基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)的設計及應用研究

楊冬偉

摘 要：本文將圍繞雙刀切紙機運行原理進行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)的設計方法以及應用路徑，以此將設備運行誤差控制在0.5mm以內(nèi)，實現(xiàn)加工產(chǎn)品質量的進一步提升。

關鍵詞：雙刀切紙機;電氣控制系統(tǒng);伺服控制

引言

伺服控制是指對物體運動位置、速度等變化量進行有效把控，能夠進一步提高控制精確度，滿足我國高標準加工需要，將其運用在雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)中，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還能簡化操作流程，降低產(chǎn)品誤差。為了確保后續(xù)提出的設計方法更具有針對性與實用性，首先要對雙刀切紙機的運行原理進行深入了解。

一、雙刀切紙機運行原理

雙刀切紙機是指紙張的二次加工裝置，能夠將卷曲后的卷筒紙進行剪切加工，使其滿足平常紙的規(guī)格要求，該設備具有兩組送紙輥裝置以及切刀輥裝置，能夠利用雙重固定轉刀以及送紙、切紙裝置，實現(xiàn)周期性運動。并且切紙機的生產(chǎn)能力極強，機械組成相對簡單，可以通過縱切結構，對紙幅進行縱向分切，并將分切后的紙張分別送入1、2號切紙輥，再由送紙輥電機將其進行不同規(guī)格的裁切，最終送入接紙臺，實現(xiàn)整理與打包。

以某地方城市造紙企業(yè)所采用的切紙機設備作為分析對象，該裝置的數(shù)據(jù)參數(shù)如下：最高車速在110m/min左右，幅寬在2400mm，退卷裝置能夠一次放置6卷原紙卷，送紙輥直徑為500mm，切紙輥直徑為400mm，而減速器的減速比為19.2，切長要求為700mm～1300mm，誤差率大約在0.4mm左右[1]。

二、基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)的設計及應用分析

1.確定控制方案

根據(jù)上述雙刀切紙機的工作原理可知，切紙機在運行狀態(tài)下送紙輥需要由電機進行驅動，能夠完成連續(xù)送紙并旋轉切紙，切刀輥每旋轉一周便可完成一次切割，且每次切紙的長度與送紙輥的轉速有關，因此可得出二者的存在關系公式為：

V=L·n/1000，其中V代表送紙速度，單位為m/min，n代表刀輥轉速，單位為r/min，L代表切紙長度，單位為mm。當切紙長度得到預先設定后，便可判斷n與V呈線性關系，此時需設定不同切紙長度得到不同的比例系數(shù)，反之，只要做好比例系數(shù)的控制，那么便可獲取不同的切紙長度。為了達到此類控制效果，需要借助伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)良、準確性高的優(yōu)勢，實現(xiàn)基于伺服控制系統(tǒng)的雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)的設計，利用伺服驅動器與電機對切紙機進行伺服控制，利用變頻器以及交流電機對切紙輥進行速度把控。此時只要將紙張以線速度送入切紙輥的伺服系統(tǒng)中，使其作為主輥速度，便可充分發(fā)揮伺服系統(tǒng)動作響應快、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，切實滿足切紙機控制工藝需要[2]。

2.硬件設計

為了確保雙刀切紙機能夠進一步提高控制精度，需要在電氣控制系統(tǒng)中采用可編輯邏輯控制器作為控制單元，將變頻裝置作為1號送紙輥以及2號送紙輥的驅動單元，將伺服驅動器作為1號切紙輥與2號切紙輥的驅動單元，并采用交流伺服電機提供電源，將觸摸屏作為人機界面，此時操作人員便可通過通信協(xié)議與變頻器完成通信，并利用MOD通信協(xié)議與切紙輥驅動器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

PLC控制器主要負責完成外部電機啟動信號的輸入，同時也能完成張力投入確認信號、切刀聯(lián)動信號、電機狀態(tài)信號的傳輸，因為可編輯邏輯控制器與送紙輥變頻器均采用USS通信，與伺服驅動器則采用MOD通信協(xié)議，所以驅動單元的速度給定以及速度反饋等數(shù)據(jù)可以利用總線通信的形式進行控制。

在送紙輥方面需要利用變頻器實現(xiàn)驅動處理，而送紙輥電動機則要采用三相交流電動機，由于送紙輥本身允許一定程度的速度波動以及數(shù)據(jù)偏差，因此利用速度控制可以切實滿足應用需要。此外，系統(tǒng)需要通過切長計算以及切長誤差反饋，完成進程標識符的計算以及處理，能夠在跟隨送紙輥速度的前提條件下，實現(xiàn)誤差補償值的輸出，以此達到控制切紙輥降低誤差的目的，同時變頻器可以利用USS實現(xiàn)與可編輯邏輯控制器的通信，而送紙輥上的編碼器可以將檢測到的速度數(shù)據(jù)傳遞到變頻器模塊中實現(xiàn)速度的反饋，進而形成速度閉環(huán)控制。

