基于PLC的拉链布带数控绕带机控制系统设计

2022-09-26中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司于振军徐代鹏

数字技术与应用 2022年9期

中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司于振军徐代鹏

本文介绍了使用施耐德PLC、变频器、伺服驱动等实现拉链绕带机全数字化控制，使绕带工艺参数完全可控的实施方案，阐述了控制系统的拓扑结构、各控制功能的实现方法，分析了部分控制程序。

1 拉链绕带工艺要求概述

在拉链生产流程中，拉链布带初始颜色均为白色，称为“白坯”，在后续生产过程中需根据用户订单要求染成不同颜色，以满足不同使用场景。现有拉链染色工艺要求将拉链布带按一定规律缠绕在特制的染色卷筒上，然后再放入染色机中经过高温染液的反复冲刷实现着色。在绕带时布带太松、太紧或排布不规律都会使染液不能均匀、充分地穿透所有布带或导致布带异常形变，导致染色质量不合格。目前我国主要拉链厂家的染色一次合格率均低于60%，导致大量布带重复染色，甚至报废，造成严重浪费。

传统的绕带机采用人工操作，根据操作人员的感觉控制各种绕带参数，导致最终的染色效果一致性差，合格率低。数控绕带机利用PLC实现布带张力、绕带速度和排布规律设定数字化，通过人机界面可设定各项绕带工艺参数，绕带过程工艺稳定可控，染色合格率明显提高。

2 数控绕带机的结构

拉链数控绕带机的结构示意图如图1所示。

图1 数控绕带机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of the CNC tape winding machine

2.1 进料电机

进料电机的作用是将布带从料筒中拉出，输送到缓冲器，在此过程中克服布带传输过程中的阻力，确保缠绕过程布带中张力不受外界阻力的影响，使布带的张力可控。进料速度要根据用户设定的绕带速度进行调整，同时还要响应布带因打结、阻塞等外部阻力突变等因素造成的布带速度突变，因此该电机采用变频器驱动，以适用不同的速度要求。

2.2 缓冲器

缓冲器主体结构是一个可以上下滑动的浮动转轮，浮动转轮通过链条带动缓冲器高度编码器旋转，通过对编码器的输出脉冲进行计数就可以测量出缓冲器的高度。进料电机的旋转速度根据缓冲器的高度数据进行调节，当缓冲器高度偏高时，说明进料电机速度偏低，需要增加进料电机速度，反之则需要降低速度。

同时，缓冲器也具有保护布带的功能，在遇到紧急情况设备急停时，由于卷筒的惯性较大，会因惯性继续旋转，此时缓冲器上升起到缓冲作用，防止布带被扯断或拉扯变形。

2.3 计数轮

计数轮是一个摩擦系数很高的金属轮，布带在运动过程中带动计数轮转动，在计数轮后面同轴安装了一个编码盘和对射光电开关，通过对光电开关输出的脉冲计数就可以测量绕制的布带长度，通过测量其频率计算出布带速度。

2.4 张力控制

张力控制轮与计数轮同轴安装，其核心部件是一个磁粉制动器，通过调节张力控制轮的电流可以调节器阻力，改变布带张力，从而控制布带的松紧程度。张力控制由PLC输出的模拟电压通过一个电流放大器进行控制，程序中根据用户的张力设定数据输出不同的模拟电压，从而调节绕带过程中的张力，使布带的松紧程度符合染色工艺的要求。

2.5 横杆电机

横杆电机带动摆臂左右移动，使布带在卷筒上形成规则的螺旋分布，通过调节横杆电机的速度就可以调节螺旋的节距，以适应不同布带绕带工艺要求。横杆电机与卷筒的旋转是联动关系，要确保卷筒每转一转，横杆移动一个节距，为确保控制精度，横杆电机采用的是交流伺服电机[1]。

2.6 卷筒电机

卷筒电机带动卷筒转动，将布带缠绕在卷筒上，改变卷筒电机的速度就可以控制绕带速度。绕带工艺要求布带恒线速度，而在绕带机运行过程中随着布带的不断增加，其旋转半径会逐渐变大，因此卷筒电机的速度是连续变化的。该电机采用普通三相异步电动机，用变频器实现无级调速。

3 绕带机控制系统硬件设计

数控绕带机控制系统控制进料电机、横杠电机和卷筒电机的速度和磁粉制动器的制动力，以达到不同绕带工艺要求。本数控绕带机采用施耐德M258系列 PLC和变频器、伺服驱动器实现对三个电机的速度控制，通过模拟量模块实现张力控制，控制系统的拓扑结构如图2所示。

图2 数控绕带机控制系统拓扑结构Fig.2 Topological structure of CNC tape winding machine control system

系统中，卷筒电机和进料电机为三交流相异步电机，采用变频器驱动，横杆电机采用交流永磁同步伺服电机及配套伺服器驱动。PLC通过CANBUS总线控制变频器和伺服器驱动器，实现速度控制、起停控制和状态监测。

