基于伺服控制的双刀切纸机电气控制系统的设计及应用研究

杨冬伟

摘 要：本文将围绕双刀切纸机运行原理进行分析讨论，提出基于伺服控制的双刀切纸机电气控制系统的设计方法以及应用路径，以此将设备运行误差控制在0.5mm以内，实现加工产品质量的进一步提升。

关键词：双刀切纸机;电气控制系统;伺服控制

引言

伺服控制是指对物体运动位置、速度等变化量进行有效把控，能够进一步提高控制精确度，满足我国高标准加工需要，将其运用在双刀切纸机电气控制系统中，不仅可以提高生产效率，还能简化操作流程，降低产品误差。为了确保后续提出的设计方法更具有针对性与实用性，首先要对双刀切纸机的运行原理进行深入了解。

一、双刀切纸机运行原理

双刀切纸机是指纸张的二次加工装置，能够将卷曲后的卷筒纸进行剪切加工，使其满足平常纸的规格要求，该设备具有两组送纸辊装置以及切刀辊装置，能够利用双重固定转刀以及送纸、切纸装置，实现周期性运动。并且切纸机的生产能力极强，机械组成相对简单，可以通过纵切结构，对纸幅进行纵向分切，并将分切后的纸张分别送入1、2号切纸辊，再由送纸辊电机将其进行不同规格的裁切，最终送入接纸台，实现整理与打包。

以某地方城市造纸企业所采用的切纸机设备作为分析对象，该装置的数据参数如下：最高车速在110m/min左右，幅宽在2400mm，退卷装置能够一次放置6卷原纸卷，送纸辊直径为500mm，切纸辊直径为400mm，而减速器的减速比为19.2，切长要求为700mm～1300mm，误差率大约在0.4mm左右[1]。

二、基于伺服控制的双刀切纸机电气控制系统的设计及应用分析

1.确定控制方案

根据上述双刀切纸机的工作原理可知，切纸机在运行状态下送纸辊需要由电机进行驱动，能够完成连续送纸并旋转切纸，切刀辊每旋转一周便可完成一次切割，且每次切纸的长度与送纸辊的转速有关，因此可得出二者的存在关系公式为：

V=L·n/1000，其中V代表送纸速度，单位为m/min，n代表刀辊转速，单位为r/min，L代表切纸长度，单位为mm。当切纸长度得到预先设定后，便可判断n与V呈线性关系，此时需设定不同切纸长度得到不同的比例系数，反之，只要做好比例系数的控制，那么便可获取不同的切纸长度。为了达到此类控制效果，需要借助伺服系统稳定性优良、准确性高的优势，实现基于伺服控制系统的双刀切纸机电气控制系统的设计，利用伺服驱动器与电机对切纸机进行伺服控制，利用变频器以及交流电机对切纸辊进行速度把控。此时只要将纸张以线速度送入切纸辊的伺服系统中，使其作为主辊速度，便可充分发挥伺服系统动作响应快、稳定性好等优势，切实满足切纸机控制工艺需要[2]。

2.硬件设计

为了确保双刀切纸机能够进一步提高控制精度，需要在电气控制系统中采用可编辑逻辑控制器作为控制单元，将变频装置作为1号送纸辊以及2号送纸辊的驱动单元，将伺服驱动器作为1号切纸辊与2号切纸辊的驱动单元，并采用交流伺服电机提供电源，将触摸屏作为人机界面，此时操作人员便可通过通信协议与变频器完成通信，并利用MOD通信协议与切纸辊驱动器实现数据传输。

PLC控制器主要负责完成外部电机启动信号的输入，同时也能完成张力投入确认信号、切刀联动信号、电机状态信号的传输，因为可编辑逻辑控制器与送纸辊变频器均采用USS通信，与伺服驱动器则采用MOD通信协议，所以驱动单元的速度给定以及速度反馈等数据可以利用总线通信的形式进行控制。

