基于PLC的拉鏈布帶數(shù)控繞帶機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司 于振軍 徐代鵬

本文介紹了使用施耐德PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)拉鏈繞帶機(jī)全數(shù)字化控制，使繞帶工藝參數(shù)完全可控的實(shí)施方案，闡述了控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各控制功能的實(shí)現(xiàn)方法，分析了部分控制程序。

1 拉鏈繞帶工藝要求概述

在拉鏈生產(chǎn)流程中，拉鏈布帶初始顏色均為白色，稱為“白坯”，在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中需根據(jù)用戶訂單要求染成不同顏色，以滿足不同使用場(chǎng)景。現(xiàn)有拉鏈染色工藝要求將拉鏈布帶按一定規(guī)律纏繞在特制的染色卷筒上，然后再放入染色機(jī)中經(jīng)過(guò)高溫染液的反復(fù)沖刷實(shí)現(xiàn)著色。在繞帶時(shí)布帶太松、太緊或排布不規(guī)律都會(huì)使染液不能均勻、充分地穿透所有布帶或?qū)е虏紟М惓Ｐ巫儯瑢?dǎo)致染色質(zhì)量不合格。目前我國(guó)主要拉鏈廠家的染色一次合格率均低于60%，導(dǎo)致大量布帶重復(fù)染色，甚至報(bào)廢，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。

傳統(tǒng)的繞帶機(jī)采用人工操作，根據(jù)操作人員的感覺(jué)控制各種繞帶參數(shù)，導(dǎo)致最終的染色效果一致性差，合格率低。數(shù)控繞帶機(jī)利用PLC實(shí)現(xiàn)布帶張力、繞帶速度和排布規(guī)律設(shè)定數(shù)字化，通過(guò)人機(jī)界面可設(shè)定各項(xiàng)繞帶工藝參數(shù)，繞帶過(guò)程工藝穩(wěn)定可控，染色合格率明顯提高。

2 數(shù)控繞帶機(jī)的結(jié)構(gòu)

拉鏈數(shù)控繞帶機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控繞帶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the CNC tape winding machine

2.1 進(jìn)料電機(jī)

進(jìn)料電機(jī)的作用是將布帶從料筒中拉出，輸送到緩沖器，在此過(guò)程中克服布帶傳輸過(guò)程中的阻力，確保纏繞過(guò)程布帶中張力不受外界阻力的影響，使布帶的張力可控。進(jìn)料速度要根據(jù)用戶設(shè)定的繞帶速度進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)還要響應(yīng)布帶因打結(jié)、阻塞等外部阻力突變等因素造成的布帶速度突變，因此該電機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，以適用不同的速度要求。

2.2 緩沖器

緩沖器主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)可以上下滑動(dòng)的浮動(dòng)轉(zhuǎn)輪，浮動(dòng)轉(zhuǎn)輪通過(guò)鏈條帶動(dòng)緩沖器高度編碼器旋轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以測(cè)量出緩沖器的高度。進(jìn)料電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)緩沖器的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)緩沖器高度偏高時(shí)，說(shuō)明進(jìn)料電機(jī)速度偏低，需要增加進(jìn)料電機(jī)速度，反之則需要降低速度。

同時(shí)，緩沖器也具有保護(hù)布帶的功能，在遇到緊急情況設(shè)備急停時(shí)，由于卷筒的慣性較大，會(huì)因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)緩沖器上升起到緩沖作用，防止布帶被扯斷或拉扯變形。

2.3 計(jì)數(shù)輪

計(jì)數(shù)輪是一個(gè)摩擦系數(shù)很高的金屬輪，布帶在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)計(jì)數(shù)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在計(jì)數(shù)輪后面同軸安裝了一個(gè)編碼盤和對(duì)射光電開關(guān)，通過(guò)對(duì)光電開關(guān)輸出的脈沖計(jì)數(shù)就可以測(cè)量繞制的布帶長(zhǎng)度，通過(guò)測(cè)量其頻率計(jì)算出布帶速度。

2.4 張力控制

張力控制輪與計(jì)數(shù)輪同軸安裝，其核心部件是一個(gè)磁粉制動(dòng)器，通過(guò)調(diào)節(jié)張力控制輪的電流可以調(diào)節(jié)器阻力，改變布帶張力，從而控制布帶的松緊程度。張力控制由PLC輸出的模擬電壓通過(guò)一個(gè)電流放大器進(jìn)行控制，程序中根據(jù)用戶的張力設(shè)定數(shù)據(jù)輸出不同的模擬電壓，從而調(diào)節(jié)繞帶過(guò)程中的張力，使布帶的松緊程度符合染色工藝的要求。

2.5 橫桿電機(jī)

