基于PLC 和伺服控制的細繩卷繞成型機

吳明琪，周武能，張志杰，孫培德

（東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引言

細繩卷繞成型機在制繩行業中應用十分廣泛，是在生產線的主流程中處于最下游的主體設備。目前，國內制繩行業的卷繞機還處于半自動化狀態，設備陳舊，采用傳統的電氣控制方式，電氣控制的任務基本都由繼電器控制系統完成［1］。由于該系統具有結構簡單、價格低廉、抗干擾能力強等優點，應用較為廣泛，至今仍在許多簡單機械設備中應用。但是該系統采用固定的硬接線方式來完成各種控制邏輯，靈活性差，拓展性不強。另外機械式的觸點工作頻率低、易損壞、可靠性不高、壽命低，經常需要維修。綜上所述，當前制繩企業一方面需要克服傳統電氣控制方式帶來的缺點，提高企業的生產效率和自動化程度；另一方面，自動化程度的提高可以減緩人力資源成本帶來的壓力，保存企業的優勢，尋求生存和發展的空間。

隨著大規模集成電路和微處理器的發展和應用，可編程邏輯控制器（PLC）以軟件手段來完成各種控制功能，克服了傳統電氣控制系統的諸多缺點，作為工業現代化的技術支柱之一，在工業自動化控制領域占有十分重要的地位。PLC 把計算機的功能完備、通用性和靈活性好等優點和繼電器控制系統的操作方便、簡單易懂、價格低廉等優點結合起來，是一種適應于工業環境的通用控制裝置［2］。電機是本系統一個重要的執行部件，三相交流異步電機已無法滿足本設計對精確位置控制和高轉速的需求，而伺服控制技術以其精確的檢測裝置，速度和位置雙閉環控制，高性能的伺服電動機與寬調速范圍的速度調節等優點可滿足當前復雜控制的需求。

1 細繩卷繞成型機裝置的基本設計

細繩卷繞成型機自動控制系統的基本設計思想：卷繞頭由原來的直接電機啟停控制改為伺服電機控制；成型部分由原來的手動控制改為步進電機控制；整機在PLC 的控制下自動完成一筒細繩卷繞成型的全過程。細繩卷繞成型機的3D 結構如圖1 所示。

該設備的主要工作流程如下：由自動進筒生頭裝置將空筒置于卷繞位置，并將需卷繞繩線牽引至初始位置；卷繞頭總控裝置按照一定的卷繞方案啟動卷繞頭的伺服電機進行卷繞；同時按照同一卷繞方案，總控裝置通過步進電機控制卷筒的卷繞位置，以形成所需的卷繞成型；完成規定長度（或形狀）的卷繞后，總控裝置控制切斷裝置切斷繩線，并啟動卸筒裝置將卷繞成型的成品卷筒卸下（也可用人工卸筒）。

圖1 細繩卷繞成型機

如圖1 所示，卷繞桿和卷繞頭通過皮帶、皮帶輪、齒輪等一系列傳動機構連接，它們使用的是同一個動力源，即伺服電機。卷繞桿和卷繞頭的旋轉通過這些齒輪相互影響，這種影響需要基于實際的工程經驗進行調試，保證成品繩團漂亮美觀、不易松垮。在保證卷繞頭具有較高轉速的同時，需要對其停止的區域進行限定以使得在卸筒時不與卷繞桿碰撞，避免發生機械和電氣故障。因為在卸筒時卷繞桿附加的伸縮機構（氣動機構）會動作，伸出卷繞桿，通過旁邊的卸筒裝置完成卸筒。為了卸筒方便，卷繞桿與卷繞頭旋轉的軸之間會成直角，如果卷繞頭停止的位置在上半周，線頭也在上半周，這樣會對下個卷繩周期產生影響；如果卷繞頭停在水平位置，則卸筒時會與卷繞桿發生碰撞，所以卷繞頭最好停在正下方的位置，這里就需要伺服電機的位置控制。

另外，不同的線材需要繞出不同的形狀，可以在觸摸屏中選擇不同的線材，觸摸屏會與PLC進行通信，將所需繞繩的參數傳遞到PLC 中。圖1 中調節檔位的步進電機需要和驅動卷繞頭和卷繞桿的伺服電機通過PLC 的控制相互配合，完成不同線材的不同卷繞方法，保證了卷繞成的繩團美觀不易松垮。

