基于PLC的铝箔纸复合机控制系统改造

黄建春, 黄威, 王文虎

基于PLC的铝箔纸复合机控制系统改造

黄建春, 黄威, 王文虎

(湖南文理学院 电气与信息工程学院, 湖南 常德, 415000)

针对JHML-T1000湿式复合机设备老化、维护困难、控制系统落后, 且运行不稳定等诸多问题, 对原有系统进行了升级改造。系统改造采用模块化设计思想, 以三菱PLC为控制核心, 以异步电机、变频器、磁粉制动器为拖动系统, 运用张力 PID调节和变频技术, 实现了系统运行稳定、张力变化平稳、设备维护和升级改造方便的要求, 提高了设备的生产效率。

铝箔纸复合机; 磁粉制动器; 恒张力控制; PID调节

1　复合机系统结构与工艺流程

铝箔纸复合机传动结构示意图如图1所示。系统共分为5个功能部分: 放卷轴、放卷牵引辊、复合与印刷辊、收卷牵引辊和收卷轴。

图1　铝箔纸复合机传动结构

整个控制系统虽然由 5大部分组成, 但是各部分密切相连, 从收卷到放卷都采用了恒定张力控制。整体来看, 系统控制主要是对各部分的张力调节, 即印刷料和铝箔纸与各驱动辊之间的张力控制。系统通过磁粉制动器来调节传动力矩, 保证张力的恒定。而对于复合、印刷与卷取部分来说, 张力的产生主要是因复合辊、印刷辊和收卷辊之间存在速度上的差异, 这种差异通过变频器调节各拖动电机的速度, 达到速度匹配, 张力恒定的目的。

整个复合工艺流程为: ① 放卷, 纸料和铝箔料由料卷形式展开为料带形式进入复合机; ② 涂布,铝箔料带经由导辊牵引, 通过胶水轮进行涂布操作, 为下一步贴合操作做好准备; ③ 贴合, 纸料带和铝箔料带经过贴合座, 在贴合辊与贴合轮压力作用和胶水化学作用下, 2种基材贴合在一起, 形成复合膜; ④ 印刷, 复合膜经过预热和干燥以后, 经印刷座, 通过凹版印刷工序, 形成印刷复合膜; ⑤ 烘干,印刷复合膜经过烘箱, 加热烘干, 形成产品; ⑥ 卷取, 烘干后的成品通过卷取辊卷绕操作, 形成复合膜成品料卷。根据该工艺流程, 控制系统设计可分为放卷过程、贴合过程、印刷和收卷过程4个部分来进行。

2　系统总体设计思路

改造总体指导思想是设备机械部分整体不作大的改变, 而只对张力检测方式、控制方式、执行传动方式进行系统改造, 以满足产品工艺要求。控制系统改造前后对应如表1所示。

表1　控制系统改造前后的对应

系统采用触摸屏进行系统运行参数的设置, 同时对设备运行状态进行监控, 以PLC作为控制核心, 运用PID调节, 通过变频器、磁粉制动器实现各传动部分的恒张力控制[4-6]。电气控制系统总体结构如图2所示。整个系统控制和被控部件有: 主控制器PLC完成系统的总体逻辑控制、张力PID调节以及触摸屏的通信; 2套磁粉制动器, 根据收、放卷检测的张力值, 按照PI算法, 进行系统调节控制, 3台矢量控制变频器, 拖动电机进行同步控制。

3　系统硬件设计

控制系统采用三菱FX3U-80MR/ ES-A对变频器、磁粉制动器进行系统张力控制。系统硬件设计主要包含磁粉制动器及其控制电路设计、PLC控制系统设计和触摸屏监控系统设计3个部分。

3.1磁粉制动器及其控制电路

系统刹车制动设备采用了 2台 ZZ-10型水冷机座式磁粉制动器, 额定电压 24 V,额定扭矩100 N*m, 激磁电流1 A, 滑差功率8 kw。PLC模拟量输出模块输出的电流信号, 作为磁粉制动器的控制信号, 作用于恒流源放大器的控制输入端, 控制恒流源放大器的电流输出大小, 刹车转矩输出与恒流源输出成正比, 故可以通过线形调节控制信号实现转矩的线形变化。

图2　电气控制结构示意图

磁粉制动器控制电流的调节与稳定是恒张力控制的关键。因为磁粉制动器是一种感性负载, 有较大的磁滞反应, 故不能直接采用PID调节。为此设计了一种大功率恒流源[4]来驱动磁粉制动器。反馈电流IF和激励电流I0的控制关系为F00FI RI R=, 其中反馈电阻RF= 50 Ω,激励电阻R0= 0.5 Ω,输出电流的最大值可达2 A (控制器输出电流为0～20 mA)。因为R0的电流较大, 采用了1%金属膜精密电阻, 其功率不小于5 W。

磁粉制动器对收、放卷过程张力控制的输入、输出信号流如图 3所示。其控制过程为: 张力传感器检测到的负载张力, 经信号放大器放大后, 输出到PLC主控制器, 经PID运算,输出到恒流源放大器, 以此驱动磁粉制动器, 对张力进行闭环调节。因为刹车转矩输出与恒流源输出成正比, 故刹车转矩输出也与控制信号成正比, 通过调节控制信号可实现转矩的线形变化。

