【導讀】可編程控制器作為控制系統(tǒng)的核心裝置，功能強大、性能穩(wěn)定可靠。代工業(yè)自動化生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。取得了理想的控制效果。背景，理論與實踐相結(jié)合，詳細闡述了集PLC技術(shù)，變頻器技術(shù)，光電感應(yīng)技術(shù)，通信技術(shù)于一體的先進控制技術(shù)在該包裝機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。論文主要內(nèi)容如下:1.概述了可編程控制器PLC的現(xiàn)狀及其在包裝機械上應(yīng)用的可能性和前景。情況，并建立了數(shù)。學模型，利用自適應(yīng)控制原理實現(xiàn)了送料過程中的張力控制。了送料過程中的同步控制。移位寄存器，使工藝盤的每一個V形槽對應(yīng)一個二進制位，通過移位寄存器的移動，Siemens公司的編程軟件Step7、軟件WinCC及。經(jīng)過我們的努力，卷紙包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計己。并且經(jīng)過了嚴格的測試，在實驗室的模擬運行中，取得了良好的控制效果。進水平，較好地實現(xiàn)了廠方提出的控制要求。關(guān)鍵詞:包裝機;PLC;張力控制;自適應(yīng)控制;同步控制;WinCC;Step7。

　　

【正文】 , PLC輸入回路、 PLC 輸出回路和繼電器回路。這樣便于將故障分散， 并且有利于調(diào)試和檢修。在 QS1 前引出的一路電源是為了給空調(diào)器和照明燈供電用，因為它們屬于附屬設(shè)備，與控制無關(guān)所以從 QSl 之前引出，以便在檢修時也不影響其正常使用。 ⒈主電機的啟動控制 主電機啟動前，主操縱離合器應(yīng)處于拉開狀態(tài)，確保主電機輕載啟動。若所有的檢測和控制條件均有效，則按下啟動 按鈕可使主電機輕載低速啟動，并在一定時間延遲后自動控制變頻器的高速運轉(zhuǎn)。若機器出現(xiàn)故障，則應(yīng)立即切斷電源，并且進行機第 ２４ 頁 共 42 頁 械制動，確保機器的安全。 ⒉變頻器的運轉(zhuǎn)控制 變頻器的運轉(zhuǎn)控制主要有運轉(zhuǎn)啟動、速度自動設(shè)定、故障報警停機故障提示和解除故障狀態(tài)。 ⒊送卷紙電機的控制 在主電機啟動后，送紙電機應(yīng)自動運轉(zhuǎn)，保證下紙道中有充足的卷紙供推紙板使用，并且要求在 JS3 傳感器 (檢測推紙板是推還是退 )的控制下有高低速自動切換功能。當主機停下來時，送卷紙電機不應(yīng)馬上停止，必須經(jīng)過一段延時后再停，否則將會出現(xiàn)下紙道短時缺紙或紙道 堵塞的現(xiàn)象，影響主電機的再次啟動。 裝料工位 1 要達到高速包裝，紙片和紙球需要快速地送到 1 工位，因此就必須考慮電機的速度響應(yīng)性。步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速 (一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn) )需要 200∽ 400 毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合 [⒃。因此我們選用交流伺服電機作為裝料機構(gòu)的執(zhí)行電機。在這個工位上，推紙空心臺推動己切好的包裝紙片，托盤推桿推動紙球同時以 相同的速度前進，當壓到紙片到位行程開關(guān)時，推紙空心板停止，當壓到托盤到位行程開關(guān)時，托盤停止。卷紙和包裝紙已進入該工位，電機帶動工藝盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時插紙板向前運動，托盤推桿和推紙空心臺退回原位。包裝紙推紙空心臺和卷紙托盤推桿要自動往返于工藝盤和地面之間以完成送料動作，其控制線 [⒂、⒄如圖 32所示。 第 ２５ 頁 共 42 頁 為了在正式工作前調(diào)整推紙空心臺和卷紙托盤推桿的位置，本線路設(shè)有操作選擇控制，由按鈕 SB2 和中間繼電器 KA 組成。若要調(diào)整他們的位置，就不能按選擇按鈕SB2，這樣 KA不得電其常開觸點斷開，電動機正反轉(zhuǎn)控 制電路只能完成點動控制。推板位置調(diào)準后，按下 SB2 使 KA 得電，其常開觸點閉合，電動機的正反轉(zhuǎn)控制電路才能實現(xiàn)連續(xù)動作。