PLC在紙張復合機控制系統中的應用

0 引言

　　某印刷廠(chǎng)的臺灣產(chǎn)JHML-T1000型濕式復合機原有的微機控制系統,采用各種板卡（信號采集輸入卡、各種控制輸出卡、張力控制板、顯示卡等）和總線(xiàn)的分散控制結構。因年代久遠和生產(chǎn)環(huán)境的影響以及沒(méi)有對生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施有效的張力控制，引起系統的不穩定。導致產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量下降。張力控制是整機的核心，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。在復合過(guò)程中，張力控制得當，就不會(huì )產(chǎn)生縱向或橫向的褶皺，材料本身不會(huì )發(fā)生塑性形變。在印刷過(guò)程中，只要張力穩定，印刷的套準精度和廢品率就很容易控制。機器速度越高，張力控制就顯得越重要。要得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，就必須配備功能完善的張力控制系統。因此，對該復合機張力控制系統進(jìn)行了全面的技術(shù)改造：用PLC為核心的控制系統取代原有的微機控制系統，以期對該設備進(jìn)行穩定可靠的張力控制，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要。

1 系統介紹

　　復合機張力控制系統結構如圖1所示。整個(gè)系統分為放卷、張力從動(dòng)控制和復合、印刷與卷取主動(dòng)控制兩部分。

　　1.1 放卷張力從動(dòng)控制

　　放卷張力控制分為兩段，即紙料與復合輥之間的張力控制和鋁箔料與復合輥之間的張力控制。放卷時(shí)均采用被動(dòng)式的恒張力放卷，因此放卷過(guò)程中隨著(zhù)卷徑的減小，張力要保持基本恒定，就要由磁粉制動(dòng)器通過(guò)調節傳動(dòng)力矩來(lái)滿(mǎn)足張力恒定的要求。同時(shí)因為這兩段的距離比較短，所以張力初始值的設定要小一些。值得注意的是，料卷越重，放卷張力就越大;卷徑相同時(shí)，料卷越寬，張力越大。

　　1.2 復合—印刷—收卷張力控制

　　復合—印刷—收卷張力是由復合輥、印刷輥和收卷輥之間的速度差造成的。在復合機中，通過(guò)調節復合輥電機、印刷輥電機和收卷輥電機的速度輸出來(lái)達到調節這部分的張力。除了受速度差的影響外，還與實(shí)際基材的伸縮率、厚薄變化、干燥溫度、高燥區長(cháng)度、料帶的傳輸速度等因素有關(guān)。如果基材的伸縮率越大，在張力作用下越容易變形，所以應針對不同材質(zhì)的基材適當調整整流輸出，改變速度差，從而得到一個(gè)合適的張力值。如果基材厚度不均勻，復合輥和印刷輥的壓力就會(huì )波動(dòng)，從而造成速度的變化，也影響了張力。如果這部分的張力太小，就會(huì )出現褶皺，甚至造成堆積現象。但也不能過(guò)大，張力太大會(huì )使料帶發(fā)生變形，甚至出現縱向皺紋。

2 系統方案

　　針對原來(lái)工控機系統分立板卡結構的缺陷，采用以PLC為核心的張力控制系統，數字量輸入輸出采用CPU226自帶的輸入輸出和數字量擴展模塊EM221的8路輸入和EM223的16路輸入/16路輸出實(shí)現;模擬量輸入采用EM235模塊，模擬量輸出采用EM235模塊和EM232模塊。系統總體結構框圖如圖2所示。利用2臺磁粉制動(dòng)器控制放卷過(guò)程的張力，4路張力檢測器實(shí)現各段張力的檢測輸入，3臺直流調速器實(shí)現對3臺拖動(dòng)直流電機的控制，最后通過(guò)PLC完成系統的邏輯控制。

3 系統硬件

　　在張力控制系統的設計中，采用西門(mén)子S7-200系列小型PLC作為邏輯控制核心，通過(guò)它來(lái)控制復合機生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節。通過(guò)對磁粉制動(dòng)器和直流拖動(dòng)電機的控制，實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程恒張力控制。根據復合工藝流程順序，整個(gè)張力控制系統也可以按不同工藝過(guò)程分為如下4個(gè)部分來(lái)處理。

　　3.1 放卷控制

　　1、 放卷過(guò)程結構

　　放卷過(guò)程張力控制分為兩段：紙料與復合輥之間的張力控制和鋁箔料與復合輥之間的張力控制。放卷采用被動(dòng)式的恒張力放卷，因此放卷過(guò)程中隨著(zhù)卷徑的減小，張力要保持基本恒定，就要由磁粉制動(dòng)器通過(guò)調節制動(dòng)力矩來(lái)滿(mǎn)足張力恒定。張力傳感器檢測負載張力，經(jīng)過(guò)張力信號放大器以后，送到控制器中?？刂破骶C合給定和反饋張力，輸出控制信號，經(jīng)功率放大器驅動(dòng)磁粉制動(dòng)器作用到卷軸，形成張力閉環(huán)控制系統。