2 三相交流永磁同步電動機伺服系統

2.1 三相交流永磁同步伺服系統的工作原理與組成

將PLC 發出的指令脈沖和編碼器檢測帶的位置反饋脈沖送入伺服控制器進行比較，確定偏差，得到校正信號作為速度控制器ASR 的給定，再經過電流調節和功率放大，使得伺服電機和卷繞頭向著偏差減小的方向旋轉。因為位置指令是一個經常變化的隨機變量，需要輸出準確跟蹤給定的變化，所以位置隨動系統的主要性能指標由輸出相應的快速性、靈活性、準確性決定。采用位置環、速度環、電流環構成的三閉環控制系統可以滿足以上指標。交流永磁同步電動機伺服系統的三閉環位置控制的組成框圖如圖2 所示。

圖2 三閉環位置控制伺服系統

2.1.1 速度和位置傳感器 為檢測電動機的實際運行速度，通常在電動機軸的非負載端安裝速度檢測傳感器，在伺服系統里該部件一般為光電編碼器。對于永磁同步伺服電動機來說，還必須有轉子永磁體的磁極位置檢測器檢測出磁極位置，從而實現電樞電流的正交控制。實際上，檢測電機的轉子旋轉速度、磁極位置和系統的定位控制都可用光電編碼器來完成。

2.1.2 功率逆變器和PWM 生成電路 功率逆變器主要由整流器和逆變器兩部分組成。整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經過電容器濾波平滑后提供給逆變器作為直流輸入電壓，在PWM 控制信號的驅動下，逆變器將輸入的直流電變成電壓和頻率可調的交流電，輸入到伺服電動機的電樞繞組中。PWM 回路以一定的頻率產生觸發功率器件的控制信號，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協調關系，并使流入電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。

2.1.3 速度控制器和電流控制器 速度控制器一般是PI 調節的，它的輸出是直流電流量，它的作用主要是穩定控制速度，不產生振蕩。在進行位置控制時，速度環需要具備快速響應的能力，并能在穩態時具有很硬的轉矩特性，從而抑制各種擾動。

電流控制器是三閉環位置控制系統的最內環，它使得電樞繞組中的電流在幅值和相位上都能得到有效的控制，通常也采用PI 調節，具備快速響應的能力，以應對電流瞬時跟蹤控制的要求，它的電流環增益不能在PLC 里調節，是隨著伺服控制器的型號而定的［3］。

2.2 三相交流永磁同步伺服系統的應用

PLC 發出的脈沖信號需要和伺服電機光學編碼器反饋的脈沖信號共同送入伺服控制器，均需要通過電子齒輪變換才能進行偏差的設計。電子齒輪是一個分頻器，可以根據需要搭配分倍頻值。PLC 在進行控制時，可以不顧及機械的減速比和編碼器的脈沖數，其計算與應用也十分簡單。以本設計為例，1 圈旋轉角為360°，機械結構的傳動減速比為3∶1，編碼器反饋脈沖為2500P/R，1 指令單位定為0.1°，則旋轉一周需要360/0.1=3600 個指令，按照電子齒輪比的計算公式B/A=（編碼器脈沖數×4/負載軸旋轉1 圈的指令量）×減速比=（2500×4/3600）×3=25/3。

在細繩卷繞成型機卷繞頭的位置控制系統中，使用信捷DS2－20P7 伺服電機及驅動器，通過對PLC 的高速脈沖輸出Y000 進行編程，實現PLC每輸出3600 個脈沖，伺服電機旋轉一周，驅動卷繞頭旋轉一周。Y000 的高速脈沖作為伺服驅動器的位置指令，脈沖的數量決定了卷繞頭的旋轉位移，脈沖的頻率決定了伺服電機旋轉的速度，即卷繞頭的旋轉速度。

3 細繩卷繞成型機控制系統的軟硬件設計

3.1 系統硬件設計

本控制方案采用PLC 作為主控制單元，協調設備中各個部分的運行，實現細繩卷繞成型機的自動控制。

PLC 控制系統提供了許多專業化運動控制功能塊，如電子齒輪、電子凸輪、轉矩控制、觸發定位、鼓序列發生器、CNC 等，可以滿足各種控制需求，實現同步控制功能。即使對于遠距離的電機，PLC 控制系統也可以通過工業總線網絡通信方式實現和遠距離的電機同步調速，大大減少布線數量，提高系統穩定性。

