統(tǒng)玻纖管生產(chǎn)線的基礎上改進而來的。傳統(tǒng)生產(chǎn)線是將玻纖材料以擠出成型的方式裹在塑料內(nèi)管上，使用了PLC-變頻器等控制技術。PLC支持多種通信協(xié)議，玻纖纏繞機應當采用PLC控制技術，便于以后整條生產(chǎn)線的自動化集成及計算機通信。本文采用無線通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸，設計了基于PLC和觸摸屏的玻纖纏繞機控制系統(tǒng)，在分析了工藝流程的基礎上編寫了順序功能圖，并完成HMI系統(tǒng)組態(tài)。玻纖纏繞機采用PLC控制，生產(chǎn)效率高，故障率低，可以滿足柔性化制造需求，是工業(yè)自動化的成功應用。