　　2、 輸入輸出信號

　　放卷過(guò)程輸入輸出信號流如圖3所示。裝在張力感應輥兩端的張力傳感器把感應壓力轉換為電壓信號，經(jīng)過(guò)放大變成0～10V標準信號，輸入PLC模擬量輸入口。在張力控制過(guò)程中，給定值與反饋值比較后，得到一個(gè)張力偏差量e（t），經(jīng)PID算法子程序處理后，獲得控制量u（t），經(jīng)功放后驅動(dòng)磁粉制動(dòng)器，以此控制剎車(chē)的制動(dòng)電流大小，進(jìn)而控制剎車(chē)輸出制動(dòng)轉矩，從而使放卷張力維持在一定的范圍，實(shí)現張力的恒定。

　　3.2 貼合控制

　　紙料和鋁箔料放卷以后，在牽引力的作用下，分別以料帶形式經(jīng)過(guò)導輥。在貼合操作之前，先要進(jìn)行涂布。涂布就是在料帶上涂上類(lèi)似于膠水的化學(xué)物質(zhì)，這樣才能進(jìn)行貼合。涂布以后的紙料和鋁箔料在牽引力作用下進(jìn)入貼合輥，在貼合輥和貼合輪的壓力和涂布膠水雙重作用下，紙料和鋁箔料被緊緊地粘在一起，完成貼合過(guò)程。貼合過(guò)程對PLC說(shuō)是開(kāi)環(huán)的。但直流調速器與直流電動(dòng)機之間是轉速、電流雙閉環(huán)的邏輯無(wú)環(huán)流控制，這樣就保證了電機速度控制的精確性和穩定性，所以對直流調速器—直流電動(dòng)機系統來(lái)說(shuō)，仍然是閉環(huán)控制。PLC僅僅提供一個(gè)速度給定值。

　　3.3 印刷控制

　　復合以后的料帶通過(guò)導輥進(jìn)入印刷單元，在經(jīng)過(guò)一系列印刷工序處理以后，在牽引輥施加的牽引力作用下，從印刷單元出來(lái)，進(jìn)入下一道工序。在這個(gè)過(guò)程中，首先是傳感器采集到的張力信號先經(jīng)過(guò)信號變送器的處理，然后進(jìn)入張力控制器的反饋輸入端。在與張力給定值進(jìn)行比較以后，輸出控制信號，控制直流調速器的工作。直流調速器根據張力控制器的輸出，來(lái)控制直流電動(dòng)機的轉速，完成印刷過(guò)程張力的閉環(huán)控制?？刂破鬏斎胗袕埩Ψ答佪斎牒徒o定輸入，控制器輸出為速度控制輸出。輸入輸出信號流圖4所示。

　　3.4 貼合、印刷、卷取過(guò)程電機拖動(dòng)電路

　　該系統的電機拖動(dòng)，采用了SIEMENS公司的SIMOREGK 6RA24型全數字直流調速裝置作為直流拖動(dòng)電機的驅動(dòng)、控制裝置。調速系統有4個(gè)模擬量輸入口，5個(gè)模擬量輸出口，8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和4個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出口，其裝置軟件很容易替換。使用相當方便。

　　由于復合機只有短時(shí)的正反轉，其余均為正轉，其短時(shí)正反轉（點(diǎn)動(dòng)）可以由接觸器來(lái)解決。故選擇單相限調速器。數字化調速器的控制功能是靠軟件來(lái)實(shí)現的，所以必須進(jìn)行參數設置。本系統對控制精度無(wú)特殊要求，不使用測速接口。

4 系統軟件

　　控制系統主程序流程圖如圖5所示。

　　主程序首先是初始化。PLC開(kāi)機首次掃描，運行開(kāi)機初始化子程序，通過(guò)調用該程序完成系統存儲器有關(guān)數據的初始化。然后是電源和故障檢測輸入部分。如果電源關(guān)閉，則程序運行直接轉向結束，程序執行完畢;如果電源打開(kāi)，則程序開(kāi)始檢測故障輸入。如果沒(méi)有故障，則繼續下面的掃描;如果發(fā)現故障，則調用報警子程序，然后程序轉向結束，程序執行完畢。然后是自動(dòng)/手動(dòng)選擇。手動(dòng)操作僅用于調試設備，而自動(dòng)操作才用于生產(chǎn)。如果是手動(dòng)，則調用手動(dòng)操作子程序。接下來(lái)是運行與停車(chē)判斷。當輸入是停車(chē)時(shí)，則程序執行停車(chē)子程序;當輸入是運行時(shí)，則程序執行運行過(guò)程。緊接著(zhù)就是變速操作。如果系統給定發(fā)生變化，則運行變速子程序，使系統不斷靠近而最終達到新的系統速度。最后是張力的PID調節部分。該部分通過(guò)控制2臺磁粉制動(dòng)器和2臺直流電動(dòng)機，完成系統的張力控制。

5 結束語(yǔ)

　　本系統利用SIEMENS S7-200小型PLC作為控制核心，實(shí)現了對現場(chǎng)信號的輸入和系統的實(shí)時(shí)控制，保證了響應的穩定性和快速性。軟件設計采用模塊化設計思想，程序結構清晰，為以后的維護和改進(jìn)帶來(lái)了方便。張力控制系統是整機運行的核心，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。運行結果表明，該復合機張力控制系統運行正常，性能良好。