基于plc的涂布機(jī)張力控制系統(tǒng)的研究

改革開放以來，印刷包裝行業(yè)取得了很大進(jìn)展。此外，由于世界和國內(nèi)市場的需求，中國的印刷包裝機(jī)械和包裝技術(shù)的質(zhì)量需要顯著提高。特別是一些涂布復(fù)合設(shè)備的制造,大多數(shù)都是根據(jù)客戶要求單件定做,這就不僅要求涂布設(shè)備的制造企業(yè)具有很強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計實力,同時能夠提供穩(wěn)定的張力控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)中,張力控制系統(tǒng)已經(jīng)成為包括涂布行業(yè)在內(nèi)的多個行業(yè)的共性技術(shù)之一。尤其在太陽能背板、集成電路、光學(xué)膜等精密涂布行業(yè),高精度張力控制系統(tǒng)已經(jīng)成為支撐性的關(guān)鍵技術(shù)。本文以陜西北人涂布機(jī)Y299D為例,對涂布機(jī)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單的分析。一、分散機(jī)的組成涂布機(jī)主要由放料單元、儲料單元、涂布頭、復(fù)合單元以及收料等單元組成。圖1為陜西北人高端涂布機(jī)Y299D的結(jié)構(gòu)示意圖。二、控制張力穩(wěn)定的實現(xiàn)在涂布機(jī)的張力控制系統(tǒng)中,PLC是整個系統(tǒng)的核心部分。工作時在觸摸屏上設(shè)定工作參數(shù),這些參數(shù)通過紫色電纜寫到PLC的相應(yīng)寄存器。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行速度發(fā)生變化以及收放卷材料的直徑發(fā)生變化時,PLC中相應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)也寫入觸摸屏中,由觸摸屏顯示出來。系統(tǒng)中主要執(zhí)行元件的動作均由PLC的輸出點控制。PLC根據(jù)設(shè)計要求,時刻調(diào)整輸出指令。其工作原理如圖2所示。張力檢測機(jī)構(gòu)的工作通過擺輥和電位器來實現(xiàn),擺輥和電位器通過齒輪來連接。當(dāng)張力發(fā)生變化時,擺輥發(fā)生擺動,電位器的電壓值隨之發(fā)生變化。當(dāng)張力設(shè)定值和張力的反饋值相同時,擺輥處在機(jī)械結(jié)構(gòu)的中間位置,電位器P+和PG之間的電壓為+10V,P-和PG之間的電壓為-10V,U和PG之間的電壓為0V。當(dāng)擺輥發(fā)生擺動時,電位器的值即U和PG之間的電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化,達(dá)到張力檢測的目的?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變,從而達(dá)到控制張力穩(wěn)定的目的。具體如圖3所示。三、張力管理系統(tǒng)各部分的功能1.卷徑、卷徑控制以及pid控制器設(shè)計涂布機(jī)一般由兩個放料單元組成,Y299D第一放料單元為被動放料。被動放料單元由磁粉、張力控制器以及張力檢測傳感器構(gòu)成,由于這方面的技術(shù)很成熟,因此能保證放料單元到放料牽引的張力穩(wěn)定。第二放料單元為主動放料。由于放卷卷徑逐漸變小,因此放料擺輥會不斷參與控制。PLC通過一定的算法實現(xiàn)放卷卷徑的計算,并使相應(yīng)的電機(jī)不斷加速,從而控制張力的穩(wěn)定。另外,通過PID控制實現(xiàn)電機(jī)的微調(diào)。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:它的傳遞函數(shù)為:式中:KP為比例系數(shù),KI為積分時間常數(shù),KD為微分時間常數(shù)。由PID控制器輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系可得:當(dāng)e(t)一定,且PID控制器各個參數(shù)固定不變時,其輸出u(t)也固定不變;但是當(dāng)卷取半徑逐漸變化時,其相應(yīng)的慣性也發(fā)生變化,所以要將KP、KI、KD進(jìn)行分段,以滿足控制系統(tǒng)的要求,實現(xiàn)張力的精確控制。