放卷气动张力控制系统的设计与实现.pdf

2 0 1 5年 1月 第 4 3卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 3 6 放卷气动张力控制系统的设计与实现 张亚锋 常州工学院光电工程学院，江苏常州 2 1 3 0 0 2 摘要介绍一种放卷过程中能 自动调节原纸张力的气动张力控制系统， 该装置由 P L C获取位移传感器信号控制电控气 动比例阀的输出气压，由使用该气压进行制动的气刹来调节张力大小， 使整个生产过程中原纸始终处于恒张力的状态下 ， 从 而消除了断纸、跑偏等现象。 关键词P L C；电控气动比例阀恒张力控制 中图分类号 T P 2 0 6 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 -1 1 0 3 De s i g n a n d Re a l i z a t i o n o f Pn e u ma t i c Te ns i o n Co n t r o l Sy s t e m f o r Un r e e l i n g ZHANG Ya f e n g S c h o o l o f O p t o e l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h a n g z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， C h a n g z h o u J i a n g s u 2 1 3 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t A p n e u ma t i c t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m w a s i n t r o d u c e d w h i c h c o u l d b e u s e d t o a u t o m a ti c a l l y a d j u s t p a p e r t e n s i o n f o r u n r e e l i n g ．I n t h i s d e v i c e，P L C wa s u s e d t o c o n t r o l t h e o u t p u t p r e s s u r e o f t h e e l e c t ri c i t y c o n t r o l l e d p n e u ma t i c r a t i o v a l v e b y g e t t i n g s i g n a l l e v e l f r o m d i s p l a c e me n t s e n s o r ．An a i r b r a k e d ri v e n b y t h i s p r e s s u r e w a s u s e d t o r e g u l a t e t h e p a p e r t e n s i o n ．I n t h e w h o l e p r o d u c ti o n p r o c e s s ，t h e p a p e r i s a l w a y s k e p t i n a c o n s t a n t t e n s i o n s t a t e ，S O t h e p h e n o me n a o f b r o k e n p a p e r a n d p a p e r y a wi n g a r e e l i mi n a t e d． Ke y wo r d s P L C；E l e c t ric i t y c o n t r o l l e d p n e u ma t i c r a t i o v a l v e ；C o n s t a n t t e n s i o n c o n t r o l 在造纸 、纺织和橡胶等行业 中，要求 纸张 、布 匹 及橡胶薄片在放卷或收卷时张力保持基本恒定．因此 设备上通常需要配置张力控制系统。气压传动具有防 火、节能、高效、无污染等优点，因此气压传动是实 现压力控制的理想方法之一_ 1 J ，气缸常被作为执行元 件来使用 。在 旧式放卷或 收卷系统 中多采用 减压 阀 节流 阀，气缸 的排气 口径极小 ，易使纸张被拉断。为 了解决这个问题，有的系统还配上张力传感器，但在 实际使用过程中，收效甚微，主要体现在 1 增 加了系统的复杂性； 2 传感器所测压力信号只是 局部 ，不能真实反映全幅纸张压力 ，不利于系统的稳 定运行 ； 3 调 试不方 便 ，对不 同的材料 ，压力 设 定值不同，给调试带来一定的难度。另外传统系统的 控制器算法不合理 ，当纸卷直径变化时 。无法满足刹 车制动力相应变化 的要求 。鉴于上述问题 ，以 S 7 2 0 0 为主控制器 ．气动控制为主要手段 。设计了一套放卷 气动张力控制系统 ，该系统从原理上保证 了任意纸卷 直径下 的恒定张力 ，并能适用于纺织行业 ，动态性能 好 ，调试简单，适合多种被放卷材料。 1 系统设计 1 ． 1 系统 工作原 理 系统工作原理如图 1 所示。