摘 要：采用S7-200型PLC作為控制核心，以直流電動(dòng)機(jī)和磁粉制動(dòng)器為執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)JHML-T1000濕式復(fù)合機(jī)運(yùn)行過(guò)程的恒張力控制" title="張力控制">張力控制。系統(tǒng)控制過(guò)程包括按放卷控制、貼合控制、印刷控制、卷取控制四個(gè)部分。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，程序結(jié)構(gòu)清晰。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，性能良好。
關(guān)鍵詞：可編程序控制器;恒張力" title="恒張力">恒張力控制;直流調(diào)速;磁粉制動(dòng)器
Abstract: This paper introduces design of a strain control system applying in JHML-T1000 complex machine based on PLC. Its core control unit is SIMENS S7-200. Its executors are DC motor and magnetic particle clutch. The system implements constant strain control. All controls include rolling-down control, jointing control，printing control and curling control. The soft –ware of controls is clear in frames with models.
Key words: PLC; constant strain control; adjusting speed by DC; magnetic particle clutch
0 引言
　　某印刷廠的臺(tái)灣產(chǎn)JHML-T1000型濕式復(fù)合機(jī)原有的微機(jī)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),采用各種板卡（信號(hào)采集輸入卡、各種控制輸出卡、張力控制板、顯示卡等）和總線的分散控制結(jié)構(gòu)。因年代久遠(yuǎn)和生產(chǎn)環(huán)境的影響以及沒(méi)有對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施有效的張力控制，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量下降。張力控制是整機(jī)的核心，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。在復(fù)合過(guò)程中，張力控制得當(dāng)，就不會(huì)產(chǎn)生縱向或橫向的褶皺，材料本身不會(huì)發(fā)生塑性形變。在印刷過(guò)程中，只要張力穩(wěn)定，印刷的套準(zhǔn)精度和廢品率就很容易控制。機(jī)器速度越高，張力控制就顯得越重要。要得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，就必須配備功能完善的張力控制系統(tǒng)" title="張力控制系統(tǒng)">張力控制系統(tǒng)。因此，對(duì)該復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面的技術(shù)改造：用PLC為核心的控制系統(tǒng)取代原有的微機(jī)控制系統(tǒng)，以期對(duì)該設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定可靠的張力控制，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要。
1 系統(tǒng)介紹
　　復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為放卷、張力從動(dòng)控制和復(fù)合、印刷與卷取主動(dòng)控制兩部分。


　　1.1 放卷張力從動(dòng)控制
　　放卷張力控制分為兩段，即紙料與復(fù)合輥之間的張力控制和鋁箔料與復(fù)合輥之間的張力控制。放卷時(shí)均采用被動(dòng)式的恒張力放卷，因此放卷過(guò)程中隨著卷徑的減小，張力要保持基本恒定，就要由磁粉制動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)傳動(dòng)力矩來(lái)滿(mǎn)足張力恒定的要求。同時(shí)因?yàn)檫@兩段的距離比較短，所以張力初始值的設(shè)定要小一些。值得注意的是，料卷越重，放卷張力就越大;卷徑相同時(shí)，料卷越寬，張力越大。
　　1.2 復(fù)合—印刷—收卷張力控制
　　復(fù)合—印刷—收卷張力是由復(fù)合輥、印刷輥和收卷輥之間的速度差造成的。在復(fù)合機(jī)中，通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)合輥電機(jī)、印刷輥電機(jī)和收卷輥電機(jī)的速度輸出來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)這部分的張力。除了受速度差的影響外，還與實(shí)際基材的伸縮率、厚薄變化、干燥溫度、高燥區(qū)長(zhǎng)度、料帶的傳輸速度等因素有關(guān)。如果基材的伸縮率越大，在張力作用下越容易變形，所以應(yīng)針對(duì)不同材質(zhì)的基材適當(dāng)調(diào)整整流輸出，改變速度差，從而得到一個(gè)合適的張力值。如果基材厚度不均勻，復(fù)合輥和印刷輥的壓力就會(huì)波動(dòng)，從而造成速度的變化，也影響了張力。如果這部分的張力太小，就會(huì)出現(xiàn)褶皺，甚至造成堆積現(xiàn)象。但也不能過(guò)大，張力太大會(huì)使料帶發(fā)生變形，甚至出現(xiàn)縱向皺紋。
2 系統(tǒng)方案
　　針對(duì)原來(lái)工控機(jī)系統(tǒng)分立板卡結(jié)構(gòu)的缺陷，采用以PLC為核心的張力控制系統(tǒng)，數(shù)字量輸入輸出采用CPU226自帶的輸入輸出和數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM221的8路輸入和EM223的16路輸入/16路輸出實(shí)現(xiàn);模擬量輸入采用EM235模塊，模擬量輸出采用EM235模塊和EM232模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。利用2臺(tái)磁粉制動(dòng)器控制放卷過(guò)程的張力，4路張力檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)各段張力的檢測(cè)輸入，3臺(tái)直流調(diào)速器" title="調(diào)速器">調(diào)速器實(shí)現(xiàn)對(duì)3臺(tái)拖動(dòng)直流電機(jī)的控制，最后通過(guò)PLC完成系統(tǒng)的邏輯控制。