工藝盤的底部裝有行程開關(guān) SQa, SQb, SQc, SQp,包裝機底部裝有行程開關(guān) SQd,SQg(推板處在裝料位 )， 當 KT2 延時到，即在 1 工位裝料完成時， KT2 常開觸點閉合， KMd， KMr 得電并互鎖，兩電機反轉(zhuǎn)，推紙空心臺和托盤推桿同時下降，分別壓動 SQd. SQg 時 ,下降停止。當工藝盤轉(zhuǎn)到 V3 或 V7 槽時，壓動行程開關(guān) SQa, KT1 得電，當延時到，其常開觸點閉合，放紙空心臺和托 盤推桿同時上升，重復(fù)上述操作， SQp 為到工位 1 時的行程開關(guān)，延時 150 毫秒后，工藝盤轉(zhuǎn)動，同時放紙空心臺和托盤推桿下降。 SQa 為到工位 2 時的行程開關(guān) ,當?shù)竭_此處時，發(fā)出進料信號，放紙空心臺和托盤推桿上升。 夾鉗抓緊、旋轉(zhuǎn)、窩邊工位 2 第 ２６ 頁 共 42 頁 如圖 33所示，當?shù)竭_ V2 或 V6槽時，由該位的行程開關(guān)發(fā)出信號，夾鉗機構(gòu)軸向電機動作，打開氣缸電磁閥，使兩端的夾鉗機構(gòu)沿軸向運動，到限位開關(guān)時，軸向運動停止，夾鉗機構(gòu)徑向運動電磁閥打開，三個夾桿同時順著導軌徑向運動，當觸到抓緊開關(guān)時，抓緊動作結(jié)束。延時 50ms,在此時 間段中，主電機帶動該機構(gòu)軸旋轉(zhuǎn) 90度，延時結(jié)束，軸向電機繼續(xù)動作，完成窩邊動作。然后徑向電機反轉(zhuǎn)，夾緊裝置松開，同時軸向電機反轉(zhuǎn)，使夾鉗機構(gòu)退回的原位。 第 ２７ 頁 共 42 頁 卸料工位 3 當?shù)竭_此工位時，由于已越過卷紙的支撐平臺，包裝好的卷紙由于重力作用，自動落入成品庫中。 、分切部分的張力控制 卷紙包裝機有一套傳動系統(tǒng)，包括放卷，切斷，每個部分由一臺電動機帶動。從放卷到切斷，包裝紙是連續(xù)的，當機器起動時，由上位機發(fā)出命令，主速節(jié)點的電機開始轉(zhuǎn)動，同時通知其它各節(jié)點開始協(xié)調(diào) 動作，以保證各段包裝紙的線速度一致，從而使張力趨于穩(wěn)定，停機時同樣如此。在升降速過程中，主速節(jié)點必須發(fā)送升降速標志給其它各節(jié)點，使他們在控制各自張力時作出相應(yīng)的補償，這個過程要求響應(yīng)快。當某一段張力出現(xiàn)允許范圍內(nèi)的抖動時，系統(tǒng)也應(yīng)該作出上述反應(yīng)。由主速節(jié)點測量到的包裝紙線速度必須實時傳到放卷節(jié)點，當某一軸上的包裝紙即將放完時，該部分的另一軸應(yīng)該提前轉(zhuǎn)動起來，并且線速度和主速節(jié)點傳過來的速度值保持一致，這樣才能實現(xiàn)無速度差轉(zhuǎn)接，以減少廢料。機器運行過程中，一旦某個部分出現(xiàn)故障，其測控節(jié)點應(yīng)將信息立即傳往上位機 ，上位機發(fā)出急停命令使下位機各節(jié)點同時對各自電機進行直流制動。 第 ２８ 頁 共 42 頁 在分切的過程中，由于放卷輥上包裝紙的直徑越放越小，放卷機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量的變化范圍很大，采用一般的控制方法難以取得滿意的控制效果。而采取基于 PLC的自適應(yīng)控制方法則可消除系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量變化的影響，達到優(yōu)良的控制效果。 包裝紙分切機調(diào)節(jié)原理簡介 在分切時，為了使包裝紙平整、伏貼，必須使包裝紙保持一定的張力。包裝紙分切機是一種采用調(diào)節(jié)輥的張力控制系統(tǒng)。其放卷機控制系統(tǒng)原理如圖 3— 4 所示。 工作時首先根據(jù)紙厚通過上位機設(shè)定所需張力， 該張力是通過氣壓加至調(diào)節(jié)輥上而產(chǎn)生的。由于調(diào)節(jié)輥所受到的向下的力 Fg 是重力和氣壓力的合力，該力是一個恒定的力，調(diào)節(jié)輥所受到的向上的力則是包裝紙的張力 T1和 T2。因此，只要調(diào)節(jié)輥處于靜止或勻速運動狀態(tài)，包裝紙的張力就是該恒定力的一半，亦即張力亦是一個恒定的力。分切機主傳動變頻器控制主傳動電機跟隨控制面板上速度，電位器的設(shè)定值運動，放卷機變頻器及傳動電機的作用是控制包裝紙的放卷速度，使調(diào)節(jié)輥穩(wěn)定在平衡點附近，以間接地控制張力。調(diào)節(jié)輥的位置通過電位器檢出后送 PLC，放卷輥的直徑通過超聲波測距儀檢出后送 PLC。 PLC 內(nèi)部根據(jù)分切機主傳動的速度、調(diào)節(jié)輥的位置、以及放卷輥的直徑等數(shù)據(jù)，經(jīng)運算得到并輸出放卷機變頻器的給定頻率，控制放卷機的運行。