由触摸屏设定目标位 置值传输给 P L C，该值 即为 D N C气 缸 4的 中位 ，此 时张力 为气缸 中的恒压力 。如果在外界影 响下张力变 大 ，滚轮 5 将 D N C气 缸 4向左推 离 中位 ．此 时位 移 传感器的反馈信号大于设定的目标值，P L C会输出信 号 ，调节 比例流 量 阀 MP Y E出 口气 压使 气 动刹 车 制 动力 降低 ．放卷辊子转速增加 ，从而滚轮 5上纸张拉 力降低 ，使 D N C气缸往右移向中位 同理如果张力 变小 ，D N C气缸 4向右偏 离 中位 ，此 时位 移传 感 器 的反馈信号小于设定 的 目标值 ，P L C会输出信号 ，调 节比例流量 阀 M P Y E出口气压使气动刹车制动力增 大，从而滚轮 5上纸张拉力增加，使 D N C气缸向左 移 回中位 。这样 ，在 纸 张放 卷 过 程 中，D N C气 缸 4 根据外界干扰在 中位 附近移动 ，保证 了张力 的恒定 。 l 一 气源2 一精 密减压 阀3 一 位移 传感器4 _D N c 气 缸5 一浮动 辊子 6 一 纸张或 布匹7 一放 卷辊 子8 一 气动抱 闸9 一气动 比例流 量阀MP YE 图 1 放卷 气动张力控制系统原理 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 1 1 作者简介张亚锋 1 9 7 6 一 ，男，硕士，讲师，研究方向为光机电一体化。E - m a i l y a f e n g 6 9 1 1 1 2 6 ． c o n。 第 2期 张亚锋 放卷气动 张力控制系统 的设计与实现 1 1 1 1 ． 2张 力恒 定 系统的 目标张力通过 D N C气缸 4和精 密减压 阀 2 组合得到。系统工作前，应首先调节精密减压阀 2 使 D N C气缸 4后 腔 中的压 力 达 到相 应 值 ，D N C气 缸 4 的前腔排空。一旦系统工作 ，由于外界的挠动，导致 纸张或布匹 的张力变化 ，就会 打破初始状 态时 的力学 平衡，导致 D N C气缸移动。当 D N C气缸 4后退时， 为了确保后腔气压维持在设定压 力 ，后 腔气体必须快 速排 出；同样 ，D N C气缸 1 前 进 时 ，后 腔 中必 须 迅 速充气 ，以维持后 腔 中压力恒 定 ，即输 出张力恒 定 。 因此．在选择减压阀 2 时 ，其通气 口径要远大于普通 减压阀，以保证快速充排气 ，提高系统动态性能和响 应频率 ，使执行元件的压力调节迅速，有效避免出现 张力长 时间过大或过小的不稳定现象 。 1 ． 3 气动 比例 阀特 性 曲线确 定 影响系统动态性能的还有安装在放卷辊子上的气 动刹车系统 ，气动刹车 系统现多用于轧钢 、造纸、 纺织等行 业 ．是 针对 卷绕 轴 实 现制 动 的执 行机 构 调节 张力 的执行机构 。由 电控 气动 比例 阀控制 输 出 气压 的大小 来调节制动气刹 的松 紧程度 _ 3 ] ，从 而调节 放卷辊轴的制动力。以实现对张力的 自动控制。为了 让气动刹车系统能够快速动态响应浮辊的偏移量信 号 。应采用响应频率高的比例流量阀，比例流量阀在 方 向 、速 度 、流 量 及 压 力 控 制 中得 到 了广 泛 的应 用 ] 。设计 中采用 了响应频 率 达到 1 0 0 H z 的 比例流 量阀，其快速动态性能和 P L C控制算法保证了不管 外界干扰如何变化，D N C气缸都能够被控制在 中位 附近小范围 内活动 。这就要求气 动方 向比例 流量阀能 灵 活控制气刹 的松紧度 ，防止控制过程 中过松 或过紧 的大波动现象 。由于 比例 阀在其零位 附近存 在流量不 敏感 区域 ，导致系统反应滞后 、 动态响应过程长等问 题 ，因此编程时常采用在输出控制量上预加常值信号 以避 开不 灵 敏 区 。即 对 阀 的输 入 输 出 特 性 进 行 补 偿 5 J 。根据 F e s t o 公 司的样本 ．M P Y E ． 5 ． I ／ 8 H F ． 4 2 0 ． B 的流量特性 如 图 2所示 。在 阀中位 电流 为 1 2 m A 附近 ， 流量 出现 不 敏感 区域 ，即不 灵 敏 带 ，大 约 为 1 1 ． 8 1 2 ． 2 m A；实 际应用 时 ． 对 阀 的输入 输 出特 性 要进行补偿 ，即在程序中的比例阀输入信号中加入相 应 的常值 电流 气缸 左 移加 一 0 ． 2 m A。气 缸 右移 加 0 ． 2 m A ， 这样 阀的实际电流不会 落人 1 1 ． 8 ～ 1 2 ． 2 m A 之间 。 避开 阀的不灵敏 区。 0 图2 流量 q与设定强度电流 ， 的关系 2 P L C控 制 电路 及程序 设计 P L C因其运行稳定可靠、自诊断能力强、易编 程、电气控制电路简单及易扩展等特点 ．在工业控制 中得到 了广泛 的应 用 ，近年 来小 型 P L C也在 气 动控 制 中得 到了 较 多 应 用 ] 。根 据 工作 过 程 及 控 制 要 求 ，该 系统共 有 4个 开 关量 输入 ，3个 模 拟量 输入 ， 5 个开关量输出，2个模拟量输出，综合考虑选用 s 7 ． 2 0 0 C P U 2 2 4 X P ，扩展 1 个模拟量输入 E M 2 3 1 和 1 个 模拟量输 出 E M 2 3 2 。开关量输 出为继 电器输 出。 