基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統的設計及應用研究

楊冬偉

摘 要：本文將圍繞雙刀切紙機運行原理進行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統的設計方法以及應用路徑，以此將設備運行誤差控制在0.5mm以內，實現加工產品質量的進一步提升。

關鍵詞：雙刀切紙機;電氣控制系統;伺服控制

引言

伺服控制是指對物體運動位置、速度等變化量進行有效把控，能夠進一步提高控制精確度，滿足我國高標準加工需要，將其運用在雙刀切紙機電氣控制系統中，不僅可以提高生產效率，還能簡化操作流程，降低產品誤差。為了確保后續提出的設計方法更具有針對性與實用性，首先要對雙刀切紙機的運行原理進行深入了解。

一、雙刀切紙機運行原理

雙刀切紙機是指紙張的二次加工裝置，能夠將卷曲后的卷筒紙進行剪切加工，使其滿足平常紙的規格要求，該設備具有兩組送紙輥裝置以及切刀輥裝置，能夠利用雙重固定轉刀以及送紙、切紙裝置，實現周期性運動。并且切紙機的生產能力極強，機械組成相對簡單，可以通過縱切結構，對紙幅進行縱向分切，并將分切后的紙張分別送入1、2號切紙輥，再由送紙輥電機將其進行不同規格的裁切，最終送入接紙臺，實現整理與打包。

以某地方城市造紙企業所采用的切紙機設備作為分析對象，該裝置的數據參數如下：最高車速在110m/min左右，幅寬在2400mm，退卷裝置能夠一次放置6卷原紙卷，送紙輥直徑為500mm，切紙輥直徑為400mm，而減速器的減速比為19.2，切長要求為700mm～1300mm，誤差率大約在0.4mm左右[1]。

二、基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統的設計及應用分析

1.確定控制方案

根據上述雙刀切紙機的工作原理可知，切紙機在運行狀態下送紙輥需要由電機進行驅動，能夠完成連續送紙并旋轉切紙，切刀輥每旋轉一周便可完成一次切割，且每次切紙的長度與送紙輥的轉速有關，因此可得出二者的存在關系公式為：

V=L·n/1000，其中V代表送紙速度，單位為m/min，n代表刀輥轉速，單位為r/min，L代表切紙長度，單位為mm。當切紙長度得到預先設定后，便可判斷n與V呈線性關系，此時需設定不同切紙長度得到不同的比例系數，反之，只要做好比例系數的控制，那么便可獲取不同的切紙長度。為了達到此類控制效果，需要借助伺服系統穩定性優良、準確性高的優勢，實現基于伺服控制系統的雙刀切紙機電氣控制系統的設計，利用伺服驅動器與電機對切紙機進行伺服控制，利用變頻器以及交流電機對切紙輥進行速度把控。此時只要將紙張以線速度送入切紙輥的伺服系統中，使其作為主輥速度，便可充分發揮伺服系統動作響應快、穩定性好等優勢，切實滿足切紙機控制工藝需要[2]。

2.硬件設計

為了確保雙刀切紙機能夠進一步提高控制精度，需要在電氣控制系統中采用可編輯邏輯控制器作為控制單元，將變頻裝置作為1號送紙輥以及2號送紙輥的驅動單元，將伺服驅動器作為1號切紙輥與2號切紙輥的驅動單元，并采用交流伺服電機提供電源，將觸摸屏作為人機界面，此時操作人員便可通過通信協議與變頻器完成通信，并利用MOD通信協議與切紙輥驅動器實現數據傳輸。

PLC控制器主要負責完成外部電機啟動信號的輸入，同時也能完成張力投入確認信號、切刀聯動信號、電機狀態信號的傳輸，因為可編輯邏輯控制器與送紙輥變頻器均采用USS通信，與伺服驅動器則采用MOD通信協議，所以驅動單元的速度給定以及速度反饋等數據可以利用總線通信的形式進行控制。

在送紙輥方面需要利用變頻器實現驅動處理，而送紙輥電動機則要采用三相交流電動機，由于送紙輥本身允許一定程度的速度波動以及數據偏差，因此利用速度控制可以切實滿足應用需要。此外，系統需要通過切長計算以及切長誤差反饋，完成進程標識符的計算以及處理，能夠在跟隨送紙輥速度的前提條件下，實現誤差補償值的輸出，以此達到控制切紙輥降低誤差的目的，同時變頻器可以利用USS實現與可編輯邏輯控制器的通信，而送紙輥上的編碼器可以將檢測到的速度數據傳遞到變頻器模塊中實現速度的反饋，進而形成速度閉環控制。

