基于PLC伺服控制的甘油霧化噴涂系統設計

摘要:根據香煙濾棒的絲束甘油霧化噴涂原理，甘油霧化噴涂系統采用PLC和觸摸屏作為主控制器，由甘油桶、溫度控制子系統、甘油霧化子系統、噴涂活門、伺服系統組成。研究了活門精確定位的伺服控制，該技術實時跟隨絲束的運行速度，由PLC給出活門開度對應的伺服電機轉動所需的高速脈沖數作為系統的位置給定量，通過位置環、速度環和電流環的三閉環PID控制精確定位活門開度，實現甘油的均勻噴涂，保證甘油噴涂量;給出PLC控制程序流程圖，對系統進行了實際運行測試。結果表明:系統運行可靠，濾棒的硬度控制達到國家標準。

關鍵詞:伺服系統;甘油霧化;PLC;活門開度;濾棒;PID

中圖分類號:TP29

The Design of Glycerol Spray System Based on PLC Servo Control

MENG Zhi-qiang 1， ZHANG Heng1， CHEN Yan-dong2， LUO Ting-fang1，

(1. College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China;2. College of Electrical and Information Engineering， Changsha Univ of Science and Technology， Changsha， Hunan 410076 ，China)

Abstract: According the theory of cigarette filter rod glycerol spray， the glycerol spray system use PLC and touch screen as the main controller and consist of glycerol case， he controlled temperature subsystem， glycerol spray subsystem， spray valve and servo systems. The article researches servo systems to make the valve position precise， the technology realize to track the speed of the running tow in real-time， control valve position by the high-speed pulse trains what the PLC(Programmable Logic Controller) creates for the given displacement corresponding to the valve position， adopt three-closed-loop construction of position， speed and current PID(Proportion Integral Differential) control to make the valve position precise， realize the uniform spray of the running tow and ensure glycerol spray in quantity eventually; Shown the PLC control program flow charts; The system test results show that the system operates reliably and the hardness of filter-rod reach the national standard.

Key words:servo systems;glycerol spray; PLC(Programmable Logic Controller); valve position; filter rod; PID

KDF2濾棒成型機組的甘油上膠系統是控制濾棒硬度的關鍵裝置，實時控制甘油噴涂量與絲束運行速度同步變化，保持單位面積絲束上甘油噴涂量的穩定是控制濾棒硬度的關鍵因素。傳統的KDF2上膠方式采用毛刷旋轉的離心力將甘油以小液滴[1-3]的形式甩涂到運動絲束表面，小液滴的顆粒尺寸不均勻，且毛刷旋轉速度與絲束運行速度不同步，難以實現甘油的均勻噴涂，無法保證濾棒硬度的穩定，造成大量的打跑條絲束浪費，產生大量的濾棒廢品。

本文設計開發了一種基于PLC伺服和觸摸屏控制的甘油霧化噴涂系統，采用甘油霧化技術和伺服系統控制技術，通過位置、速度和電流的三閉環PID控制伺服系統跟隨絲束運行速度，自動調節噴涂活門開度，調節甘油噴涂量，實現甘油的均勻噴涂。系統運行的實測數據分析結果表明，該系統實現單位面積絲束的甘油均勻噴涂，濾棒硬度達到國家標準且穩定，極大地減少了打跑條絲束浪費和濾棒廢品。

1 甘油霧化噴涂原理

甘油霧化技術是將一定溫度的甘油在一定壓力下，通過壓力式噴嘴射流，使甘油霧化成顆粒尺寸均勻的微小液滴，多個噴嘴均勻排列，產生長方形的向上噴射面，噴射面穿過活門打開的窗口面積噴涂于運動絲束表面。只要有效且穩定地控制甘油溫度，就可以保障甘油的黏度和流動性;有效且穩定地控制甘油壓力，就可以保障霧化顆粒尺寸和噴嘴流量，穩定長方形的向上噴射面積。當絲束運行速度穩定，噴涂在絲束表面的甘油量就穩定且均勻。甘油霧化噴涂系統主要由溫控油箱、增壓泵、集油盒、7支丹佛斯OSF66實心霧化噴嘴、伺服控制系統和噴涂活動門構成，壓力選擇控制在(9.0±0.5) Pa，甘油溫度控制在(38±2)℃，噴嘴孔徑為0.2mm。