而在切紙輥驅動器方面則采用了伺服驅動器，功率設置在11KW左右，該驅動器需配置多路數(shù)字量輸入以及多路數(shù)字量輸出，可以實現(xiàn)脈沖信號、編碼器反饋信號的輸入，也能利用通信端子支持通信協(xié)議。至于交流伺服電動機則需配備高精度增量型編碼器，要求設備輸出端與驅動器輸入端連接，形成閉環(huán)控制，以此保證伺服電機可以實現(xiàn)精確運行，確保編碼器具備極強的抗干擾性以及可靠性。

3.軟件設計

可編輯邏輯控制器屬于雙切刀伺服系統(tǒng)的核心組成，電氣控制系統(tǒng)可采用CPU226PLC控制器，編程工具則使用WIN。系統(tǒng)編程語言為梯形圖，可以利用模塊化完成子程序功能的設計。比如送紙輥控制程序、伺服驅動器控制程序、通訊程序、輔助功能程序等。其中1號送紙輥程序需要借助安裝在導輥編碼器上的方式，實現(xiàn)伺服速度的測定與采集，而編碼器則可以收集紙幅線速度信號，之后通過送紙輥變頻器端口借助通信協(xié)議傳遞到可編輯邏輯控制器當中，再將反饋的轉速數(shù)據(jù)進行一系列計算，從而獲取紙幅的實際線速度。同時PLC還能夠將線速度數(shù)據(jù)通過送紙輥完成既定值的比較，從而找出可能存在的偏差，再通過PID實現(xiàn)修正給定值的輸出，借助USS通信協(xié)議將速度給定值賦予到變頻器當中，從而達到控制送紙輥轉速的目的，形成閉環(huán)控制。而操作人員也可以利用人機界面進行送紙輥給定數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)與修正。

伺服驅動器的控制系統(tǒng)能夠完成設備的啟動與停止，可以依照伺服驅動器的工作特點完成程序編寫，能在延時一秒之后以及暫停凸輪功能6秒時使伺服電機拖動切紙輥找尋切點，并在暫停時間之后啟動凸輪功能，開始切割作業(yè)。具體的切紙輥控制流程為：驅動器啟動→伺服使能延時一秒→原點回歸→凸輪運行→停機。

在切長設定系統(tǒng)中，PLC控制器能夠與人機界面完成通信傳輸，在操作過程中，技術人員可利用人機界面實現(xiàn)切刀輥的切入寫入，將切長存放在可編輯邏輯控制程序中，利用MOD通信協(xié)議與伺服驅動器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，將切長寫入到驅動器參數(shù)中，具體的切長設定程序流程可分為：控制器啟動→參數(shù)初始化→從觸摸屏寫入切長→判斷切長變化→寫入驅動器參數(shù)→停機。

4.控制調(diào)試

伺服驅動器需要采用位置控制模式實現(xiàn)伺服電機的操作，在調(diào)試時要對相關參數(shù)進行設置，確保設備自帶的程序軟件能夠實現(xiàn)驅動器輸出波形的查看，利用位置調(diào)節(jié)方法以及速度環(huán)參數(shù)的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，降低切長誤差。若切長誤差數(shù)值最小，則證明系統(tǒng)處在最佳運行狀態(tài)，可停止參數(shù)調(diào)節(jié)。而啟動器的位置控制模塊需要采用比例控制法，即在位置環(huán)上設定比例參數(shù)。而對速度控制單元則主要利用積分控制法，即設置PID比例參數(shù)，由于速度環(huán)的響應性能遠高于位置環(huán)，因此為了確保系統(tǒng)能夠快速響應，減少滯后現(xiàn)象，需要在調(diào)節(jié)速度環(huán)參數(shù)后，才可調(diào)節(jié)位置環(huán)的比例參數(shù)，具體的驅動器參數(shù)設置為：控制模式，設定值為1-位置模式;DI1邏輯選擇，設定值為0-低電平有效;DI4功能，設定值為32-原點回歸使能;橫切功能原則，設定值為1-飛剪;訂單1剪切長度，設定值需要依照現(xiàn)場總線通信進行設定。

三、結語

綜上所述，通過對雙刀切割機的運行原理進行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統(tǒng)軟件、硬件的設計方法以及具體的應用路徑，以此保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，提高加工質量，滿足用戶多元化的應用需求。

參考文獻：

[1]李天利.雙刀切紙機的負荷分配[J].中國造紙，2020，34（11）：45-47.

[2]孫振強.雙刀切紙機傳動系統(tǒng)的改進[J].湖南造紙，2020（04）：31.