張克銳，林洪貴，林金表，鄭子武，李寒林

(1．集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2．福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021;3．船舶輔助導(dǎo)航技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，福建 廈門 361021)

0 引言

紙制品生產(chǎn)線需要穩(wěn)定的料卷張力及生產(chǎn)速度以保證成品質(zhì)量。傳統(tǒng)的生產(chǎn)線換卷時(shí)都存在停機(jī)過程，造成了材料浪費(fèi)，降低了設(shè)備的產(chǎn)能。在換卷技術(shù)研究方面，柏承東[1]利用變頻控制技術(shù)，通過PLC實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)換卷的速度控制；XIE[2]利用機(jī)光電一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了復(fù)合膜自動(dòng)放卷控制設(shè)備；馮開林[3]研究了光電液伺服控制系統(tǒng)的控制方法，利用MATLAB進(jìn)行了仿真，證明了方法可靠；文獻(xiàn)[4-8]研究了換卷過程中張力控制問題。以上研究主要針對(duì)主控制器的算法和控制策略，但是由于主控制器同時(shí)控制多個(gè)換卷單元，布線復(fù)雜，部分機(jī)械結(jié)構(gòu)控制時(shí)間滯后，精度不高。為解決此問題，本文提出現(xiàn)場(chǎng)控制方式，結(jié)合光電檢測(cè)，開發(fā)基于PIC單片機(jī)的生產(chǎn)線智能換卷控制器，以期改善控制器的穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本。

1 換卷單元的工作流程

針對(duì)某紙制品生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，該生產(chǎn)線長38 m，分配有7組自動(dòng)換卷單元，7個(gè)換卷單元由一臺(tái)PLC控制，線路復(fù)雜，控制系統(tǒng)采用屏蔽線來抑制信號(hào)傳輸中的干擾，費(fèi)用高、穩(wěn)定性差。為解決此問題，本文提出了基于PIC單片機(jī)的生產(chǎn)線智能換卷控制策略，每個(gè)控制器獨(dú)立控制相應(yīng)的換卷單元，生產(chǎn)過程中，換卷單元均采用A卷、B卷自動(dòng)換卷，A卷運(yùn)轉(zhuǎn)，B卷備用，A卷放卷完畢自動(dòng)切換到備用B卷，輪流切換。單元的流程圖如圖1所示。

A卷和B卷物料分別套在由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的氣脹軸上。首先，A卷物料經(jīng)過自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)，進(jìn)入儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)料架上；然后，物料由牽引機(jī)構(gòu)的輸送輥，經(jīng)過二次張力調(diào)節(jié)桿，傳送至后續(xù)生產(chǎn)設(shè)備。其中，張力控制機(jī)構(gòu)配備有位移傳感器或者角度傳感器，通過檢測(cè)位移或角度信號(hào)，控制變頻電機(jī)和輸送輥的轉(zhuǎn)速，從而保持張力恒定。

A卷物料開始輸出后，控制器利用光柵傳感器的信號(hào)，間接推算A卷是否接近放卷完畢。如達(dá)到換卷標(biāo)準(zhǔn)，由換卷機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切斷A卷尾料、導(dǎo)入B卷運(yùn)轉(zhuǎn)、兩卷接頭壓緊接合等工作，從而實(shí)現(xiàn)不停機(jī)狀態(tài)下的A卷、B卷切換。自動(dòng)換卷后，控制器發(fā)出提示信號(hào)，操作人員只需在B卷放卷結(jié)束前，重裝A卷物料到氣脹軸上，即可保證生產(chǎn)過程連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于儲(chǔ)料架可以存儲(chǔ)一定長度的物料，其角度變化時(shí)，存儲(chǔ)的物料長度可以有適當(dāng)?shù)淖兓鸬綋Q卷過程中緩沖張力波動(dòng)作用。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文選用帶有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的PIC16F1777單片機(jī)作為硬件電路的主控制芯片。圖2是控制器的部分電路原理圖。限于篇幅，輸入量控制電路、單片機(jī)復(fù)位電路、RS485通信電路、電源電路等不具體給出。圖2中輸入輸出信號(hào)的引腳標(biāo)號(hào)與單片機(jī)相對(duì)應(yīng)，如74HC574的11腳上標(biāo)注的RA3對(duì)應(yīng)單片機(jī)引腳RA3。

