全自動(dòng)恒張力橡膠止水條收卷機(jī)的研究

于志宏

（衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 衡水053000）

河北省衡水市是供應(yīng)全國橡膠制品的最大聚集地之一，且橡膠止水條的需求量最大。經(jīng)調(diào)研，在橡膠止水條的實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)槠胀ㄊ站頇C(jī)不具有自動(dòng)調(diào)整收卷張力的功能，所以為了保證橡膠止水條的質(zhì)量，在止水條由擠出機(jī)擠出后，通常采用人工收卷的方法，但此種收卷方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)致降低了生產(chǎn)效率。止水條收卷還存在一個(gè)問題，即止水條由擠出機(jī)擠出后，因?yàn)橹顾畮囟容^高，直接收卷會(huì)導(dǎo)致止水條沾在一起，所以一般做法是將止水條在常溫下晾一段時(shí)間，待溫度降低后再收卷打包，但此種做法造成止水條在常溫降溫時(shí)，占地面積大、耗時(shí)較長。因此有必要研究一種具有降溫功能、恒張力自動(dòng)收卷的止水條收卷機(jī)。

1 收卷機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

止水條收卷機(jī)的張力控制系統(tǒng)本身是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)一般由傳感器、控制器、執(zhí)行器等部分組成。控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，在控制器選擇方面，主要有單片機(jī)、微處理器DSP 或者可編程控制器PLC 等。執(zhí)行器主要用于輸出速度或者轉(zhuǎn)矩，可以利用交直流電機(jī)或磁粉制動(dòng)器等實(shí)現(xiàn)，其中，直流電機(jī)與磁粉制動(dòng)器均存在使用壽命短、價(jià)格較昂貴等缺點(diǎn)，故通常選用交流電機(jī)。傳感器主要用來檢測收卷張力等，有的利用浮動(dòng)輥完成，有的采用張力傳感器完成，兩者相比較，張力傳感器的測量精度較高。

目前較為精確的控制系統(tǒng)通常由控制器件、伺服電機(jī)、各種傳感器等組成，止水條收卷控制系統(tǒng)的要求是在保持止水條收卷張力恒定的情況下，完成高效、高質(zhì)收卷，避免在收卷過程中產(chǎn)生止水條張力的變化。止水條收卷機(jī)的簡要機(jī)構(gòu)圖如圖1所示，最右側(cè)是止水條放卷輥，其通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使止水條向左運(yùn)動(dòng)；緊接著是兩個(gè)無動(dòng)力的隨動(dòng)輥，其中間是止水條冷卻區(qū)，可以采用水降溫或降溫輥降溫的方式；然后是用來測量止水條張力的張力傳感器和測量收卷速度的旋轉(zhuǎn)編碼器，也由無動(dòng)力隨動(dòng)輥帶動(dòng)；最左側(cè)是收卷輥，其通過電機(jī)不斷地旋轉(zhuǎn)將止水條卷到輥上。以上各部分功能的互相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的高效率，安全生產(chǎn)。

2 收卷機(jī)的硬件分析

收卷機(jī)的控制器選擇西門子S7-300 系列CPU315T 型號(hào)的PLC。該控制器可以實(shí)現(xiàn)高速工藝功能的控制，可以支持Profinet、Profibus-dp、MPI 等多種通信方式，多用于齒輪同步、凸輪、同步控制等。

圖1 止水條收卷機(jī)的簡要機(jī)構(gòu)圖

變頻器選用S120 型號(hào)，具有轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等運(yùn)動(dòng)控制功能。在該系統(tǒng)中，S120 支持Profibus-dp 的協(xié)議通信方式，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)伺服電機(jī)同時(shí)工作。

止水條收卷速度的測量由電機(jī)軸上安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器完成。當(dāng)收卷機(jī)開始收卷時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，則編碼器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號(hào)，并將其反饋給PLC，該信號(hào)頻率越高，說明止水條收卷速度越快。該系統(tǒng)選用的是分辨率為1024PPR 的旋轉(zhuǎn)編碼器，即編碼器隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，則對應(yīng)輸出1024 個(gè)脈沖，可以精確地測量止水條的收卷速度。

IM174 接口模塊作為dp 從站，與PLC 通過Profidrive 協(xié)議進(jìn)行通信，可以控制步進(jìn)電機(jī)，也可以外接編碼器，可實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)編碼器測量的止水條收卷速度信號(hào)反饋到PLC 中。

該系統(tǒng)選用懸臂式張力傳感器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，張力傳感器比其它張力測量儀器更適用于控制系統(tǒng)，其具有輸出特性佳以及響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)精確地檢測各種材料的收卷張力，廣泛應(yīng)用于各種收卷控制設(shè)備中。張力測量范圍應(yīng)在0 至150N 之間，輸出電壓在0 至10V 之間，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為0 至5V 電壓后，接至PLC 的模擬輸入端口。