2.儲料接料準(zhǔn)備放料儲料架是為了實現(xiàn)放料的零速接料。由于涂布基材的成本比較高,同時基材要求張力比較大,以及涂布工藝的特殊性,普通的搭接可能滿足不了生產(chǎn)的要求,因此,涂布機(jī)就有了不同于其他印刷設(shè)備的儲料架單元。正常情況下,放料儲料架應(yīng)該儲滿基材,當(dāng)放卷需要換料時就可以直接進(jìn)行。當(dāng)設(shè)備啟動時,應(yīng)該先判斷放料儲料架的位置,如果儲料架不在儲滿料狀態(tài),就應(yīng)該先讓儲料架自動上升儲滿基材,做好接料準(zhǔn)備工作。當(dāng)放料部需要換料時,按下接料按鈕,此時放料儲料架開始加速,同時放料牽引開始減速,在這個過程中,放料牽引擺輥控制放料牽引電機(jī),儲料架電機(jī)跟隨主機(jī)的速度。當(dāng)放料儲料架的速度跟主機(jī)速度相同時,放料牽引的速度減為零速。此時放料牽引擺輥由原來控制放料牽引電機(jī)切換為控制儲料架電機(jī),從而保證放料張力的穩(wěn)定性。然后就可以進(jìn)行零速接料了。完成接料工作后,按下接料完成按鈕,放料儲料架開始減速,放料牽引開始加速,同時放料牽引擺輥開始控制放料牽引電機(jī)。當(dāng)放料儲料架的速度減為零速時,放料牽引電機(jī)速度為主機(jī)速度。然后放料儲料架以一定的速度開始儲料,放料儲料架由零速開始加速,直到設(shè)定速度。此時放料牽引電機(jī)要在主機(jī)速度的基礎(chǔ)上加上放料儲料架的上升速度,以滿足放料張力的穩(wěn)定。當(dāng)放料儲料架儲料快滿時,放料儲料架開始由勻速減速,直到速度減為零。當(dāng)放料儲料架開始減速時,放料牽引也開始減速,放料儲料架速度為零時,放料牽引的速度與主機(jī)同步。這樣就完成了一次接料過程。在這個過程中,從放料牽引到涂膠部張力始終是穩(wěn)定的,不但滿足了涂布工藝的要求,還實現(xiàn)了張力的實時穩(wěn)定控制。3.機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)涂膠輥的周長固定不變,所以涂膠輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是主機(jī)速度加上擺輥的調(diào)節(jié)。安川H1000變頻器內(nèi)部的PID塊完全能夠滿足涂膠單元到復(fù)合單元之間的張力。4.復(fù)合部分復(fù)合部作為涂布機(jī)的主機(jī),其速度就是主機(jī)速度。其他電機(jī)都跟隨復(fù)合電機(jī)。5.收料牽引擺輥接料過程由于涂布機(jī)的工藝各種各樣,收料時預(yù)驅(qū)軸應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài),因此就要求涂布機(jī)具有收料儲料架機(jī)構(gòu)。設(shè)備正常運(yùn)行時收料儲料架應(yīng)該在儲料機(jī)構(gòu)的下端。當(dāng)設(shè)備啟動時,應(yīng)該先判斷收料儲料架的位置,如果儲料架不在下端,就應(yīng)該先讓儲料架自動以一定的速度下降,做好接料準(zhǔn)備工作。當(dāng)收料軸需要換料時,按下接料按鈕,此時收料儲料架從零開始加速,同時收料牽引和收料當(dāng)前軸開始減速,在這個過程中,收料牽引擺輥控制收料牽引電機(jī),收料儲料架電機(jī)跟隨主機(jī)的速度。當(dāng)收料儲料架的速度跟主機(jī)速度相同時,收料牽引和收料當(dāng)前軸的速度減為零速。此時收料牽引擺輥由原來控制收料牽引電機(jī)切換為控制儲料架電機(jī),從而保證收料張力的穩(wěn)定性。然后收料刀架進(jìn)行相應(yīng)的動作,完成接料工作。當(dāng)收料動作完成,收料大臂落下后,收料儲料架開始減速,收料牽引和收料軸開始加速,同時收料牽引擺輥開始控制收料牽引電機(jī)。當(dāng)收料儲料架的速度減為零速時,收料牽引電機(jī)和收料軸速度為主機(jī)速度。然后收料儲料架以一定的速度開始向下加速,直到設(shè)定速度。此時收料牽引電機(jī)和收料軸要在主機(jī)速度的基礎(chǔ)上加上收料儲料架的下降速度,以滿足復(fù)合單元到收料儲料架,收料儲料架到收料部的張力穩(wěn)定。當(dāng)收料儲料架快到位時,收料儲料架開始由勻速減速,直到速度為零。當(dāng)放料儲料架開始減速時,放料牽引和收料軸也開始減速,收料儲料架速度為零時,收料牽引