图3　磁粉制动器张力控制输入输出信号流

3.2PLC控制电路的硬件设计

复合机控制系统开关量输入主要包含3个地启、停按钮、各工位限位开关和系统手动调试时各开关信号等共23个开关量输入点; 开关量输出主要包含3台电机控制接触器、指示灯、变频器启停信号和各电磁阀的开关信号, 共35个开关量输出点。模拟量输入输出设备主要包含: 3个张力检测元件、3台变频器BP1、BP2、BP3和2台磁粉制动器的电流控制器, 共有模拟量输入3个点, 模拟量输出5个点[7]。系统采用三菱FX3U-80MR/ES-A作为核心控制器, 此系列PLC共有40路输入点和40路输出点,自带8路高速计数输入端口, 另选购2块FX2N-4DA模拟量输出模块和1块FX3U-4AD模拟量输入模块, 用来控制磁粉制动器的制动力矩和变频器的输出频率。系统主要通过触摸屏进行操作, 在恒张力和恒线速度的情况下自动完成收卷、放卷、印刷、复合的一系列过程, 同时也可以在手动状态下, 通过对某些按键的操作来完成系统调试。

3.3触摸屏监控系统设计

触摸屏监控系统是与设备进行信息、数据交流和发出控制指令的一个平台, 通过其来完成中央集中控制和监视报警的目的[8-9]。系统采用英威纶HMI (人机界面), 利用威纶通EB8000-V4.10组态软件对系统进行监控。监控系统共建立了3个界面系统运行操作界面、张力设定界面和系统监视界面, 其中张力PID调节参数的设定与变化曲线的监测有关。张力设定界面如图4所示。其余2个界面主要是对应PLC的输入输出信号的监控。

图4　张力设定

4　系统软件设计

系统PLC软件主要由主程序和报警、手动调节、停车、变速及张力PID调节5个子程序组成。控制系统主程序流程图如图5所示。

图5　控制系统主程序流程图

在主程序流程图中, 仅在调试设备时才采用手动操作模式, 实际生产过程中都采用自动模式操作。变速子程序部分则是通过比较给定速度与当前速度之间的差距, 采用一定的算法, 利用变频器, 控制主令电机的速度以渐进逼近的方式, 最终达到系统给定速度。通过判断当前速度范围, 将当前速度与变速步长相加, 然后输出新的系统当前速度, 达到速度平稳过渡的目的。张力PID调节子程序是复合机控制系统主要控制部分[10-11]。张力反馈值的偏差量e(t)经过张力控制的PID算法处理后, 与PLC输出的速度同步信号按照一定比例在张力控制器中进行叠加, 作用于变频器和磁粉制动器, 对系统张力进行稳定控制。PID调节子程序如图6所示。

图6　张力PID调节子程序

5　结束语

铝箔纸湿式复合机系统改造采用三菱3U系列PLC为核心控制单元, 通过变频器、磁粉制动器和触摸屏监控系统实现了对系统的有效控制。系统硬件电路简单可靠, 软件设计运用 PID渐进式调节方法, 采用模块化设计思路, 使得整个系统的程序结构清晰, 极大地方便了以后的设备维护和升级改造。通过1年多的设备运行表明, 设备运行正常, 性能良好, 达到了系统设计要求。在此系统中, 由于卷筒、导辊及张力执行元件的转动惯量存在, 速度变化带来的张力波动始终是一个不可预料的问题, 所以如何减小这些器件的转动惯量, 将速度变化带来的张力波动减小到可以接受的范围之内, 将是今后继续研究的一个课题。

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(责任编校: 刘晓霞)

Reforming design of control system based on PLC for aluminum foil paper composite machine

Huang Jianchun, Huang wei, Wang Wenhu
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

To solve the problems of the JHML-T1000 wet-type composite machine such as aging, difficult to maintenance, backward of control system and instable when operating, the original system is upgraded after reformed. Using the modular design ideas in the reformed system, MITSUBISHI PLC is used as the control core with the induction motor, frequency converter, magnetic particle clutch as the drive system. And the use of tension PID regulation technology and frequency conversion technology guarantee the system run stably, the tension change smoothly and the convenience of the equipment to be maintained and upgraded or reformed, then the production efficiency of the equipment is improved.

aluminum foil paper composite machine; magnetic particle brake; constant tension control; PID regulation

TP 276

1672–6146(2016)03–0079–04

10.3969/j.issn.1672–6146.2016.03.017

黄建春, 402602790@qq.com。

2016-06-06提高[1], 变频器—交流电动机控制方案取代原有G—M系统, 在工业控制中应用越来越广泛。故此, 为了满足设备运行的要求, 现采用先进的变频器—交流电动机[2-3]拖动系统, 对原有系统进行升级改造。系统以三菱 PLC为核心, 以异步电机、变频器、磁粉制动器为执行部件, 取代原有的直流电机控制系统, 达到提高产品质量、生产效率和节约能源的目的。

上世纪90年代初, 台湾昆山公司生产的JHML-T1000型印刷用的复合机大量引入国内, 直到现在还在我国广泛使用。因当时计算机还没有普遍应用到工控领域, 此类复合机的控制系统采用各种分立和集成元件组成印制板电路, 控制系统复杂, 完成各种功能的印制板较多, 特别是恒张力调速系统采取直流发电机—电动机系统, 简称G—M系统[1]。虽然直流电动机的调速性能很好, 起动转矩较大, 调速平滑、方便, 调速范围广, 过载能力大, 能承受频繁的冲击负载, 可实现频繁的无级快速起动、制动和反转等等诸多优点, 但G—M系统效率较低, 每一台电动机要一台发电机来拖动, 控制系统装置庞大, 电气维护难度很大。同时设备已经运行20多年, 控制系统各分立元件的可靠性大大降低, 导致设备运行过程中, 张力以及速度的控制不稳定, 严重影响着系统的稳定性, 致使产品的质量、产量降低, 直接影响生产的经济效益。随着矢量控制等多种新型控制策略在变频器中的应用, 变频器各项技术性能大幅度