摘要：采用橫向涂膠、縱向切割、紙芯連續(xù)的蜂窩紙板生產(chǎn)工藝可提高生產(chǎn)效率，并實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。基于PLC具有PID調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速和張力調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能滿足紙芯連續(xù)全自動(dòng)生產(chǎn)的控制要求。
關(guān)鍵詞：蜂窩紙板生產(chǎn)線；紙芯連續(xù)；PLC；速度同步；張力；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
0 引 言
蜂窩紙板是包裝行業(yè)新興的以紙代木的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)型包裝材料。目前國(guó)內(nèi)外基本采用縱向涂膠、橫向切割的紙芯不連續(xù)生產(chǎn)工藝進(jìn)行生產(chǎn)。由于該工藝本身的原因，使其生產(chǎn)設(shè)備在自動(dòng)化程度、紙芯寬度及生產(chǎn)效率等方面受到了限制。如果采用橫向涂膠、縱向切割、紙芯連續(xù)的生產(chǎn)工藝，則可克服傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的諸多缺點(diǎn)，但卻需要解決多層紙饋人過程中張力變化、膠條位置涂膠偏差以及生產(chǎn)線各分段設(shè)備速度鏈的同步等過程控制方面的問題。如果這些問題得不到解決，則很難實(shí)現(xiàn)紙芯連續(xù)的生產(chǎn)工藝。本文介紹的電氣控制系統(tǒng)方案較好地解決了上述問題，并成功地實(shí)現(xiàn)了紙芯連續(xù)的全自動(dòng)生產(chǎn)。
1 生產(chǎn)工序及控制要求
紙芯連續(xù)全自動(dòng)蜂窩紙板生產(chǎn)線的生產(chǎn)工序?yàn)椋?BR>
(1)送紙 6層紙送紙機(jī)構(gòu)；(2)橫向涂膠 按照形成蜂窩狀的膠條間隔分層進(jìn)行涂膠；(3)疊合處理將涂膠后的6層紙壓合在一起；(4)分切涂膠按蜂窩紙板產(chǎn)品厚度的要求分切為相同尺寸的6層紙條，并將分切后的每個(gè)紙條涂上形成蜂窩位置的膠條；(5)紙條聚合將分切涂膠后的蜂窩紙條粘合在一起，形成多層蜂窩紙芯；(6)紙芯拉伸 將紙芯拉開形成蜂窩狀并定型；(7)紙芯復(fù)面 將定型拉開后的蜂窩紙芯復(fù)蓋紙面；(8)輥壓成型給復(fù)蓋紙面后的蜂窩紙板加壓定型；(9)裁板按蜂窩紙板產(chǎn)品尺寸要求進(jìn)行裁切等。以上每個(gè)工序均由一臺(tái)獨(dú)立的專用設(shè)備完成，其中：(1)～(5)道工序?yàn)檫B續(xù)紙芯的生產(chǎn)設(shè)備，(6)～(9)為紙板生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)線各工序設(shè)備既要實(shí)現(xiàn)本段工序的動(dòng)作要求，又要與前后工序段設(shè)備協(xié)調(diào)工作。因此，電氣控制系統(tǒng)需具備：(1)自動(dòng)控制及單臺(tái)手動(dòng)調(diào)節(jié)的功能；(2)運(yùn)行／停止、運(yùn)行速度的升速／降速控制及數(shù)字顯示速度的功能；(3)跟蹤速度鏈的同步功能；(4)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)功能；(5)自動(dòng)裁板及人機(jī)界面監(jiān)控功能。
2 控制系統(tǒng)方案及硬件配置
為了滿足工藝要求，本著操作簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠和維修方便的原則，依照上述生產(chǎn)工序?qū)刂葡到y(tǒng)的要求，系統(tǒng)選用了以松下電工生產(chǎn)的中規(guī)模FP10s型可編程控制器作為主控單元的電氣控制系統(tǒng)，如圖1所示。圖1中，控制系統(tǒng)硬件從功能上可分為以下5部分。
2．1 自動(dòng)控制及手動(dòng)控制
控制系統(tǒng)分為集中控制和手動(dòng)控制2部分。自動(dòng)控制時(shí)由總控臺(tái)實(shí)現(xiàn)全線控制，總控臺(tái)由觸摸屏和總啟動(dòng)、總停止、運(yùn)行等按鈕開關(guān)構(gòu)成。1 ～9 分控制屏為1 ～9 工藝段設(shè)備的操作盤，分別安裝在相應(yīng)工藝段的設(shè)備上，用于手動(dòng)控制和調(diào)節(jié)本段設(shè)備的運(yùn)行以及顯示本段設(shè)備的狀態(tài)，如速度調(diào)節(jié)、自動(dòng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換、啟動(dòng)、停止、急停、速度顯示、故障報(bào)警等。
2．2 變頻調(diào)速系統(tǒng)
全線共有9臺(tái)設(shè)備構(gòu)成。設(shè)備1～8為變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)備9為裁板設(shè)備。由于生產(chǎn)工藝的要求，1 ～5紙芯生產(chǎn)設(shè)備為一速度同步段，6 ～9 紙板生產(chǎn)設(shè)備為另一速度同步段，并且要求分段設(shè)備分別具有同步升速和同步降速的功能，因此采用了具有PID調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)控制變頻調(diào)速方案[1-3 ]。
按照PID閉環(huán)控制的特點(diǎn)要求，每段設(shè)備的變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件配置均由旋轉(zhuǎn)編碼器、高速計(jì)數(shù)模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和公用的FPIOs CPU 所組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
速度同步的控制原理為：第一道工序控制是由觸摸屏上或1 分控制屏上手動(dòng)速度調(diào)節(jié)得到的速度設(shè)定值與電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較進(jìn)行控制；在其后的工序中，監(jiān)測(cè)前一道工序與當(dāng)前工序的電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的速度差，利用PID 控制進(jìn)行修正，使2者速度差變小。通過這種控制方式可實(shí)現(xiàn)各工序之間的平滑聯(lián)動(dòng)，滿足了工藝需要速度同步的要求，達(dá)到了提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
2．3 張力調(diào)節(jié)在送紙機(jī)構(gòu)中，為了實(shí)現(xiàn)在6層紙上涂的膠條均勻到位，要求6層紙的饋入張力必須一致，這樣才能保證蜂窩紙芯的形成質(zhì)量。系統(tǒng)中張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)由張力傳感器、張力變送器、ADC模塊、DAC模塊、功率放大器、磁粉離合器等構(gòu)成[4 ,5]，如圖3所示。