在送纸辊方面需要利用变频器实现驱动处理，而送纸辊电动机则要采用三相交流电动机，由于送纸辊本身允许一定程度的速度波动以及数据偏差，因此利用速度控制可以切实满足应用需要。此外，系统需要通过切长计算以及切长误差反馈，完成进程标识符的计算以及处理，能够在跟随送纸辊速度的前提条件下，实现误差补偿值的输出，以此达到控制切纸辊降低误差的目的，同时变频器可以利用USS实现与可编辑逻辑控制器的通信，而送纸辊上的编码器可以将检测到的速度数据传递到变频器模块中实现速度的反馈，进而形成速度闭环控制。

而在切纸辊驱动器方面则采用了伺服驱动器，功率设置在11KW左右，该驱动器需配置多路数字量输入以及多路数字量输出，可以实现脉冲信号、编码器反馈信号的输入，也能利用通信端子支持通信协议。至于交流伺服电动机则需配备高精度增量型编码器，要求设备输出端与驱动器输入端连接，形成闭环控制，以此保证伺服电机可以实现精确运行，确保编码器具备极强的抗干扰性以及可靠性。

3.软件设计

可编辑逻辑控制器属于双切刀伺服系统的核心组成，电气控制系统可采用CPU226PLC控制器，编程工具则使用WIN。系统编程语言为梯形图，可以利用模块化完成子程序功能的设计。比如送纸辊控制程序、伺服驱动器控制程序、通讯程序、辅助功能程序等。其中1号送纸辊程序需要借助安装在导辊编码器上的方式，实现伺服速度的测定与采集，而编码器则可以收集纸幅线速度信号，之后通过送纸辊变频器端口借助通信协议传递到可编辑逻辑控制器当中，再将反馈的转速数据进行一系列计算，从而获取纸幅的实际线速度。同时PLC还能够将线速度数据通过送纸辊完成既定值的比较，从而找出可能存在的偏差，再通过PID实现修正给定值的输出，借助USS通信协议将速度给定值赋予到变频器当中，从而达到控制送纸辊转速的目的，形成闭环控制。而操作人员也可以利用人机界面进行送纸辊给定数据的调节与修正。

伺服驱动器的控制系统能够完成设备的启动与停止，可以依照伺服驱动器的工作特点完成程序编写，能在延时一秒之后以及暂停凸轮功能6秒时使伺服电机拖动切纸辊找寻切点，并在暂停时间之后启动凸轮功能，开始切割作业。具体的切纸辊控制流程为：驱动器启动→伺服使能延时一秒→原点回归→凸轮运行→停机。

在切长设定系统中，PLC控制器能够与人机界面完成通信传输，在操作过程中，技术人员可利用人机界面实现切刀辊的切入写入，将切长存放在可编辑逻辑控制程序中，利用MOD通信协议与伺服驱动器实现数据传输，将切长写入到驱动器参数中，具体的切长设定程序流程可分为：控制器启动→参数初始化→从触摸屏写入切长→判断切长变化→写入驱动器参数→停机。

4.控制调试

伺服驱动器需要采用位置控制模式实现伺服电机的操作，在调试时要对相关参数进行设置，确保设备自带的程序软件能够实现驱动器输出波形的查看，利用位置调节方法以及速度环参数的控制，实现系统的稳定运行，降低切长误差。若切长误差数值最小，则证明系统处在最佳运行状态，可停止参数调节。而启动器的位置控制模块需要采用比例控制法，即在位置环上设定比例参数。而对速度控制单元则主要利用积分控制法，即设置PID比例参数，由于速度环的响应性能远高于位置环，因此为了确保系统能够快速响应，减少滞后现象，需要在调节速度环参数后，才可调节位置环的比例参数，具体的驱动器参数设置为：控制模式，设定值为1-位置模式;DI1逻辑选择，设定值为0-低电平有效;DI4功能，设定值为32-原点回归使能;横切功能原则，设定值为1-飞剪;订单1剪切长度，设定值需要依照现场总线通信进行设定。

三、结语

综上所述，通过对双刀切割机的运行原理进行分析讨论，提出基于伺服控制的双刀切纸机电气控制系统软件、硬件的設计方法以及具体的应用路径，以此保证系统的平稳运行，提高加工质量，满足用户多元化的应用需求。

参考文献：

[1]李天利.双刀切纸机的负荷分配[J].中国造纸，2020，34（11）：45-47.

[2]孙振强.双刀切纸机传动系统的改进[J].湖南造纸，2020（04）：31.