系统的人机界面选用施耐德HMIGXO系列触摸屏，该触摸屏的通过MODBUS总线与PLC相连。通过触摸屏可以操作绕带机和设定各种绕带工艺。

施耐德M258是一种高性能的PLC，具有较大存储空间、本机自带CANBUS、MODBUS和工业以太网接口、具有USB接口、8路200kHz的高速计数器和高速脉冲输出，该PLC的运行速度较快，布尔指令执行时间为22ns，其性能完全满足绕带机的控制要求。

变频器采用施耐德ATV312系列变频器，伺服驱动器采用施耐德Lexium23A系列伺服，它们都自带CANBUS总线接口，可以通过简易的网线与PLC相连接，通过简单的参数设置就可以与PLC通信。

4 绕带机软件设计

4.1 电机的速度控制

4.1.1 卷筒电机的速度控制

卷筒在绕带过程中随着布带的堆叠，其旋转半径逐渐变大，而绕带工艺要求按照设定速度进行恒线速度绕带，因此卷筒电机的速度在绕带过程中是不断变化的，最终实现布带速度的恒定为用户设定值。

如图1所示，通过测量计数轮后面的计数编码盘的脉冲频率可以计算出实际的布带速度，将实际速度与设定速度相减得到速度误差，采用数字化的PID运算，计算出卷筒转速，具体程序如下：

程序中current_belt_speed为实际的布带速度，该值由PLC的高速计数器以1s为周期对计数编码盘的脉冲进行计数并计算后获得；set_belt_speed是设定的布带速度；reel_PID_P、reel_PID_I、reel_PID_D是PID运行中的比例、积分、微分系数，可以通过HMI设定，在调试时修改这几个参数直到实际的布带速度与设定速度的误差小于1%，且实际速度稳定，没有出现大幅度波动。Reel_speed是计算结果，已经被转换成了和变频器频率对应的频率值，单位为0.1Hz，该数值直接写入卷筒变频器的速度设定映射地址。

4.1.2 进料电机速度控制

进料电机速度根据缓冲器的高度计算，也采用PID算法，具体程序如下：

程序中current_buffer_high是缓冲器实际高度，set_buffer_high为缓冲器的设定高度，buffer_PID_P、buffer_PID_I、buffer_PID_D分别是进料电机速度PID运算中的比例、积分、微分参数，通触摸屏可以设定这几个数据，在调试时要反复修改这几个参数，直到缓冲器在稳定在设定高速，上下摆幅较小。进料电机速度计算结果需要转换成以0.1Hz为单位的整形数据，通过CANBUS总线控制写入进料变频器，控制进料电机速度。

4.1.3 横杆电机速度控制

横杆电机的运动主要满足卷筒每转一圈，摆臂随动移动一个节距，因此横杆电机的速度取决于设定节距的大小和卷筒转速。在卷筒传动轴上安装了旋转编码器，通过PLC的高速计数器可以测量出卷筒的转速。横杆电机转速计算方法如下：

bar_speed:= set_Pitch*reel_current_speed*0.746;

bar_speed_rulst:=real_to_int(bar_speed)

程序中set_Pitch是设定节距，reel_current_speed是当前卷筒速度，常数0.746是机械传动比换算后得到的系数，由横杆的机械传动的参数决定。计算结果需要转换为整形数据，单位为0.2转/分，改数据通过横杆伺服在CANBUS上的映射地址写入驱动器，调节横杆电机速度。

4.2 张力控制

根据染色工艺要求，布带张力随着缠绕的布带的长度增加而增加，由于染色工艺的复杂性，二者之间并非线性关系，因此本系统采用5个点（不含零点）定义布带长度与张力的关系曲线，每个点对应一组长度数据和张力数据，采用分段线性化计算张力控制值。张力控制数据由用户根据需要通过触摸屏设定，默认长度为0时张力设定为0。张力控制程序如下：

程序变量表：

current_tension_percentage为计算后的张力控制给定值。系统中在张力控制器后设置了张力检测装置，对张力进行检测，实现闭环控制，采用PID算法以提高控制张力控制精度[2,3]。张力PID计算结果通过换算后经D/A模块输出张力控制电压。

current_tension_value:=REAL_TO_INT(current_tension_percentage*10000)

张力控制电压通过D/A模块输出，范围为0-10V,系统中配置对应的数值范围为0-10000，上式中的常数10000为换算系数，由系统硬件配置确定。

在实际使用中，由于张力轮通过摩擦力将张力传递给布带，因此要保持张力轮表面达到一定的粗糙度。张力控制装置长期使用后张力轮表面磨损会导致摩擦系数降低，达不到张力控制的需要，出现张力输出满幅后张力反馈都无法达到设定值的情况，为此系统设计了张力监控程序，当出现张力控制偏差较大，系统提示张力控制系统失效，需更换摩擦张力轮或检查磁粉制动装置。