磁粉離合器作阻尼器用，安裝在紙卷托架軸上。工作時(shí)，張力傳感器測(cè)得的張力信號(hào)，經(jīng)張力變送器送往PLC的A／D模塊，CPU 將測(cè)量得到的張力數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PID計(jì)算后完成張力反饋的PID調(diào)節(jié)(見圖4)，再經(jīng)PI C的D／A模塊輸出4～20mA電流信號(hào)，又經(jīng)功率放大器放大后，控制磁粉離合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制饋入紙的張力的目的。
2．4 裁板
裁板是生產(chǎn)線的最后一道工序。在此工序中，要求按照產(chǎn)品尺寸進(jìn)行切割、輸出并且要求統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量。裁板系統(tǒng)的基本配置為：旋轉(zhuǎn)編碼器、高速計(jì)數(shù)模塊、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輸出控制單元等。裁板系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度和觸摸屏上設(shè)定的產(chǎn)品尺寸相等時(shí)，裁切驅(qū)動(dòng)氣缸動(dòng)作，進(jìn)行裁板，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制單元?jiǎng)幼?，將產(chǎn)品移去，并統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量一次。
2．5 人機(jī)界面
系統(tǒng)選用了松下SV52型觸摸屏作為人機(jī)界面，安裝于總控臺(tái)上，操作人員可通過觸摸屏監(jiān)控整條線的工作狀態(tài)。在人機(jī)界面中，設(shè)計(jì)了多幅畫面，包括整體圖形、故障顯示、各點(diǎn)速度顯示、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)顯示以及
各種參數(shù)設(shè)定等監(jiān)控畫面。
3 系統(tǒng)軟件
控制軟件主要由初始化模塊、模擬量采集模塊、濾波模塊、PID運(yùn)算模塊及開關(guān)量控制輸入、輸出模塊等組成。
3．1 初始化模塊
在初始化中，程序主要對(duì)有關(guān)變量賦初值，如設(shè)置定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)，PID參數(shù)等。
3．2 速度測(cè)量與調(diào)節(jié)模塊
系統(tǒng)共有8個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，分別接在高速計(jì)數(shù)模塊的8個(gè)輸入通道上，由PLC計(jì)算出前段電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速V1/r· min-1和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速V2/r· min-1。按下式計(jì)算出各自傳動(dòng)輥的線速度V線=kvπD／m ·min-1，式中k為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)比，D為傳動(dòng)輥的直徑／m。前段傳動(dòng)輥的線速度作為當(dāng)前段傳動(dòng)輥的線速度設(shè)定值(SP)，當(dāng)前段傳動(dòng)輥的線速度作為測(cè)量值(PV)，進(jìn)而由FPIOS提供的PID指令進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)D／A模塊輸出4～20 mA電流信號(hào)，送給變頻器的輸入端進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3． 3 模擬量的采集、濾波及張力調(diào)節(jié)模塊本系統(tǒng)有6路張力變送器輸入的模擬量測(cè)量反饋信號(hào)，均為4～20 mA，由2塊4路模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。采樣中采取了數(shù)字濾波的方法，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后求平均值作為濾波結(jié)果(PV)。為改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，控制調(diào)節(jié)采用了不靈敏區(qū)的PID算法[6]。該算法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PID控制輸出作了如下的限制值，SV為設(shè)定值，e為設(shè)定值(SV)與測(cè)量值 (PV)得差值，D 為不靈敏區(qū)的帶寬。當(dāng)D 為零時(shí)，即為標(biāo)準(zhǔn)的PID算法；當(dāng)D不為零時(shí)，若lel>D，則執(zhí)行PID算法，若le l≤D，則控制輸出值U0為設(shè)定值SV。本控制系統(tǒng)中，D的大小由穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)6路饋人紙的張力的最大偏差所決定。
4 結(jié)束語
紙芯連續(xù)全自動(dòng)蜂窩紙板生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)較為龐大，開關(guān)量I／0有300多點(diǎn)，但只有解決好多層紙饋人過程中張力的變化以及生產(chǎn)線各分段設(shè)備速度鏈同步的問題，才能實(shí)現(xiàn)紙芯連續(xù)的全自動(dòng)生產(chǎn)[6]。上述電氣控制系統(tǒng)方案已成功地用于紙芯連續(xù)的全自動(dòng)蜂窩紙板生產(chǎn)線，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)：
[1] 田 云．戚道南．賈恩凱，等．工業(yè)控制機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1989．
[2] 番新民．微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社．1991．
[3] 孫傳有．測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2002．
[4] 張學(xué)福．實(shí)用傳感器手冊(cè)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，1989．
[5] 番新民．微型計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社．1988．
[6] 李安伏。王保吉，李曉紅．閘門定位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2005(8)：94—95．
[7] 戚風(fēng)雷，宋文勇．造紙生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．輕工機(jī)械．2004(1)：111-114．
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