3 系統(tǒng)硬件
　　在張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用西門(mén)子S7-200系列小型PLC作為邏輯控制核心，通過(guò)它來(lái)控制復(fù)合機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)磁粉制動(dòng)器和直流拖動(dòng)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程恒張力控制。根據(jù)復(fù)合工藝流程順序，整個(gè)張力控制系統(tǒng)也可以按不同工藝過(guò)程分為如下4個(gè)部分來(lái)處理。
　　3.1 放卷控制
　　1、 放卷過(guò)程結(jié)構(gòu)
　　放卷過(guò)程張力控制分為兩段：紙料與復(fù)合輥之間的張力控制和鋁箔料與復(fù)合輥之間的張力控制。放卷采用被動(dòng)式的恒張力放卷，因此放卷過(guò)程中隨著卷徑的減小，張力要保持基本恒定，就要由磁粉制動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩來(lái)滿(mǎn)足張力恒定。張力傳感器檢測(cè)負(fù)載張力，經(jīng)過(guò)張力信號(hào)放大器以后，送到控制器中。控制器綜合給定和反饋張力，輸出控制信號(hào)，經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器作用到卷軸，形成張力閉環(huán)控制系統(tǒng)。
　　2、 輸入輸出信號(hào)
　　放卷過(guò)程輸入輸出信號(hào)流如圖3所示。裝在張力感應(yīng)輥兩端的張力傳感器把感應(yīng)壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大變成0～10V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸入PLC模擬量輸入口。在張力控制過(guò)程中，給定值與反饋值比較后，得到一個(gè)張力偏差量e（t），經(jīng)PID算法子程序" title="子程序">子程序處理后，獲得控制量u（t），經(jīng)功放后驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器，以此控制剎車(chē)的制動(dòng)電流大小，進(jìn)而控制剎車(chē)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而使放卷張力維持在一定的范圍，實(shí)現(xiàn)張力的恒定。


　　3.2 貼合控制
　　紙料和鋁箔料放卷以后，在牽引力的作用下，分別以料帶形式經(jīng)過(guò)導(dǎo)輥。在貼合操作之前，先要進(jìn)行涂布。涂布就是在料帶上涂上類(lèi)似于膠水的化學(xué)物質(zhì)，這樣才能進(jìn)行貼合。涂布以后的紙料和鋁箔料在牽引力作用下進(jìn)入貼合輥，在貼合輥和貼合輪的壓力和涂布膠水雙重作用下，紙料和鋁箔料被緊緊地粘在一起，完成貼合過(guò)程。貼合過(guò)程對(duì)PLC說(shuō)是開(kāi)環(huán)的。但直流調(diào)速器與直流電動(dòng)機(jī)之間是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的邏輯無(wú)環(huán)流控制，這樣就保證了電機(jī)速度控制的精確性和穩(wěn)定性，所以對(duì)直流調(diào)速器—直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，仍然是閉環(huán)控制。PLC僅僅提供一個(gè)速度給定值。
　　3.3 印刷控制
　　復(fù)合以后的料帶通過(guò)導(dǎo)輥進(jìn)入印刷單元，在經(jīng)過(guò)一系列印刷工序處理以后，在牽引輥施加的牽引力作用下，從印刷單元出來(lái)，進(jìn)入下一道工序。在這個(gè)過(guò)程中，首先是傳感器采集到的張力信號(hào)先經(jīng)過(guò)信號(hào)變送器的處理，然后進(jìn)入張力控制器的反饋輸入端。在與張力給定值進(jìn)行比較以后，輸出控制信號(hào)，控制直流調(diào)速器的工作。直流調(diào)速器根據(jù)張力控制器的輸出，來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成印刷過(guò)程張力的閉環(huán)控制。控制器輸入有張力反饋輸入和給定輸入，控制器輸出為速度控制輸出。輸入輸出信號(hào)流圖4所示。


