全自動恒張力橡膠止水條收卷機的研究

于志宏

（衡水職業(yè)技術(shù)學院，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，在橡膠止水條的實際生產(chǎn)過程中，因為普通收卷機不具有自動調(diào)整收卷張力的功能，所以為了保證橡膠止水條的質(zhì)量，在止水條由擠出機擠出后，通常采用人工收卷的方法，但此種收卷方法費時費力，導致降低了生產(chǎn)效率。止水條收卷還存在一個問題，即止水條由擠出機擠出后，因為止水帶溫度較高，直接收卷會導致止水條沾在一起，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，占地面積大、耗時較長。因此有必要研究一種具有降溫功能、恒張力自動收卷的止水條收卷機。

1 收卷機的機構(gòu)設(shè)計

止水條收卷機的張力控制系統(tǒng)本身是一個較為復(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。控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，在控制器選擇方面，主要有單片機、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或磁粉制動器等實現(xiàn)，其中，直流電機與磁粉制動器均存在使用壽命短、價格較昂貴等缺點，故通常選用交流電機。傳感器主要用來檢測收卷張力等，有的利用浮動輥完成，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、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。止水條收卷機的簡要機構(gòu)圖如圖1所示，最右側(cè)是止水條放卷輥，其通過電機的旋轉(zhuǎn)使止水條向左運動；緊接著是兩個無動力的隨動輥，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，也由無動力隨動輥帶動；最左側(cè)是收卷輥，其通過電機不斷地旋轉(zhuǎn)將止水條卷到輥上。以上各部分功能的互相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)整機的高效率，安全生產(chǎn)。

2 收卷機的硬件分析

收卷機的控制器選擇西門子S7-300 系列CPU315T 型號的PLC。該控制器可以實現(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 止水條收卷機的簡要機構(gòu)圖

變頻器選用S120 型號，具有轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等運動控制功能。在該系統(tǒng)中，S120 支持Profibus-dp 的協(xié)議通信方式，可以實現(xiàn)多臺伺服電機同時工作。

止水條收卷速度的測量由電機軸上安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器完成。當收卷機開始收卷時，電機帶動旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動，則編碼器輸出與電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的脈沖信號，并將其反饋給PLC，該信號頻率越高，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，即編碼器隨著電機旋轉(zhuǎn)一周，則對應(yīng)輸出1024 個脈沖，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)議進行通信，可以控制步進電機，也可以外接編碼器，可實現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)編碼器測量的止水條收卷速度信號反饋到PLC 中。

該系統(tǒng)選用懸臂式張力傳感器。經(jīng)實驗表明，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，可以實現(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。伺服電機具有反應(yīng)靈敏、輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)動慣量小等特點，廣泛應(yīng)用于各種運動控制系統(tǒng)中?？梢赃x用具備內(nèi)置旋轉(zhuǎn)編碼器的伺服電機，用于提供電機速度信號。伺服電機連接減速器，用于進一步增大電機輸出轉(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送至PLC 接口模塊IM174，組態(tài)編程電腦與人機交互觸摸屏、PLC 通過以太網(wǎng)方式實現(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)計原理圖

圖3 止水條收卷張力PID 設(shè)計原理圖

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。

利用伺服電機工作模式實現(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調(diào)到速度運行工作模式，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速度，以此實現(xiàn)收卷張力保持恒定值。一般地，變頻器也可以實現(xiàn)伺服電機的此種工作模式，具備成本小、控制簡單質(zhì)等優(yōu)點，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工作模式調(diào)至轉(zhuǎn)矩運行模式，這是伺服電機的一種特殊工作模式。該模式下，電機將輸出恒定轉(zhuǎn)矩，即通過伺服電機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)計原理圖如圖2 所示，即通過控制電機速度來實現(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)至矢量控制運行方式，可以高效地實現(xiàn)電機的速度控制，無需再次開發(fā)?？梢酝ㄟ^旋轉(zhuǎn)編碼器檢測收卷的實際速度，通過控制器程序?qū)⑹站韺嶋H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)換為電機的速度設(shè)定值，然后變頻器S120 通過其矢量控制運行方式控制電機實現(xiàn)此速度設(shè)定值，從而實現(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，本研究采用電機轉(zhuǎn)矩運行模式實現(xiàn)恒張力控制。因為電機的輸出轉(zhuǎn)矩值與電機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)定值進行控制來實現(xiàn)對電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制。止水條收卷張力PID 設(shè)計原理圖如圖3 所示，電流環(huán)的限幅值由收卷張力PID 控制器來控制。當止水條卷徑比較小時，此時收卷張力也較小，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用于檢測電機的輸出轉(zhuǎn)矩值。

6 收卷系統(tǒng)仿真實驗及結(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。實驗表明，系統(tǒng)穩(wěn)定時收卷張力波動現(xiàn)象相對較小，波動范圍在5%以內(nèi)，滿足生產(chǎn)需求。同時在系統(tǒng)的升速和降速階段時，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)用價值。