2.1 輸入量控制電路

輸入端口分為開關(guān)量輸入和模擬量輸入。其中：開關(guān)量有按鈕信號(hào)、光電耦合器(以下簡稱光耦)檢測(cè)信號(hào)；模擬量有位移傳感器信號(hào)。光耦信號(hào)用于檢測(cè)物料斷掉或換卷接合未成功。正常情況下，光耦的紅外發(fā)射管產(chǎn)生的紅外光線，被物料遮擋，無法照射到紅外接收管，物料斷掉或接合失敗時(shí)，紅外光線照射到紅外接收管，使接收管導(dǎo)通。導(dǎo)通信號(hào)通過開關(guān)量通道輸入單片機(jī)后，單片機(jī)發(fā)出報(bào)警。

2.2 輸出量控制電路

輸出量分為模擬量輸出和繼電器輸出(見圖2)。單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)至變頻器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)通過2組74HC574芯片和ULN2004芯片驅(qū)動(dòng)12路繼電器，從而控制氣缸、氣脹軸、A卷和B卷電機(jī)、變頻器輸入的三相電源的開關(guān)。

2.3 電路的抗干擾設(shè)計(jì)

峰值電流形成瞬態(tài)的噪音電壓干擾，使信號(hào)失真，采用鐵氧體磁珠濾除頻率高的干擾，進(jìn)而濾掉數(shù)字電路中的噪音。模電的地線和數(shù)電的地線走不同的線，防止數(shù)字信號(hào)電流在模擬電路地線中產(chǎn)生干擾。同時(shí)選用較粗地線，防止電位隨電流波動(dòng)而發(fā)生變化，造成定時(shí)信號(hào)的電平不穩(wěn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件控制流程

智能換卷控制器的軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)開機(jī)之后進(jìn)行初始化和自檢，判斷自身是否存在故障。自檢后，通過通信請(qǐng)求模塊，接收上位機(jī)設(shè)定的生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，設(shè)置物料卷的初始轉(zhuǎn)速，為設(shè)備運(yùn)行做好準(zhǔn)備。正常運(yùn)行時(shí)，通過信號(hào)采集模塊，讀取運(yùn)行物料卷信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)料架位置、光電及按鈕等信號(hào)。通過光耦傳感器信號(hào)，判斷物料是否斷開或未接合。通過卷徑計(jì)算模塊，檢測(cè)輸送輥軸和物料卷軸上布置的光柵信號(hào)，及時(shí)調(diào)節(jié)輸送輥、物料卷電機(jī)轉(zhuǎn)速，并利用轉(zhuǎn)速值間接計(jì)算卷徑。在判斷物料即將用完時(shí)，通過換卷模塊，進(jìn)行自動(dòng)換卷，并提示工作人員更換尾料卷。

3.2 自動(dòng)換卷算法

自動(dòng)換卷需要推算卷徑的大小和換卷時(shí)刻，本文采用間接推算方法[9]。由圖1可知，由于物料從自動(dòng)換卷機(jī)構(gòu)至生產(chǎn)設(shè)備過程中，經(jīng)歷了儲(chǔ)料架和輸送輥，因此，總放卷長度為儲(chǔ)料架儲(chǔ)料長度變化量和輸送輥兩部分的物料長度之和。

具體推算方法為：選取物料A卷或B卷運(yùn)轉(zhuǎn)不超過一圈的定時(shí)時(shí)長T0，物料A卷、B卷和輸送輥轉(zhuǎn)動(dòng)軸上布設(shè)光柵盤，開槽數(shù)為m個(gè)，用光耦檢測(cè)定時(shí)時(shí)間T0內(nèi)A卷或B卷、輸送輥轉(zhuǎn)過的槽數(shù)。位移或角度傳感器檢測(cè)定時(shí)開始和結(jié)束時(shí)儲(chǔ)料架角度分別為θ1和θ2，則物料A卷、B卷輸送料長l為：

l=k(πxd/m+z2-z1)。

(1)

式中：k為張力作用下的拉伸率，一般小于1.02；x為輸送輥定時(shí)時(shí)間T0轉(zhuǎn)過的槽數(shù)；d為輸送輥輥徑，一般為120 mm。z1、z2分別為儲(chǔ)料架轉(zhuǎn)角為θ1和θ2時(shí)對(duì)應(yīng)物料儲(chǔ)存長度，其對(duì)應(yīng)關(guān)系已經(jīng)提前存儲(chǔ)于單片機(jī)內(nèi)。

假如A卷運(yùn)行，根據(jù)公式(1)實(shí)時(shí)計(jì)算出A卷輸送料長，當(dāng)物料即將用完時(shí)，控制器輸出控制信號(hào)，使A卷電機(jī)停止運(yùn)行，氣缸伸出，壓住A卷物料，接合氣缸伸出，使A卷、B卷物料接在一起，同時(shí)切斷氣缸伸出，推動(dòng)切刀切斷A卷物料。所有氣缸回位，B卷電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)A卷、B卷自動(dòng)換卷。