橫桿電機(jī)帶動(dòng)擺臂左右移動(dòng)，使布帶在卷筒上形成規(guī)則的螺旋分布，通過(guò)調(diào)節(jié)橫桿電機(jī)的速度就可以調(diào)節(jié)螺旋的節(jié)距，以適應(yīng)不同布帶繞帶工藝要求。橫桿電機(jī)與卷筒的旋轉(zhuǎn)是聯(lián)動(dòng)關(guān)系，要確保卷筒每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，橫桿移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，為確保控制精度，橫桿電機(jī)采用的是交流伺服電機(jī)[1]。

2.6 卷筒電機(jī)

卷筒電機(jī)帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，將布帶纏繞在卷筒上，改變卷筒電機(jī)的速度就可以控制繞帶速度。繞帶工藝要求布帶恒線速度，而在繞帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中隨著布帶的不斷增加，其旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)逐漸變大，因此卷筒電機(jī)的速度是連續(xù)變化的。該電機(jī)采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)，用變頻器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

3 繞帶機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控繞帶機(jī)控制系統(tǒng)控制進(jìn)料電機(jī)、橫杠電機(jī)和卷筒電機(jī)的速度和磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)力，以達(dá)到不同繞帶工藝要求。本數(shù)控繞帶機(jī)采用施耐德M258系列 PLC和變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)電機(jī)的速度控制，通過(guò)模擬量模塊實(shí)現(xiàn)張力控制，控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)控繞帶機(jī)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of CNC tape winding machine control system

系統(tǒng)中，卷筒電機(jī)和進(jìn)料電機(jī)為三交流相異步電機(jī)，采用變頻器驅(qū)動(dòng)，橫桿電機(jī)采用交流永磁同步伺服電機(jī)及配套伺服器驅(qū)動(dòng)。PLC通過(guò)CANBUS總線控制變頻器和伺服器驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)速度控制、起?？刂坪蜖顟B(tài)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)的人機(jī)界面選用施耐德HMIGXO系列觸摸屏，該觸摸屏的通過(guò)MODBUS總線與PLC相連。通過(guò)觸摸屏可以操作繞帶機(jī)和設(shè)定各種繞帶工藝。

施耐德M258是一種高性能的PLC，具有較大存儲(chǔ)空間、本機(jī)自帶CANBUS、MODBUS和工業(yè)以太網(wǎng)接口、具有USB接口、8路200kHz的高速計(jì)數(shù)器和高速脈沖輸出，該P(yáng)LC的運(yùn)行速度較快，布爾指令執(zhí)行時(shí)間為22ns，其性能完全滿足繞帶機(jī)的控制要求。

變頻器采用施耐德ATV312系列變頻器，伺服驅(qū)動(dòng)器采用施耐德Lexium23A系列伺服，它們都自帶CANBUS總線接口，可以通過(guò)簡(jiǎn)易的網(wǎng)線與PLC相連接，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置就可以與PLC通信。

4 繞帶機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)的速度控制

4.1.1 卷筒電機(jī)的速度控制

卷筒在繞帶過(guò)程中隨著布帶的堆疊，其旋轉(zhuǎn)半徑逐漸變大，而繞帶工藝要求按照設(shè)定速度進(jìn)行恒線速度繞帶，因此卷筒電機(jī)的速度在繞帶過(guò)程中是不斷變化的，最終實(shí)現(xiàn)布帶速度的恒定為用戶設(shè)定值。

如圖1所示，通過(guò)測(cè)量計(jì)數(shù)輪后面的計(jì)數(shù)編碼盤的脈沖頻率可以計(jì)算出實(shí)際的布帶速度，將實(shí)際速度與設(shè)定速度相減得到速度誤差，采用數(shù)字化的PID運(yùn)算，計(jì)算出卷筒轉(zhuǎn)速，具體程序如下：

程序中current_belt_speed為實(shí)際的布帶速度，該值由PLC的高速計(jì)數(shù)器以1s為周期對(duì)計(jì)數(shù)編碼盤的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算后獲得；set_belt_speed是設(shè)定的布帶速度；reel_PID_P、reel_PID_I、reel_PID_D是PID運(yùn) 行中的比例、積分、微分系數(shù)，可以通過(guò)HMI設(shè)定，在調(diào)試時(shí)修改這幾個(gè)參數(shù)直到實(shí)際的布帶速度與設(shè)定速度的誤差小于1%，且實(shí)際速度穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。Reel_speed是計(jì)算結(jié)果，已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成了和變頻器頻率對(duì)應(yīng)的頻率值，單位為0.1Hz，該數(shù)值直接寫入卷筒變頻器的速度設(shè)定映射地址。

