余余鍵（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

基于PLC控制的壁紙壓花裝置的改進(jìn)

余余鍵（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035）

為提高壁紙壓花裝置的控制精度，以PLC為控制核心，采用交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)氣動(dòng)裝置對(duì)羅紋輥施加壓力，采用高速計(jì)數(shù)器輸入中斷實(shí)現(xiàn)壁紙壓花長(zhǎng)度的精確控制，并通過(guò)擾動(dòng)補(bǔ)償解決壓花過(guò)程中負(fù)載突變帶來(lái)的轉(zhuǎn)速影響。應(yīng)用實(shí)例表明，改進(jìn)后的壁紙壓花裝置有效提高了工作質(zhì)量，可滿足生產(chǎn)線的工藝要求。

壓花裝置；PLC；控制系統(tǒng)；負(fù)載補(bǔ)償

0 引 言

目前，許多壁紙生產(chǎn)企業(yè)壓花生產(chǎn)線的壓花控制系統(tǒng)，基本上采用由直流或交流變頻的構(gòu)成閉環(huán)控制，這種控制系統(tǒng)的壓花花紋質(zhì)量及長(zhǎng)度控制雖然能基本滿足生產(chǎn)需求，但設(shè)備的整體控制精度往往不高。隨著人們生活水平的提高，人們除了注重壁紙的材質(zhì)質(zhì)量，對(duì)壁紙花紋的完整度和清晰度也提出了更高要求，以體現(xiàn)生活品味。為解決需求矛盾，必須對(duì)壓花裝置進(jìn)行有效的改進(jìn)。以P LC為控制核心，采用永磁交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)觸摸屏建立便捷的人機(jī)界面，并考慮由于壁紙材質(zhì)及花紋不同造成的負(fù)載變化，提出補(bǔ)償算法。

1 壓花控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壁紙壓花生產(chǎn)線中，PLC是壓花控制系統(tǒng)的核心，壓花控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)羅紋輥，編碼器測(cè)量壁紙的長(zhǎng)度，P L C采集觸摸屏與編碼器的觸發(fā)信號(hào)，并根據(jù)輸入信號(hào)執(zhí)行邏輯輸出，控制伺服電機(jī)和氣閥的運(yùn)行［1］。人機(jī)界面對(duì)壁紙的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、壓花長(zhǎng)度、滾壓總長(zhǎng)度等工作數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便工作人員進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。本文對(duì)壁紙壓花裝置的改進(jìn)，均采用歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的設(shè)備，人機(jī)界面為NB7W-TW00B型觸摸屏，選用CP1E-N30SDR-A型PLC，采用E6F-CWZ5G型增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，選擇E3Z-D62型光電傳感器。

圖1 壓花控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壓紋機(jī)構(gòu)處在壁紙生產(chǎn)設(shè)備的打點(diǎn)裝置與壁紙切斷裝置之間。在壓花生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)平輥和羅紋輥組成滾壓裝置對(duì)壁紙表面進(jìn)行滾壓處理，先由氣閥驅(qū)動(dòng)羅紋輥對(duì)壁紙進(jìn)行扎壓，再通過(guò)平輥對(duì)壁紙進(jìn)行干燥展平，其中壁紙花紋的壓制質(zhì)量主要依靠羅紋輥的下壓來(lái)完成。系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，羅紋輥與底輥無(wú)接觸，處于初始狀態(tài)。當(dāng)有壁紙通過(guò)兩輥，入口處的光電傳感器觸發(fā)信號(hào)，使羅紋輥緩慢下移接近底輥，此時(shí)，羅紋輥上的感應(yīng)塊被接近傳感器S1檢測(cè)到，給出信號(hào)控制布局在羅紋輥上方的氣閥進(jìn)氣，給羅紋輥加壓，由安裝在較低位置的加壓接近開關(guān)S2給PLC傳送反饋信號(hào)，控制氣閥加壓動(dòng)作的完成。羅紋輥加壓流程如圖2所示。