使其線速度與分切機的線速度同步。從而使調(diào)節(jié)輥保持在中間位置。 第 ２９ 頁 共 42 頁 放卷部分 放卷部分恒張力控制的變化是由于原卷材半徑的變化，造成放卷電機轉(zhuǎn)矩的變化，根據(jù)放卷半徑的檢測方法⒅，以放卷筒為研究對象，根據(jù)圖 35 受力關(guān)系，建動態(tài)力矩平衡方程 : 第 ３０ 頁 共 42 頁 張力控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 1)基本控制思想 由于帶膜放卷輥的直徑變化范圍很大，放卷輥的轉(zhuǎn)動慣量變化范圍很大，亦即控制對象的參 數(shù)變化范圍很大，若控制器采用定參數(shù)的 PID 調(diào)節(jié)方法必定得不到滿意的控制效果。因此系統(tǒng)中采用了自適應(yīng)控制原理。 自適應(yīng)控制是隨著計算機的發(fā)展和普及而發(fā)展起來的一種新型自動控制技術(shù)。其控制作用是基于一定的數(shù)學模型和一定的性能指標綜合出來的，采用的是“預(yù)測一辨識一控制”的方法，通過辨識 (包括對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、性能指標等的辨識 )而獲得自適應(yīng)能力。一個典型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖 36所示，與一般反饋控制系統(tǒng)的區(qū)別第 ３１ 頁 共 42 頁 在于增加了參考模型和自適應(yīng)控制器⒆，因此增加了幾個參數(shù)。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，一般反饋控制作用和自適應(yīng)控制 作用同時存在。當信號 e(t)進入自適應(yīng)控制回路后，經(jīng)運算產(chǎn)生適當?shù)恼{(diào)整作用，直接改變控制器的參數(shù)，從而使系統(tǒng)的輸出 y (t)逐步與模型輸出 Ym(t)接近，直到 y(t)=Ym (t)即偏差信號 e(t)=0，自適應(yīng)調(diào)整過程就自動停止，控制器參數(shù)也就自動整定完畢⒇。 在張力控制系統(tǒng)中利用自適應(yīng)控制，使變頻器工作在轉(zhuǎn)速開環(huán)的方式下，此時變頻器及電機的傳遞函數(shù)可近似為一個慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)。其中積分系數(shù)與放卷輥的轉(zhuǎn)動慣量成正比。而放卷輥的轉(zhuǎn)動慣量與其直徑的平方成正比。通過將轉(zhuǎn)速實際值反饋給 PLC，經(jīng) PLC 形成轉(zhuǎn)速 閉環(huán)，并通過檢測放卷輥的直徑，在轉(zhuǎn)速環(huán)前向通道中設(shè)置 1 個與放卷輥直徑的平方成正比的比例系數(shù) D，可以抵消其轉(zhuǎn)動慣量的變化所產(chǎn)生的影響，從而保證轉(zhuǎn)速環(huán)在放卷輥直徑變化時始終具有優(yōu)良的動態(tài)性能。從而確保分切機工作時包裝紙張力的穩(wěn)定。放卷機的調(diào)節(jié)原理方框圖見圖 3一 7[21]。圖中 : 2)控制系統(tǒng)硬件配置 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖見圖 38。 第 ３２ 頁 共 42 頁 其中 PLC 系統(tǒng)使用西門子公司的 S7300 可編程序控制器，主要模塊有CPU315DP，通訊模塊 CP3425, IM360, IM361 擴展模塊等。 CPU315DP 用于要求中到大規(guī)模的程序和通過 profibusDP進行分布式配置的設(shè)備，具有能進行浮點處理的STEP7 處理器和用于接口通訊的微控制器，可直接與編程器連接。 CPU315DP 使用STEP7 編程語言，最短的指令執(zhí)行時間為 ，最長的除法操作指令執(zhí)行時間為。定時控制程序調(diào)用間隔為 lms 到 lmin，性能上滿足對分切機有關(guān)傳動電機進行實時轉(zhuǎn)速控制的要求。 CP3425是通信處理器，可通過 profibus簡單進行配置和編程，支持 profibusDP, S7等通訊協(xié)議。 CP3425能全自 動地處理與它相連接的設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，以及編輯和緩沖數(shù)據(jù)，用于 SIEMENS S7300 可編程序控制器和 profibusDP 主 /從接口模板 .