而在切紙輥驅動器方面則采用了伺服驅動器，功率設置在11KW左右，該驅動器需配置多路數字量輸入以及多路數字量輸出，可以實現脈沖信號、編碼器反饋信號的輸入，也能利用通信端子支持通信協議。至于交流伺服電動機則需配備高精度增量型編碼器，要求設備輸出端與驅動器輸入端連接，形成閉環控制，以此保證伺服電機可以實現精確運行，確保編碼器具備極強的抗干擾性以及可靠性。

3.軟件設計

可編輯邏輯控制器屬于雙切刀伺服系統的核心組成，電氣控制系統可采用CPU226PLC控制器，編程工具則使用WIN。系統編程語言為梯形圖，可以利用模塊化完成子程序功能的設計。比如送紙輥控制程序、伺服驅動器控制程序、通訊程序、輔助功能程序等。其中1號送紙輥程序需要借助安裝在導輥編碼器上的方式，實現伺服速度的測定與采集，而編碼器則可以收集紙幅線速度信號，之后通過送紙輥變頻器端口借助通信協議傳遞到可編輯邏輯控制器當中，再將反饋的轉速數據進行一系列計算，從而獲取紙幅的實際線速度。同時PLC還能夠將線速度數據通過送紙輥完成既定值的比較，從而找出可能存在的偏差，再通過PID實現修正給定值的輸出，借助USS通信協議將速度給定值賦予到變頻器當中，從而達到控制送紙輥轉速的目的，形成閉環控制。而操作人員也可以利用人機界面進行送紙輥給定數據的調節與修正。

伺服驅動器的控制系統能夠完成設備的啟動與停止，可以依照伺服驅動器的工作特點完成程序編寫，能在延時一秒之后以及暫停凸輪功能6秒時使伺服電機拖動切紙輥找尋切點，并在暫停時間之后啟動凸輪功能，開始切割作業。具體的切紙輥控制流程為：驅動器啟動→伺服使能延時一秒→原點回歸→凸輪運行→停機。

在切長設定系統中，PLC控制器能夠與人機界面完成通信傳輸，在操作過程中，技術人員可利用人機界面實現切刀輥的切入寫入，將切長存放在可編輯邏輯控制程序中，利用MOD通信協議與伺服驅動器實現數據傳輸，將切長寫入到驅動器參數中，具體的切長設定程序流程可分為：控制器啟動→參數初始化→從觸摸屏寫入切長→判斷切長變化→寫入驅動器參數→停機。

4.控制調試

伺服驅動器需要采用位置控制模式實現伺服電機的操作，在調試時要對相關參數進行設置，確保設備自帶的程序軟件能夠實現驅動器輸出波形的查看，利用位置調節方法以及速度環參數的控制，實現系統的穩定運行，降低切長誤差。若切長誤差數值最小，則證明系統處在最佳運行狀態，可停止參數調節。而啟動器的位置控制模塊需要采用比例控制法，即在位置環上設定比例參數。而對速度控制單元則主要利用積分控制法，即設置PID比例參數，由于速度環的響應性能遠高于位置環，因此為了確保系統能夠快速響應，減少滯后現象，需要在調節速度環參數后，才可調節位置環的比例參數，具體的驅動器參數設置為：控制模式，設定值為1-位置模式;DI1邏輯選擇，設定值為0-低電平有效;DI4功能，設定值為32-原點回歸使能;橫切功能原則，設定值為1-飛剪;訂單1剪切長度，設定值需要依照現場總線通信進行設定。

三、結語

綜上所述，通過對雙刀切割機的運行原理進行分析討論，提出基于伺服控制的雙刀切紙機電氣控制系統軟件、硬件的設計方法以及具體的應用路徑，以此保證系統的平穩運行，提高加工質量，滿足用戶多元化的應用需求。

參考文獻：

[1]李天利.雙刀切紙機的負荷分配[J].中國造紙，2020，34（11）：45-47.

[2]孫振強.雙刀切紙機傳動系統的改進[J].湖南造紙，2020（04）：31.