2 ． 1 P L C控 制 电路 P L C I ／ O地址分配及功能如表 1 所 示 ，电气控制 电路原理如 图 3 所示 表 1 P L C I ／ O地址分配及功能表 1 1 2 机床与液压 第 4 3 卷 一 U 、 D C l 比 例 阀 I [ ] [ ][ ] [ ] [ l t ⋯ l ，一 i 厂 l 4 2 0 m 4～ 2o m A 厂 三 三 ／O 三 三 ～ ～ -2 一～ ／ X～P A_ RB B⋯ “ RA A Mm V0 10 EM 231 EM 232 IM 0． 0 n l n2 0j 0 n5 仉6 l M O V O 1 0 M L M L 三 ． M L 士 ∈ 三 三 ＼ 三 ≥ 三 ＼ ’ I ’ ’ 、 l L、 【 I 城 压 网l 图3 P L C电气控制电路 2 ． 2程序 设计 软件流程 图如 图 4所 示。 当一卷 原 纸 刚开 始 时 称为上纸 阶段 ，由人工调 节 张力 的大小 ， 此 时选 择开关位 于手 动 档 ，并 由继 电器 K A 2 、K A 3和 K A ,4 对应打开减压阀、比例阀和位移传感器，在触摸屏上 设置减压阀压力值和比例阀输出压力值。控制系统只 在其上检测 、 显示 张力 、比例 阀流量及 压力和位移传 感器反馈 电信 号 ，系统并 不放 卷 运行 ，也 不调 节 张 力。比例阀输出压力值由放卷速度决定，减压阀压力 值由所需张力决定。这些初始设置值在程序中以指定 的数据存储单元保存 ．这是系统投入实际运行的一个 重要条件。上纸结束后， 人工按 “ 自动／ 手动”转换 键 ，并按启动按钮 ，系统开始运行 ，并 自动检 测 、自 动显示浮辊在 中位附近波动大小 。开始 自动调节张力 的大小。为实现动态张力调节，自动运行时，可以在 触摸屏上 由人工按 “ 加 1 ” 、“ 减 1 ”标 识对减 压阀进 行微调 ，即微调张力。当一卷原纸运行结束时，由人 工按 一 下“自动／ 手 动 ”转 换 按 钮 。又 会 回到“ 上 纸”的阶段。为了区别 “ 上纸” 和 “ 运行”两个不 同的阶段 ，在 “ 运行 ” 阶段 时触摸 屏上 显示 一个 特 定 的标 志 。程 序 中 A ／ D、D ／ A转 换 分 别 指 减 压 阀、 比例阀反馈信号、位移传感器反馈信号采集和减压 阀 、比例 阀压力 电信号 数模 转换 。△ ， 值 由图 2所示 q 一 ， 特性曲线 确定 。 图 4 程序流程图 下转第 1 2 ． 0页 1 2 0 机床与液压 第 4 3 卷 4 液压系统主要元件的选择及参数计算 主要元件的计算和选型是根据液压系统所需工作 压力和流量 ，计算 液压泵 的压力 和流量 、电动机 的功 率和油箱的容量。 4 ． 1 系统流量的计算 该平台选用 3个伺服油缸 ，内径 D8 0 m m．行 程 s 2 0 0 m m，伺服油缸工作时所需流量根据活塞移 动速度可按下式计算 q 6 01 0 A 1 式中A为伺服油缸的有效面积 m ； 为油缸 活塞 杆 的移动速度 m ／ s 。 伺服油缸 的有效面积为 A 半 2 4 、 式 中D为伺服油缸 内径 m 。 将各参数代入 以上公式计算单个伺服油缸 的最大 工作流量为q ； 5 ． 9 2 L ／ m i n 。 根据液压缸所需的流量估算出液压系统的工作流 量 。计算液压系统工作流量 的公式为 Q3 k Q i 3 式中P为液压系统的工作流量 L ／ m i n ； k取 1 ． 2 。 将各参数代入公式 3 计算 出液压 系统 的工作 流量为 P 2 1 ． 3 L ／ m i n 。 4 ． 2主油 泵的 选择 设定液压 系统 的工作压 力 P1 6 M P a 。液压泵 的 工作压力可按以下公式估算 P 1 ． 2 5 1 ． 6 P 4 将各参数代人公式 4 计算出液压泵的工作压 力为 P b 1 ． 2 5 1 ． 6 X 1 6 2 02 5 ． 6 M P a 主油泵选用恒压变量柱塞泵 公称压力 2 t M P a 、 理论排量 6 3 m L ／ r 。 4 ． 3 主油泵电动机功率的计算 根据液压系统的工作 流量 ．计算 主油泵 的输入功 率 的计算公式为 P p Ⅳ 5 U U 将各参数代入公式 5 计算主油泵的输入功率 为 P 7 ． 4 5 k W，选用 Y 1 6 0 M． 6 B 3 5型 电动 机 ，输 出功率 7 ． 5 k W。 5 结束语 1 将液压泵站、伺服阀、伺服油缸和其他液 压元件组成液压系统 ，加上电气 控制系统就能很好地 组成电液伺服研究系统 。成为教学和科研的实验平 台。 2 实验平 台可进 行 电液伺 服 系统动 静 态特性 实验研究 ，配上各种执行机构和传感器 。可以进行位 置和运动轨迹 的控制 。实现如机械手运动 、液压仿形 刀架等 的运动轨迹 ．也 可 以进行 汽 车车轮 负载模 拟 、 材料疲劳 实验 机加 载等 课题 研究 ，作 为教 师 和本科 生 、研究生 的研究试验平台 。 参考文献 [ 1 ]陈彬 ， 易孟林． 电液伺服阀的研究现状和发展趋势[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 6 5 - 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