圖2 羅紋輥加壓流程

采用交流伺服電機(jī)作為系統(tǒng)的前后移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)械設(shè)備在傳動(dòng)的過(guò)程中存在運(yùn)動(dòng)慣性，因而羅紋輥的移動(dòng)過(guò)程不可能完全沒(méi)有誤差，考慮到電機(jī)的慣性，在伺服電機(jī)的輸出端口連接減速器，盡可能將慣性帶來(lái)的誤差控制在一定范圍之內(nèi)。交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。壓花的長(zhǎng)度由PLC控制，編碼器采用4倍頻信號(hào)輸入，通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)壓花壁紙的有效距離，壁紙的長(zhǎng)度與編碼器處理之后的輸出脈沖個(gè)數(shù)成正比關(guān)系。在系統(tǒng)運(yùn)行前，壓花的長(zhǎng)度由觸摸屏設(shè)定對(duì)應(yīng)參數(shù)，編碼器隨著電機(jī)的運(yùn)行，發(fā)出相應(yīng)脈沖給PLC，PLC根據(jù)接收到的脈沖數(shù)量計(jì)算出壓花的實(shí)時(shí)長(zhǎng)度，然后傳遞到觸摸屏顯示其當(dāng)前長(zhǎng)度數(shù)值，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)顯示和控制。

圖3 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 羅紋輥壓花的擾動(dòng)補(bǔ)償及測(cè)試

由于羅紋輥花紋和壁紙材料的不同，在交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)羅紋輥的滾壓過(guò)程中，羅紋輥會(huì)存在兩邊受力不均的情況，因而對(duì)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)采取擾動(dòng)補(bǔ)償控制。采用先辨識(shí)擾動(dòng)再補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?］，在壁紙滾壓過(guò)程中，根據(jù)壁紙的彈性和羅紋輥的花紋不同，通過(guò)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整，即通過(guò)調(diào)整交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，控制壁紙材料和羅紋輥的花紋不同帶來(lái)的負(fù)載影響，由此可有效解決原有壓花裝置存在的缺陷。

圖4 滾壓系統(tǒng)控制原理

考慮到實(shí)際負(fù)載TL2的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度產(chǎn)生影響，其調(diào)節(jié)前預(yù)定負(fù)載的最大誤差補(bǔ)償為0.098mm，且負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)產(chǎn)生抗擾作用［4］，因而在電流環(huán)之后設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載變化帶來(lái)的影響做補(bǔ)償。將電流環(huán)輸出的結(jié)果作為一階慣性參數(shù)，并通過(guò)補(bǔ)償系數(shù)β1將測(cè)力傳感器DBSL-XS檢測(cè)到的電機(jī)負(fù)載當(dāng)前值TL1轉(zhuǎn)換為電流參數(shù)，作為控制輸入量傳送到電流調(diào)節(jié)器。通過(guò)電流的補(bǔ)償方式等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的突變，有效抑制由負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定帶來(lái)的影響。速度補(bǔ)償控制原理如圖5所示。

圖5 速度補(bǔ)償控制原理

根據(jù)速度補(bǔ)償控制原理可推至交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程為：

3 壓花控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

考慮設(shè)計(jì)成本，選用歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的小型PLC。該款PLC具有強(qiáng)大的定位功能，其內(nèi)置的N型RS232接口可擴(kuò)展，并標(biāo)配USB插口，2軸脈沖輸出高達(dá)100KHz，可方便實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，編程軟件為CXProgrammerV 9.11。根據(jù)壓花裝置在生產(chǎn)線中的工作要求，軟件設(shè)計(jì)部分分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制包含滾壓的前轉(zhuǎn)和后轉(zhuǎn)，自動(dòng)控制運(yùn)行包括控制滾壓長(zhǎng)度和自動(dòng)滾壓，其控制流程如圖6所示。

圖6 壓花控制系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)工作一個(gè)周期的工作內(nèi)容為：用戶通過(guò)觸摸屏對(duì)運(yùn)行速度、壓花長(zhǎng)度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后經(jīng)PLC軟件程序執(zhí)行，進(jìn)氣下壓羅紋輥，發(fā)出滾壓信號(hào)，并輸出預(yù)設(shè)長(zhǎng)度脈沖，結(jié)合編碼器觸發(fā)的信號(hào)，實(shí)時(shí)測(cè)算壓花實(shí)際長(zhǎng)度，同時(shí)將計(jì)算值與設(shè)定值進(jìn)行比較。如兩數(shù)值相同，則脈沖輸出中止，電機(jī)停止工作；如無(wú)外界中止信號(hào)，程序則一直循環(huán)執(zhí)行。