　　3.4 貼合、印刷、卷取過(guò)程電機(jī)拖動(dòng)電路
　　該系統(tǒng)的電機(jī)拖動(dòng)，采用了SIEMENS公司的SIMOREGK 6RA24型全數(shù)字直流調(diào)速裝置作為直流拖動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、控制裝置。調(diào)速系統(tǒng)有4個(gè)模擬量輸入口，5個(gè)模擬量輸出口，8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和4個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出口，其裝置軟件很容易替換。使用相當(dāng)方便。
　　由于復(fù)合機(jī)只有短時(shí)的正反轉(zhuǎn)，其余均為正轉(zhuǎn)，其短時(shí)正反轉(zhuǎn)（點(diǎn)動(dòng)）可以由接觸器來(lái)解決。故選擇單相限調(diào)速器。數(shù)字化調(diào)速器的控制功能是靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以必須進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。本系統(tǒng)對(duì)控制精度無(wú)特殊要求，不使用測(cè)速接口。
4 系統(tǒng)軟件
　　控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。


　　主程序首先是初始化。PLC開(kāi)機(jī)首次掃描，運(yùn)行開(kāi)機(jī)初始化子程序，通過(guò)調(diào)用該程序完成系統(tǒng)存儲(chǔ)器有關(guān)數(shù)據(jù)的初始化。然后是電源和故障檢測(cè)輸入部分。如果電源關(guān)閉，則程序運(yùn)行直接轉(zhuǎn)向結(jié)束，程序執(zhí)行完畢;如果電源打開(kāi)，則程序開(kāi)始檢測(cè)故障輸入。如果沒(méi)有故障，則繼續(xù)下面的掃描;如果發(fā)現(xiàn)故障，則調(diào)用報(bào)警子程序，然后程序轉(zhuǎn)向結(jié)束，程序執(zhí)行完畢。然后是自動(dòng)/手動(dòng)選擇。手動(dòng)操作僅用于調(diào)試設(shè)備，而自動(dòng)操作才用于生產(chǎn)。如果是手動(dòng)，則調(diào)用手動(dòng)操作子程序。接下來(lái)是運(yùn)行與停車(chē)判斷。當(dāng)輸入是停車(chē)時(shí)，則程序執(zhí)行停車(chē)子程序;當(dāng)輸入是運(yùn)行時(shí)，則程序執(zhí)行運(yùn)行過(guò)程。緊接著就是變速操作。如果系統(tǒng)給定發(fā)生變化，則運(yùn)行變速子程序，使系統(tǒng)不斷靠近而最終達(dá)到新的系統(tǒng)速度。最后是張力的PID調(diào)節(jié)部分。該部分通過(guò)控制2臺(tái)磁粉制動(dòng)器和2臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，完成系統(tǒng)的張力控制。
5 結(jié)束語(yǔ)
　　本系統(tǒng)利用SIEMENS S7-200小型PLC作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，保證了響應(yīng)的穩(wěn)定性和快速性。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，程序結(jié)構(gòu)清晰，為以后的維護(hù)和改進(jìn)帶來(lái)了方便。張力控制系統(tǒng)是整機(jī)運(yùn)行的核心，也是影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。運(yùn)行結(jié)果表明，該復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，性能良好。
參考文獻(xiàn)：
　　[1] 卓如飛.高速紙機(jī)卷取部的張力測(cè)量和控制[J].紙和造紙,2001,5:23～24
　　[2] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第2版）[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004
　　[3] 唐國(guó)蘭,陳凌珊,吳云忠.基于變頻器的張力控制及應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械,2003,5:34～36
　　[4] 韓翠艷,李大綱.干式復(fù)合機(jī)張力控制的研究[J].包裝工程,2004,4:184～186
　　[5] 王思刊.磁粉離合器在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,1999,4:40
　　[6] 周曉平,姜建芳,蘇少鈺,陳迅.S7-200系列PLC與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信實(shí)現(xiàn)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2004,1:5～7
　　[7] 劉世良,劉飛.凹印機(jī)張力控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].印刷技術(shù),2000,7:30～32
　　[8] 劉惠一.西門(mén)子6RA24直流調(diào)速器在印刷機(jī)上的應(yīng)用[J].印刷技術(shù),2000,10:23～25
　　[9] Wei-Der Chang and Jun-Juh Yan.Adaptive robust PID controller design based on a sliding mode for uncertain chaotic systems[J].Chaos, Solitons & Fractals. 2005,10:66～68
　　[10] 鄧忠華,郭應(yīng)鋒.套色印刷機(jī)械中恒張力控制策略的研究[J].輕工機(jī)械,2004,3:15～17