該系統(tǒng)選用西門子系列額定轉(zhuǎn)速為6000rpm 的伺服電機(jī)。伺服電機(jī)具有反應(yīng)靈敏、輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。可以選用具備內(nèi)置旋轉(zhuǎn)編碼器的伺服電機(jī)，用于提供電機(jī)速度信號(hào)。伺服電機(jī)連接減速器，用于進(jìn)一步增大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

在該系統(tǒng)中，PLC 與S120 變頻器之間通過Profibus-dp 協(xié)議通信，旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC 之間通過Profibus-dp（drive）協(xié)議通信方式將編碼器測量的速度信號(hào)送至PLC 接口模塊IM174，組態(tài)編程電腦與人機(jī)交互觸摸屏、PLC 通過以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)通信。

3 收卷張力的控制方式

圖2 止水條收卷速度PID 設(shè)計(jì)原理圖

圖3 止水條收卷張力PID 設(shè)計(jì)原理圖

一般情況下收卷張力的控制方式可分為兩種,即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。其中，閉環(huán)控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，因此，本研究選用閉環(huán)控制方案。

利用伺服電機(jī)工作模式實(shí)現(xiàn)恒張力的控制方法通常有兩種：一種控制方法是將伺服電機(jī)調(diào)到速度運(yùn)行工作模式，張力傳感器輸出端接至PLC 模擬輸入端，即將張力傳感器測量的張力信號(hào)反饋控制器輸入端。PLC 程序?qū)懭氡容^指令，即將張力反饋值與系統(tǒng)給定值作比較，PLC 根據(jù)比較結(jié)果控制收放卷輥的電機(jī)速度，以此實(shí)現(xiàn)收卷張力保持恒定值。一般地，變頻器也可以實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的此種工作模式，具備成本小、控制簡單質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，但存在不易解決因速度變化而引起系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，即容易引發(fā)系統(tǒng)震蕩現(xiàn)象。另外一種控制方法是將伺服電機(jī)工作模式調(diào)至轉(zhuǎn)矩運(yùn)行模式，這是伺服電機(jī)的一種特殊工作模式。該模式下，電機(jī)將輸出恒定轉(zhuǎn)矩，即通過伺服電機(jī)輸出與止水條收卷張力對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，以此保證收卷張力的恒定，此種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足系統(tǒng)對張力控制要求高的場合。

4 收卷速度PID 控制

經(jīng)分析，雖然止水條的收卷張力變化對收卷的速度基本沒有影響，但是收卷速度的變化卻在很大程度上影響著收卷張力，因此可以用放卷輥控制收卷速度，而收卷輥則輸出轉(zhuǎn)矩用于控制收卷張力。止水條收卷速度的PID 設(shè)計(jì)原理圖如圖2 所示，即通過控制電機(jī)速度來實(shí)現(xiàn)控制收卷速度的目的。

在該系統(tǒng)中，將西門子變頻器S120 調(diào)至矢量控制運(yùn)行方式，可以高效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制，無需再次開發(fā)。可以通過旋轉(zhuǎn)編碼器檢測收卷的實(shí)際速度，通過控制器程序?qū)⑹站韺?shí)際速度與設(shè)定速度相比較得出差值，再經(jīng)PID 控制器輸出，轉(zhuǎn)換為電機(jī)的速度設(shè)定值，然后變頻器S120 通過其矢量控制運(yùn)行方式控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)此速度設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)收卷速度的控制。

5 收卷張力PID 控制

止水條的收卷張力由收卷輥電機(jī)控制，其控制原理與上述收卷速度PID 控制器相似。由前述可知，本研究采用電機(jī)轉(zhuǎn)矩運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)恒張力控制。因?yàn)殡姍C(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值與電機(jī)電流值成正向比例關(guān)系，所以通過對矢量控制電流環(huán)的電流設(shè)定值進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制。止水條收卷張力PID 設(shè)計(jì)原理圖如圖3 所示，電流環(huán)的限幅值由收卷張力PID 控制器來控制。當(dāng)止水條卷徑比較小時(shí)，此時(shí)收卷張力也較小，PID 控制器的輸出值越大，則電流限幅值也越大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也隨之增大，收卷張力也相對增大。反之亦然，以此實(shí)現(xiàn)收卷張力值的恒定。圖中的智能電纜DRIVE-CLIQ用于檢測電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值。

6 收卷系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

將PID 算法轉(zhuǎn)換為程序?qū)懭隤LC 中，模仿橡膠止水條實(shí)際生產(chǎn)中的收卷過程，隨著止水條卷徑的增大，觀測止水條張力的變化。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)收卷張力波動(dòng)現(xiàn)象相對較小，波動(dòng)范圍在5%以內(nèi)，滿足生產(chǎn)需求。同時(shí)在系統(tǒng)的升速和降速階段時(shí)，張力值變化也較小，從而說明PID 控制方法可以滿足基本的生產(chǎn)需求，在收卷張力控制系統(tǒng)中具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。