作為主設(shè)備接口模板時，可鏈接多達 125 個從站。從站可以是 ET200M 分布式 I/0設(shè)備，其通訊模塊為 profibusDP 有接口的現(xiàn)場設(shè)備，通過 profibusDP總線的數(shù)據(jù)傳送率可達 12Mbit/so CP5611 網(wǎng)卡是將 PLC 的 MPI 口和上位機連接，以進行程序的下載調(diào)試及變量傳輸。 ProfibusDP(Distributive Peripheral，分布式外設(shè) )是 profibus 的重要組成部分。 prof ibusDP 由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及用戶層構(gòu)成。主要應(yīng)用于現(xiàn)場級 .是一種高速 (可達 12Mbit/s)和便宜的通信連接，它被設(shè)計為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散的 I/o 之間進行通信使用，可滿足全數(shù)字交直流調(diào)速系統(tǒng)對于電機快速的時間響應(yīng)要求。 CBl 通訊板，是用于 SIMOVERT Master Drives 的 profibusDP 總線接口， CBl第 ３３ 頁 共 42 頁 通過雙口 RAM 與變頻器內(nèi)閉環(huán)控制電子板 CU2 接口 .變頻器可通過 CBl 通訊板接人profibusDP網(wǎng)中 作為從站接收主站 SIMATIC S7 的控制。 6SE70 型矢量變頻器配置 CB1 板后可與 profibvsDP 總線接口，變頻器之間傳送速度給定與狀態(tài)等。與電機同軸的光電編碼器的輸出脈沖信號通過 CU2 板送變頻器 .調(diào)節(jié)輥的位置信號和放卷輥的直徑信號等經(jīng)分布式 I/0 模塊 profibusDP總線傳送給 PLC. ET204M 是分布式 I/0 組件，帶有集成的 profibusDP 現(xiàn)場總線接口。能夠快速、方便地連接到 profibusDP現(xiàn)場總線。 ET200M 帶有集成 I/0，除開關(guān)量信號以外，還可以采集和 傳輸模擬信號。 3)變頻器參數(shù)的設(shè)置 分切機放卷機驅(qū)動用變頻器是 6SE70 型矢量變頻器。由于放卷機電機在正常運行時處于發(fā)電制動狀態(tài)，故采用直流母線供電，這樣可以使電能回饋到母線。經(jīng)濟性較好，且可保證放卷機快速地升降速，提高動態(tài)響應(yīng)性能，而直流側(cè)不會過電壓。本系統(tǒng)中放卷機變頻器的使用特點是 V/f轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，但通過光電編碼器采集電機的實際轉(zhuǎn)速值，變頻器通過 CB1板經(jīng) profibusDP總線接收 PLC 的“控制字”命令和轉(zhuǎn)速設(shè)定值，或向 PLC發(fā)送“狀態(tài)字”和轉(zhuǎn)速實際值。為滿足該要求，變頻器有關(guān)參數(shù)設(shè)置 [23]如下。 P163=1。 V/f 轉(zhuǎn)速開環(huán)控制 P208=1。用光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)速 P090 =1。 CBl 通訊板位于槽 2 P443=3002。主設(shè)定值位于 CB1 板字 2 P443=0。附加設(shè)定位 1為 0 P438 = 0。附加設(shè)定位 2為 0 P554 =3001。開 /關(guān) 1 控制位于 CB1 板字 1 P697=4。 CB1 板通訊采用 PP04 格式，過程數(shù)據(jù)長度為 6字節(jié) P694 i001=9686。狀態(tài)字 1為 CBl 板字 1(狀態(tài)字 ) i 002=219。定子頻率 1/s 除以極對數(shù)之值為 CBl 板字 2(實際測量值 ) 以上自適應(yīng)控制方法在變轉(zhuǎn)動慣量的張力控制系統(tǒng)中取得了良好的控制效果，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。該控制思想也可應(yīng)用到控制對象的參數(shù)可以直 /間接測量的其它控制系統(tǒng)中。 在高速全自動包裝機運作的過程中，產(chǎn)品的供送和包裝材料的供送均是連續(xù)進行的，而且它們分別受到許多因素的影響，如 :生產(chǎn)中速度的變化、包裝材料第 ３４ 頁 共 42 頁 的張力和拉伸率不均勻等，因此這兩個系統(tǒng)相互之間有一個需要