溫控油箱控制甘油溫度，增壓泵和集油盒控制甘油噴涂壓力，OSF66實心霧化噴嘴實現甘油霧化噴射。

伺服控制系統對活動門(簡稱活門)的控制是實現甘油噴涂量控制的關鍵。活門打開的窗口面積稱為活門開度。開度越小，穿越活門窗口面積的甘油噴射面越小，噴涂到運動絲束表面的甘油量越少;反之，開度越大，噴涂的甘油量越多。顯然，只要用伺服系統精確控制活門開度就可以精確控制甘油噴涂量。

2甘油霧化系統硬件及工作原理

甘油霧化系統采用三菱FX1N-40MT PLC[7]和MT6070觸摸屏作為主控制器，控制系統硬件結構如圖1所示，由PLC、觸摸屏、伺服控制系統、活門、FX2N-4AD模數轉換器、繼電器、電磁閥、增壓泵、加熱器等構成。

圖1 控制系統硬件結構圖

Fig.1 Hardware structure diagram of the control system

PLC作為控制系統的核心，完成模擬量輸入、開關量輸入狀態檢測、開關量輸出控制以及整個系統的過程控制。觸摸屏實現人機界面，完成相關數據、信息、狀態顯示、參數設置，與PLC通信，進行數據交換和相關控制。模數轉換器將集油盒壓力和油箱溫度傳感器數據送往PLC控制器。

系統工作原理如下:系統上電后，首先初始化PLC和觸摸屏，然后，PLC自動檢測系統的啟動條件:甘油溫度和甘油液位是否達到有效設定值、伺服系統是否存在故障、活門是否位于原點。若啟動條件不滿足，系統相應地啟動甘油溫控系統調節油溫，啟動加油系統調節甘油液位，自動復位活門原點，或者系統報警并禁止霧化工作;若啟動條件滿足，且霧化工作開關打開，PLC控制系統允許主機啟動，打開增壓泵和預加熱器，檢測主機速度脈沖并計算絲束運行速度，伺服系統根據絲束運行速度實時同步調節活門開度，帶壓甘油輸送到噴嘴集油盒，經集油盒均勻分配到七個噴嘴霧化噴出。

3伺服控制系統

伺服控制系統由伺服驅動器、伺服電機、齒輪齒條構成，主要完成活門開度的精確控制，是實現新型甘油自動噴霧噴涂系統的關鍵技術。

絲束運行速度與主機速度成正比關系，伺服系統控制技術以主機速度為跟蹤量，將采集到的速度信號送到PLC控制器，由PLC將對應于主機速度的脈沖數和脈沖頻率發送到伺服放大器，執行相對/絕對定位操作，控制伺服電機的正反方向轉動，進而通過齒輪齒條精確控制活門的開度。顯然，在絲束運行速度穩定條件下，活門開度與單位面積上噴涂的甘油量成正比。在開度不變條件下，絲束運行速度與單位面積上的噴涂量成反比。所以，控制活門開度可調節霧化絲束表面的甘油量。

3.1位置伺服控制模式

圖2伺服驅動器原理框圖

Fig.2Structure diagram of the servo drive

伺服驅動器位置控制模式【8-10】原理框圖如圖2所示，為典型的位置環、速度環、電流環三環控制結構。FX1N PLC可輸出最大500kHz的高速脈沖，根據實際需要，在霧化操作過程中，將產生30kHz的高速指令脈沖，如圖3所示。PLC給定脈沖信號 為設定的活門開度所對應的高速脈沖數，而編碼器反饋回的電機實際轉動脈沖數為 ，脈沖誤差信號 經過位置調節器PID調節后，輸出轉子轉速給定信號 ，實際轉子轉速信號 由編碼器給出，速度誤差信號 作為速度調節器的輸入，再經過PID調節后輸出伺服電機交軸電流信號 (相當于電機電磁轉矩給定信號)，與實際交軸電流信號 比較得出交軸電流的誤差信號 ，通過電流調節器輸出電壓型逆變器的PWM控制信號，使伺服電機按給定脈沖數運行，經過齒輪齒條的傳動控制活門開度。同時，利用驅動器的位置斜坡功能，在位置指令脈沖急劇變化時，實現電機平穩啟動和停止。

圖3PLC輸出的30 kHz脈沖波形(幅值:5V/格，時間:10μs/格)

Fig.330 kHz pulse wave from PLC

3.2 電子齒輪比

伺服放大器的參數設置直接影響活門伺服控制，主要包括電子齒輪比、控制模式、指令脈沖選擇等。電子齒輪比的設置是極其重要的，直接決定系統精度。電子齒輪比的計算公式為:

(1)

式中: 為最大活門開度; 為伺服電機編碼器分辨率; 為單位脈沖對應的活門開度.

