基于PLC的横切机控制系统研究.pdf

机械 设 计与 制造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n uf a c t u r e 第 2期 2 0 1 0年 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 2 0 0 5 4 0 3 基于 P L C的横切机控制 系统研究 刘研 沈阳职业技术学院， 沈阳 1 1 0 0 4 5 St u d y o f c r o s s c u t ma c h i n e d r i v e s y s t e m b a s e d o n PL C c o n t r o l LI U Ya n S h e n y a n g P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， S h e n y a n g 1 1 0 0 4 5 ， C h i n a ； 【 摘要】目 前， 包装行业应用的横切机因其控制精度不高， 可操作性差等原因已不能满足现代生产 要求。采用 P L C下位机控制变频器对 P M S M调试， 对瓦楞纸板横切机控制 系统的硬件设计和软件设计实 现。测试结果表明该系 统具有良 好性能。 i 关键词 P L C ； 横切机； 瓦楞纸板 i 【 A b s t r a c t 】 A t p r e s e n t ， c r o s s c u t m a c h i n e w h i c h u s e d in p a c k in d u s t r y a lw a y s c a n n o t m e e t m o d 一； e r n p r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t s b e c a u s e i t s c o n t r o l acc u r acy i s n o t h i g h and m a n e u v e r a b i l i t y i s n o t g o o d ． I t i m p l e m e n ts P L C ∞lo w e r m ac h i n e t o c o n t r o l t r an s d u c e r a n d d e b u g P M S M ． T h e n h a r d w a r e de s i gn a n d 5 一； w ar e d e s ig n o f t h i s c o n t r o l s y s t e m ar e d e v e l o p e d T e s t r e s u h s s h o w t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m h a s g o o d p e 咖r -_ i m o／ b Ke y w o r d s P L C； Cr o s s c u t ma c h i n e ； C o r r u g a t e d b o a r d ‘ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯． ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯， ⋯ ⋯ ● ⋯ ⋯． j 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 1 引言 目前， 我国包装行业所使用的横切机多为2 0 世纪7 0 年代引 进的国外产品，其控制系统采用 Z 8 O C P U及中小规模集成电路； Z 8 0 C P U已经退出主流市场，复杂的电路结构和元器件的老化， 以及系统抗干扰能力较差， 给维修工作带来极大的麻烦； 不友好 的人机接口和缺乏生产数据统计功能已不能适应现代企业的管 理需要。在实际应用中， 国内一些公司大多采用直流电机或无刷 直流电机为核心，其系统普遍存在直流电机调速设备造价较高， 可靠性要低于交流电机， 因频繁起停 ， 电机的寿命大大缩短以及 由于调速电机运行不够平稳等缺点，在为达到快速制动的目的 时， 往往采用大功率能耗电阻， 制动电阻选择不当， 也经常造成电 机被烧毁的严重后果【 I】。 对横切机控制系统进行了研究，采用 P L C下位机控制变频 器对永磁同步电机进行调速， 根据控制理论和机电传动理论在工 程上的实际应用 ， 提出了变频器控制交流电机的数学模型， 验证 了此数学模型的正确性，并以瓦楞纸板横切机控制系统为例， 对 其硬件、 软件进行了相应的设计。 2 控制系统的模型建立 2 ． 1 横切机的工作状态 通过对横切机工作特点的分析， 本文采用速度、 位置、 转矩闭 环控制来实现对其剪切的精度的控制。