4.1.2 進(jìn)料電機(jī)速度控制

進(jìn)料電機(jī)速度根據(jù)緩沖器的高度計(jì)算，也采用PID算法，具體程序如下：

程序中current_buffer_high是緩沖器實(shí)際高度，set_buffer_high為緩沖器的設(shè)定高度，buffer_PID_P、buffer_PID_I、buffer_PID_D分別是進(jìn)料電機(jī)速度PID運(yùn)算中的比例、積分、微分參數(shù)，通觸摸屏可以設(shè)定這幾個(gè)數(shù)據(jù)，在調(diào)試時(shí)要反復(fù)修改這幾個(gè)參數(shù)，直到緩沖器在穩(wěn)定在設(shè)定高速，上下擺幅較小。進(jìn)料電機(jī)速度計(jì)算結(jié)果需要轉(zhuǎn)換成以0.1Hz為單位的整形數(shù)據(jù)，通過(guò)CANBUS總線控制寫入進(jìn)料變頻器，控制進(jìn)料電機(jī)速度。

4.1.3 橫桿電機(jī)速度控制

橫桿電機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要滿足卷筒每轉(zhuǎn)一圈，擺臂隨動(dòng)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，因此橫桿電機(jī)的速度取決于設(shè)定節(jié)距的大小和卷筒轉(zhuǎn)速。在卷筒傳動(dòng)軸上安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)PLC的高速計(jì)數(shù)器可以測(cè)量出卷筒的轉(zhuǎn)速。橫桿電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算方法如下：

bar_speed:= set_Pitch*reel_current_speed*0.746;

bar_speed_rulst:=real_to_int(bar_speed)

程序中set_Pitch是設(shè)定節(jié)距，reel_current_speed是當(dāng)前卷筒速度，常數(shù)0.746是機(jī)械傳動(dòng)比換算后得到的系數(shù)，由橫桿的機(jī)械傳動(dòng)的參數(shù)決定。計(jì)算結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為整形數(shù)據(jù)，單位為0.2轉(zhuǎn)/分，改數(shù)據(jù)通過(guò)橫桿伺服在CANBUS上的映射地址寫入驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)橫桿電機(jī)速度。

4.2 張力控制

根據(jù)染色工藝要求，布帶張力隨著纏繞的布帶的長(zhǎng)度增加而增加，由于染色工藝的復(fù)雜性，二者之間并非線性關(guān)系，因此本系統(tǒng)采用5個(gè)點(diǎn)（不含零點(diǎn)）定義布帶長(zhǎng)度與張力的關(guān)系曲線，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和張力數(shù)據(jù)，采用分段線性化計(jì)算張力控制值。張力控制數(shù)據(jù)由用戶根據(jù)需要通過(guò)觸摸屏設(shè)定，默認(rèn)長(zhǎng)度為0時(shí)張力設(shè)定為0。張力控制程序如下：

程序變量表：

current_tension_percentage為計(jì)算后的張力控制給定值。系統(tǒng)中在張力控制器后設(shè)置了張力檢測(cè)裝置，對(duì)張力進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，采用PID算法以提高控制張力控制精度[2,3]。張力PID計(jì)算結(jié)果通過(guò)換算后經(jīng)D/A模塊輸出張力控制電壓。

current_tension_value:=REAL_TO_INT(current_tension_percentage*10000)

張力控制電壓通過(guò)D/A模塊輸出，范圍為0-10V,系統(tǒng)中配置對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍為0-10000，上式中的常數(shù)10000為換算系數(shù)，由系統(tǒng)硬件配置確定。

在實(shí)際使用中，由于張力輪通過(guò)摩擦力將張力傳遞給布帶，因此要保持張力輪表面達(dá)到一定的粗糙度。張力控制裝置長(zhǎng)期使用后張力輪表面磨損會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，達(dá)不到張力控制的需要，出現(xiàn)張力輸出滿幅后張力反饋都無(wú)法達(dá)到設(shè)定值的情況，為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了張力監(jiān)控程序，當(dāng)出現(xiàn)張力控制偏差較大，系統(tǒng)提示張力控制系統(tǒng)失效，需更換摩擦張力輪或檢查磁粉制動(dòng)裝置。

5 結(jié)論

通過(guò)PLC及總線實(shí)現(xiàn)了拉鏈繞帶過(guò)程中的各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定的控制，該系統(tǒng)在福建潯興、浙江偉星等國(guó)內(nèi)龍頭拉鏈企業(yè)投入批量應(yīng)用，形成系列產(chǎn)品。本系統(tǒng)有效地消除了人為因素對(duì)繞帶質(zhì)量的影響，提升了拉鏈染色的一次合格率。

引用

[1] 郭建江,吳小峰,范力旻,等.基于施耐德PLC的玻璃橫切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015(9):138-1402.

[2] 王春香,王永章,路華,等.精密張力控制系統(tǒng)及其控制精度的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2000,21(4):407-408.

[3] 任勝樂(lè).纖維纏繞運(yùn)動(dòng)中精密張力控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.