本系統機械設計活門平移最大開度 ，伺服電機編碼器分辨率為 脈沖/轉，由于設定的開度調節精度為0.1mm，即對應PLC指令脈沖數為100，故 。因此，電子齒輪比設定為 。

3.3 活門原點定位

主機開機并執行活門原點定位時，PLC產生速率為2000Hz的反轉指令脈沖，傳送給伺服放大器并驅動伺服電機使活門快速返回原點;當采集到原點接近開關信號時，以200Hz低速率的指令脈沖，傳送給伺服放大器，使伺服電機減速并停止，活門實現原點定位。活門原點定位精度可達0.1mm。

由于原點定位接近開關的檢測距離與靈敏度的影響，若系統長期運行將會導致活門原點位置發生較大偏移，因此，需對活門原點定位進行修正，消除累計誤差。因此，當執行活門原點定位時，PLC先檢測活門是否位于原點，若活門位于原點，先執行活門正向移動5mm操作，再執行回原點操作。

4.PLC程序設計

甘油霧化系統有正常運行和系統維護兩種工作模式。在正常運行模式下，系統完成系統初始化、甘油霧化、狀態顯示、霧化甘油量調節、故障診斷等功能。在系統維護模式下，系統完成活門點動、霧化點動測試、甘油開度曲線測定等功能，方便檢測系統運行特性和實現對系統的測試維護工作。PLC的I/O端口資源分配如表1所示。

控制系統程序采用模塊化編程，結構清晰，調試方便。根據功能、控制對象的不同，系統分為自檢模塊、參數設置模塊、故障識別處理模塊、停機模塊、流量調節模塊、系統維護模塊、甘油加熱子程序以及霧化子程序。主程序的功能是檢測各按鈕及故障報警狀態，在需要的時候調用各個子程序，以完成相應的控制功能。

圖4PLC控制系統主流程圖

Fig.4Main flow chat of the PLC control system

PLC控制系統主流程如圖4所示，系統自檢模塊完成通信檢測、液位檢測、伺服系統狀態檢測和活門原點檢測，確認設備狀態正常后，PLC才會按指令繼續運行。參數設置模塊實現相關參數的修改，保證系統運行的可靠性和精準。故障識別處理模塊完成故障的處理工作，當系統出現故障時，錯誤信息會傳送至故障模塊，由故障模塊將其錯誤的性質、類型、嚴重性做出判斷，一般故障時，僅向人機界面發出錯誤提示信息，錯誤嚴重時調用停機處理模塊，中止生產并發出警報。流量調節模塊是用戶根據絲束材料的不同，微調活門開度，實現霧化工藝效果的調整。甘油加熱子程序實現溫度檢測和加熱控制、加熱系統故障診斷三個功能。

霧化子程序流程如圖5所示。啟動增壓泵泵油、同時啟動噴嘴預加熱。檢測集合器壓力，若超過設定時間，壓力仍低于設定下限，則置位增壓泵故障;若壓力超過設定上限，則置位噴嘴堵塞故障。若溫度和壓力正常，采用PLC的專用SPD指令測量主機速度(編碼器脈沖輸出信號)，根據主機轉速與活門開度脈沖對應關系，計算伺服電機轉動所需的指令脈沖數和脈沖頻率，并發送給伺服定位模塊，精確定位活門位置。

圖5 甘油霧化子程序流程

Fig.5Flow chat of Glycerol Spray subprogram

5、系統測試與分析

香煙濾棒硬度達標的范圍為88 3.4%。過程能力指數 常用來衡量濾棒的硬度:

(2)

式中: 為濾棒硬度期望值;S為濾棒硬度的標準偏差。若1.40，則甘油霧化效果好。

在昆明某卷煙廠的系統測試過程中，機器運行在不同速度檔次，每次測試隨機抽取20支濾棒，硬度指標測試結果如表2所示。

根據式(2)計算可得，在不同速度檔次，濾棒硬度過程能力指數Cpk分別達到了1.51、1.88、1.86、1.62，均超過了1.40的預期目標。與改進前的毛刷噴涂工藝相比，打跑條和手動剔除導致的甘油和絲束浪費極少。

6、結論

采用PLC和觸摸屏做主控制器，設計制造的新型甘油霧化噴涂系統由伺服控制系統和噴涂活門控制甘油噴涂量，實現甘油的均勻噴涂，解決了采用毛刷甩涂的傳統KDF2濾棒成型機組甘油上膠系統噴涂不均勻的不足，實現了設計要求的各項性能指標，自動化程度高，運行穩定可靠，對濾棒加工生產性能的提高具有極其重要的實用價值。

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