具体而言， 从生产线出来 的瓦楞纸以某一速度向横切机输送， 横切机的上下刀轴每转一圈 完成一次切纸过程， 在同步角内上下刀轴的线速度与送纸速度保 持一致且完成切纸动作，根据送纸速度和所切纸张的长度的不 同， 上下刀轴在一圈内的运动状态也是不同的， 可分为五种状态 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 0 1 剪切长度等于刀轴的周长， 在刀轴运转过程中， 其线速度 始终等于送纸速度， 刀轴为匀速运动。 2 剪切长度小于刀轴的周长， 在同步角区以外， 刀轴先做匀 加速运动， 再做匀减速运动。 3 剪切长度大于刀轴的周长且小于临界长度在同步角区以 外， 刀轴先做匀减速运动， 再做匀加速运动。 4 剪切长度等于剪切临界长度， 当剪切长度大于刀轴的周 长达到一定程度时，在刀轴一周的运动中必然有一个停滞的阶 段， 当停滞的阶段恰好为零时的剪切长度， 称为剪切临界长度。 5 剪切长度大于剪切临界长度， 在同步角以外， 刀轴先做匀 减速运动至零， 在一定区间保持角位移不变， 然后另一区间做匀 加速运动[2 - 3 ] 。 2 ． 2旋转体的运动方程 对整个系统的特性进行分析， 需要计算系统带动负载时的转 矩， 需要充分了解交流伺服电动机的特性， 而且需要深入了解被 驱动对象一机械装置的特性， 并将交流伺服电动机和被驱动机械 装置统一加以考虑。 1 转速 伺服电动机的转速是指其转子的旋转速度， 角度 0 与角速度 Q二者之间的关系为 n 1 d￡ 当用电动机转速来表示时， 则 Q 2 彻 2 直线运动的线速度为 ， 旋转半径为 r m ， 角速度为 Q md ， S ， 则有线速度和角速度之间的关系如下 Q r 3 第 2期 刘 研 基于 P L C的横切机控制系统研究 5 5 根据以上的运动控制公式来计算现场刀辊 的实际转速 ， 通过 减速比来计算电机和刀辊的实际速度。 2 转矩 伺服电动机的转矩 用作用在转子上的力 N 与 其作用点的旋转半径， 其作用点的旋转半径 r m 之积来表示 F r 4 通过推导计算， 电机轴上的总飞轮转矩表达式 _ 晕 5 式中 、 、 一为电机即轴、 中间传动轴、 生产机械轴上的转矩。 当速比 较大时，中问传动机构的转动惯量 或飞轮转矩 ，在折算后占整个系统的比重不大， 实际工程为计算方便， 可以 适当加大电机轴上的转动限量 或飞轮转矩 的方法实现 。 2 ． 3控制算法 根据控制原理 ，横切 机的控制 实质为根据所需 的剪切规格 即剪切长度 L 、 生产线走纸速度来控制单张剪切周期 内刀辊 的运动变化规律。可讨论在一个剪切周期 内， 刀轴的运动状态 与剪切长度 及最大允许送纸速度 的关系 公式变量说明 滚 刀直径 D， 测速轮直径 d ， 送纸速度 ， 单张剪切长度 ， 实 际走纸 长度 1 ，脉冲当量 ，编码器脉冲数 m 。增量编码器分辨率为 2 0 0 0 ， 则 兀d ／ 2 0 0 0 ， 同时 可以得 出 V i K* m p ， 可知 卢 ‘ D V 2 j 6 2 一 7 ￡ 3 4 L 4 9 } ， 0 _ 8 t 4 9 V t 4 a ￡ rf 】 盯 D 1 0 a A V 2 1 1 其中， ， 4 2 j4 q x D - L 一 ， 一B‘ 其 中 l 1 0 t sf 1 ， 0 t sf 1 ， ．2 k“ r G 2 t l t t 2 ， V t - t 1 y‘ ‘ D 丁 t - t 1 因为 a A V ， B 其中A、 B已知 ， 所以可以推出 ⋯ 2 4 - fl 2 ．D D ．A 一 k 旦 3 t 2 t t 3 ， V x - a t t 2 y 。 ‘ 丁 t - t 2 由 a A V ， 一 V， 可以推 出 ． f 2 ⋯ 4 B“ A L Z - - 4 q r D m 2 2 B A‘ 二’ ‘ 4 B“ A “ L 2 - 4w D 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 3 t 3 t ≤ t 4 , y “ 2 订 一 譬 ． D V ． H ， 2 2 y V‘ f 一 2 ,n - 2 3 y 2 k 。 m p 2 一 2 4 3横切机控制系统的组成 3 ． 1 横切机控制 系统 的硬件组成 硬件设计的核心将采 用 S I E M E N S 公 司的 s 7 2 0 0 P L C ， 其在 环境适应性、 运算速度、 实用性上都超过于过去常用的单片机。 其 功能主要包括 接收触摸屏发来的加工任务和调试指令； 控制变 频器完成加工任务和调试工作； 检查工料和各个按钮的状态并执 行相应的处理；实现主切刀电机位置测量和纸板进给速度测量 ； 切纸计数； 故障报警等 。 控制系统的触摸屏选用 S I E ME N S 公司生产的 T P 1 7 0 B， 彩色 显示屏 ， T P I 7 0 B易于机器操作和监控， 其对要监控的机器或系统 提供了逼真的图形表示 ， 允许将自己创建的图形 、 数字照片和扫 描的画面集成到项目中， 支持数据的输入和显示， 其使用范围包 括机器和设备结构， 以及包装和电子工业。用户可以把剪切长度 和剪切数量输入进去， 同时显示生产线的速度， 和切纸数量。 因 P L C为其控制系统核心部件 ， 其接线图设计 ， 如图 1 所示 。 