3.3 張力控制

張力控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，收放卷張力的變化會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。張力過大，物料會(huì)產(chǎn)生拉伸形變，甚至斷裂；張力過小，物料復(fù)合時(shí)不整齊。采用傳統(tǒng)的PID控制算法難以精確實(shí)時(shí)的控制器的張力；本文采用具有自適應(yīng)性的模糊PID控制算法來實(shí)現(xiàn)張力的有效控制,控制算法具體流程圖如圖4。

通過儲(chǔ)料機(jī)構(gòu)上的位移傳感器或角度傳感器的測(cè)量值與設(shè)定值比較，得到轉(zhuǎn)速偏差值e，微分得到偏差變化量值ec。e和ec各乘以相應(yīng)的系數(shù)并取整，模糊化得到相應(yīng)的模糊量，根據(jù)模糊量獲取轉(zhuǎn)速控制增量，乘比例因子即為轉(zhuǎn)速控制增量值。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 張力控制試驗(yàn)

根據(jù)智能換卷控制器的硬件電路制作印刷電路板，軟件編譯并寫入單片機(jī)后，安裝于某紙制品生產(chǎn)線進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)最高速度為600片/min，某型號(hào)紙制品的總長為530 mm，可以算出最高線速度為318 m/min。試驗(yàn)中先將放卷速度調(diào)節(jié)到318 m/min左右，人為調(diào)節(jié)變頻器的頻率，在正常運(yùn)行過程中突然改變轉(zhuǎn)速，從318 m/min降速20%、40%、60%，然后又突然增加20%、40%、60%。在非換卷狀態(tài)下，測(cè)得張力控制的儲(chǔ)料架最大波動(dòng)不超過8.3°，張力控制滿足生產(chǎn)的需要。

4.2 成本節(jié)省估算

在相同的條件下，分別使用智能控制器、傳統(tǒng)的PLC控制器和人工換卷三種方法，進(jìn)行了11次測(cè)試，三種方法的尾料長度如表1所示。從表1可以看出，本智能控制器每次換卷浪費(fèi)的料尾為1.7 m 左右，較傳統(tǒng)控制器換卷產(chǎn)生的尾料減少了8.59 m左右，大大節(jié)省物料成本；手動(dòng)換卷方式的尾料浪費(fèi)與本智能控制方法相近，但是人工成本高。

表1 本智能控制與傳統(tǒng)方法尾料長度比較表

試驗(yàn)采用的熱封布卷徑為600 mm，物料長度為4000 m，寬度為320 mm，選用18 g/m2熱封布，市場(chǎng)價(jià)格大概為22元/kg。對(duì)比傳統(tǒng)自動(dòng)換卷每卷能節(jié)約8.59 m尾料來計(jì)算，每卷大概節(jié)約1.1元左右。生產(chǎn)線500片/min紙制品，每片需要熱封布長度為440 mm，所以，按照24 h不停機(jī)計(jì)算，每天需要79.6卷熱封布。對(duì)比傳統(tǒng)自動(dòng)換卷方式，智能換卷設(shè)備每月能節(jié)省2626.8元。生產(chǎn)線上有7組換卷機(jī)構(gòu)，整條生產(chǎn)線每個(gè)月約能節(jié)省18 000元。

此外，該控制器采用成本較低的單片機(jī)控制器，約230元/臺(tái)，減少PLC擴(kuò)展板數(shù)量(1000元/臺(tái))；生產(chǎn)線共有7組換卷機(jī)構(gòu)，節(jié)約材料費(fèi)和部件費(fèi)約2.4萬元。

5 結(jié)論

不停機(jī)自動(dòng)換卷控制器是紙制品生產(chǎn)線的核心單元，本文在分析某型紙制品生產(chǎn)線現(xiàn)有控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于PIC單片機(jī)的智能換卷控制器，控制器可獨(dú)立控制相應(yīng)的換卷單元，采用具有自適應(yīng)性的模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)張力的恒定。通過生產(chǎn)線調(diào)試，與傳統(tǒng)PLC控制方法和人工換卷方法比較發(fā)現(xiàn)，本文的智能控制器簡化了布線，節(jié)省了生產(chǎn)成本。通過修改本智能換卷控制器參數(shù)，可在印刷、包裝等相似生產(chǎn)線中作為獨(dú)立單元使用，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。