系統(tǒng)采用高速計(jì)數(shù)器輸入中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)壁紙壓花長(zhǎng)度的精確控制，當(dāng)高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)置長(zhǎng)度相同時(shí)，計(jì)數(shù)中斷并使脈沖輸出停止［5］。軟件設(shè)計(jì)中，采用比較表登錄指令C T B L實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)控制。當(dāng)編碼器的輸出脈沖信號(hào)進(jìn)入PLC后，PLC自帶的高速計(jì)數(shù)器開始對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。系統(tǒng)采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，其直徑為60mm，一周旋轉(zhuǎn)可產(chǎn)生2000個(gè)脈沖個(gè)數(shù)，而采用的是位相差為4倍頻的輸入，因而當(dāng)接收到脈沖個(gè)數(shù)為n時(shí)，此時(shí)編碼器的實(shí)際旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)度。如設(shè)定長(zhǎng)度為L(zhǎng)2時(shí)，則需要接收的編碼器脈沖個(gè)數(shù)。當(dāng)接收的編碼器脈沖個(gè)數(shù)與設(shè)定值相同時(shí)，由操作模式控制指令I(lǐng)NI控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)壁紙壓花裝置的改進(jìn)，采用PLC控制，利用內(nèi)部程序設(shè)計(jì)代替物理觸點(diǎn)的邏輯控制，采用補(bǔ)償算法提高電機(jī)的實(shí)時(shí)控制精度，為系統(tǒng)配置觸摸屏使人機(jī)界面的信息交換更加靈活、便捷，實(shí)時(shí)監(jiān)視使電機(jī)運(yùn)行更為安全可靠。

瑞安市瑞豐機(jī)械廠采用改進(jìn)后的壓花裝置，壓花速度從原先的300次/h提高到450次/h，工作效率得到提高，設(shè)備運(yùn)行更加可靠，大大降低了電機(jī)故障率。在該廠生產(chǎn)線的實(shí)際使用過(guò)程中，根據(jù)人體對(duì)平臺(tái)的操作習(xí)慣，對(duì)操作面板的布局進(jìn)行了人性化改進(jìn)，觸摸屏控制可方便調(diào)節(jié)加工長(zhǎng)度和速度，人機(jī)界面更加友好快捷。當(dāng)相鄰兩幅壁紙進(jìn)行壓花時(shí)，重疊尺寸減小，提高了材料的利用率，降低了生產(chǎn)成本；當(dāng)不同材質(zhì)的壁紙進(jìn)行壓花時(shí)，電機(jī)運(yùn)行速度產(chǎn)生浮動(dòng)，觸摸屏顯示的花紋誤差最大值為38μm，且大多時(shí)間的誤差數(shù)值分布在2 0m以內(nèi)，可滿足生產(chǎn)線的工藝要求。

［1］路林吉，王堅(jiān)，江龍康.可編程控制器原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002:175-177.

［2］魯文其.永磁同步電機(jī)工程伺服系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2 0 1 0.

［3］梁文炎，陽(yáng)林，孫友松.交流伺服重載驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其在螺旋壓力機(jī)上的應(yīng)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007（3）:85-87，108.

［4］李建軍，桂衛(wèi)華.PMSM交流伺服系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法［J］.微特電機(jī)，2007（5）:16-19.

［5］謝克明，夏路易.可編程控制器原理與程序設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002:283-285.

［責(zé)任編輯：吳百中］

Improvement in Wallpaper Embossing Device Based on PLC Control

YU Jian （Mechanical Engineering Department， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou， 325035， China）

In order to upraise the control precision of wallpaper embossing device， efforts have been made to use PLC as the control core， put pressure on watermark roll through pneumatic devices， driven by AC servo motor，and precisely control wallpaper embossing in length by interrupting speed counters， and abolish the effect of sudden loading change on rotation rate by turbulent compensation.The application demonstrates that the improved wallpaper embossing devices effectively raise the working quality and can meet the technical demand in the production line.

Embossing device； PLC； Control system； Load compensation

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.064

TS736

A

1671-4326（2016）03-0065-03

2016-05-04

余 鍵（1979—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士.