变 顷器 一一 r r N ● ● 电 ， ● _ ● ’- _ 机 模 机 囊 切 变 转 云 电 频 指 机 器 启 复 停 位 I 。 品 品 纛 jr N ， CPU2 2 4XP 1 M 00 0 l 0 2 0 3 04 0 5 06 0 7 2 N l O l 1 1 2 1 3 4 1 5 M L D C ． r t ．r t ．r 1 ． 1 ． ． r j l I l 1． 一 L I 。／ 1 矗 、 墨 、 萎 l I ∽ ∽ I 蓬 喜 墓攀 曩 纛 京 1舌 1 图 1 P L C接线 图 为实现对永磁电机的控制，选择了安川公司生产的变频器 V S - - - 6 7 6 G L 5 ， 电压等级三相 4 0 0 V， 赫兹数为 5 0 ／ 6 0 ， P G卡反馈， 多功能接点输入，是专门面向永磁同步电机控制用的专用变频 器， 其接线图设计， 如图 2 所示。 根据实际控制系统的要求， 选择了分辨率为 2 0 4 8脉冲辟专 的 光 电编码器 ， 在 电机尾端安装一个编码器 ， 信号反馈 回变频器 ， 组 成一个速度闭环。刀轴上安装一个编码器， 反馈回P L C组成一个 位置闭环。测速轮上安装一个编码器， 时刻检测纸板的速度[6 1 。 5 6 机 械 设 计 与 制 造 No ． 2 F e b ． 2 01 0 图 2变频器接线图 3 ． 2横切机控制系统的软件实现 软件设计主要包括 系统逻辑设计 、 界 面设计 、 程序编写和调 试。触摸屏作为主控方， 控制前端以P L C为核心， 变频器为驱动 部件， 控制横切刀辊切纸的系统。作为数据管理与用户接口的系 统一触摸屏， 主要是为用户提供用户定单的输入、 查询、 修改、 分 析以及加工状况等方而的信息。对于整个系统内部结构来说 ， 触 摸屏又承担着和前端控制板的通信任务， 从而实现用户定单到前 端控制 板的数 据转化 功能 ，触摸 屏 的画面设 计 主要 由 P R O O T O O L软件来完成。下位机编写应用西门子公司出品的专 门面向s 7 2 0 0的S T E P V 4 ． 0 软件。 作为本控制系统的主要内容， 所有的逻辑控制都围绕着主体 设计来编写， 本控制系统的逻辑电路图设计， 如图3 所示。 图 3逻辑电路 图 界面设计中， 为便于更加简便的使用， 本设计的主导思想是 尽量控制和引导用户正确操作， 每一部操作完成后， 引导提示操 作者进行下一步， 快速帮助操作人员上手。其主界面， 如图4 所示。 图 4 主四 面 为便于软件后期的维护， 本系统设计充分采用模块化设计思 想， 尽可能使各模块从设计上完全分开。控制系统的调试过程则主 要分为四个部分 触摸屏到P L C的通讯调试； P L C到变频器之间 的通讯调试； 变频器到电机之间的传输测试； 编码器的反馈测试。 4瓦楞纸板横切机控制系统的实测 通过对瓦楞纸板横切机控制系统的实际运行结果进行分析， 可得其与原系统的对比结果。 电脑横切机剪切精度远远高于机械 式横切机，低速时，速度在 5 0 m ／ m i n左右 ，误差控制在正负 O ．5 m m， 高速时， 速度在 1 0 0 m ／ m i n误差控制在正负 l m m左右 ， 从 而减少了纸张、 能源的浪费。其精度对比结果， 如图 5 所示。 1 0 9． 0 8 ．0 7． 0 60 5． O 4 ． O 3 ． O 2 ． 0 1 ． 0 0 l O 2 O 3 O 4 0 5 O 6 0 7 0 8 0 9 O 1 0 0 速度 m ／ ra i n 图 5剪切对 比图 5结论 对横切机控制系统进行了研究，采用 P L C下位机控制变频 器对永磁同步电机进行调速， 根据控制理论和机电传动理论在工 程上的实际应用， 提出了变频器控制交流电机的数学模型， 验证 了此数学模型的正确性，并以瓦楞纸板横切机控制系统为例， 对 其硬件、 软件进行了相应的设计。 本系统的研制成功解决了工业现场恶劣环境下， 脉冲信号之 间的干扰问题及与其他信号的通讯问题等。运用合理的算法补 偿， 使其能够按发出的指令精确定位、 精确运转、 切出符合精度的 纸板。最终将有助于提高瓦楞纸板包装企业生产自动化程度， 提 高横切精度， 进而提升企业生产效率、 经济效益和市场竞争力。 参考文献 l 尼喜等． 横向切断机自 动控制系统的研制． 电子技术， 2 0 0 0 1 2 2 7 2 9 2 康存锋， 费仁元， 陈卫福， 黄旭东． 高速瓦楞纸板横切机控制系统的 研究．机 械科学与技术， 2 0 0 3 6 2 5 - 2 7 3任永益 ， 潘孟春， 翁飞兵， 瞿元新． 瓦楞纸板同步剪切控制系统的设计与研 制． 国防科技大学学报， 1 9 9 9 2 8 9 9 2 4 胡崇岳主编． 现代交流调速技术． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 5 隋振有， 隋凤香． 可编程控制器应用解析． 北京 中国电 力出版社， 2 0 0 6 6 黄俊， 王兆安． 电力电子变流技术． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 3