整個自動化系統由PLC 相連接。根據需要可選擇設置上位機（操作面板），用于整個自動化系統工藝過程及運行數據的動態顯示、系統主要設備的停送電、工藝參數的設定、故障報警顯示、整個自動化系統監控、生產報表打印以及生產管理等。

由PLC 組成的細繩卷繞成型機自動控制系統用于完成各部分傳動裝置的速度設定（包括升降速曲線控制、卷繞成型控制等）、聯調以及必要的手動操作、現場工藝數據的顯示等。細繩卷繞成型機的電氣結構如圖3 所示。

圖3 細繩卷繞成型機的電氣結構圖

系統由PLC（信捷XC5）與伺服系統（DS2－20P7）等元件組合而成，具有功能強、擴展性好、模塊化的特點。

本系統所需的I/O 點數較多，輸入信號包括光電傳感器、接近開關、控制面板的按鈕，還有一些限位開關等。輸出信號包括伺服驅動和步進驅動的信號、控制面板的指示燈、氣動所需的電磁閥控制等。由于伺服驅動和步進驅動需要高速脈沖，PLC 采用晶體管輸出型，基于上述考慮，選配信捷CPU 模塊XC5－48T－E 和擴展模塊XC－E8TR，總共28 個輸入和28 個輸出［4］。

設計好電氣圖紙和加工電控柜，完成接線后，需對伺服電機進行參數設定，參數設定見表1。

3.2 系統軟件設計

細繩卷繞成型機的流程圖如圖4 所示。整個主程序由上電檢測復位、卷繞成型功能、急停報警處理以及狀態顯示等部分組成。

3.2.1 上電檢測復位子程序 系統上電之后按下復位按鈕，PLC 調用上電檢測復位子程序，目的是保證系統處于就緒狀態，如果子程序通過檢測各個傳感器，得到系統未處于就緒狀態，則該子程序啟動相應的執行機構進行復位。

3.2.2 急停報警處理子程序 當系統正在運行時，PLC 會在每個掃描周期調用該子程序。急停動作時，主控程序停止執行。PLC 也會在每個掃描周期掃描一些關鍵執行機構的報警信號，如果伺服電機或者步進電機出錯報警，則PLC 立即使主控程序停止，同時報警信號燈閃爍。

表1 伺服驅動器的參數設置表

圖4 細繩卷繞成型機的軟件設計流程圖

3.2.3 主控程序 圖4 是主控程序的軟件設計流程圖，細繩卷繞成型機會在本階段完成一系列步進順序動作。當卷繞頭和卷繞桿旋轉一定時間（使用定時器）之后，繩團生頭完成，卷繞頭和卷繞桿繼續旋轉，步進電機開始運行，它與伺服電機搭配完成繩團成型的功能。當卷繞完畢（計伺服電機運轉圈數）并且卷繞頭所停位置正確時，卸筒裝置（氣動機構）完成卸筒動作，這樣一個工序完成，如此往復，完成下一個繩團的卷繞［5］。

4 結論

經調試，該細繩卷繞成型機結構簡單、功能強大、裝備靈活、系統穩定，使用PLC 利用其內部的軟觸點來取代先前的機械觸點，大大提高了細繩卷繞成型機的自動化程度，如配合觸摸屏的使用調試和現場操作更加方便。此外，本系統又充分發揮了伺服控制系統的優勢，即控制靈活、響應迅速、定位精準等特點，滿足三閉環位置控制系統的性能要求，具有很好的應用前景。

［1］ 司徒元舜，麥敏青.紡絲成網生產線中的高性能卷繞機［J］.紡織導報，2011（12）：95－99.

［2］ 王永華.現代電氣控制及PLC 應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008：1－3.

［3］ 厲虹，楊黎明，艾紅，等. 伺服技術［M］. 北京：國防工業出版社，2008：133－136.

［4］ 徐新. 基于PLC 的智能倉儲控制系統設計［J］. 江漢大學學報：自然科學版，2010，38（3）：41－44.

［5］ 吉鳳. 基于PLC 與伺服電機控制的機械手設計方案［J］.科技資訊，2012（24）：115，141.