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1、江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 基于plc控制的复贴机电控张力控制系统设计江苏工程职业技术学院2015届毕业设计（论文）基于plc复贴机电控张力控制系统设计 X X X 班 级 12机电三 专 业 机电一体化 教 学 系 机电工程学院 指导老师 师阳 完成时间 年 月 日至 年 月 日摘要复贴机是一种新型的纺织机械。是具有生产特殊功能纺织品的专用设备，特殊功能纺织品就是在布料上复贴具有各种功能的高科技薄膜。不过张力的控制对复贴面料的质量有深厚的影响，张力应该是面料不产生飘动。张力可以纺织织物在复贴的过程中起皱。但是如果使用的张力过大和过小都会影响复合面料的质量，所以可以看出张力控制是复贴
2、机控制中的重点和难点。关键词：纺织机械，特殊功能，复贴1多功能复贴机的基本情况1.1复贴机电控张力控制系统的主要结构及组成首先给出复贴机的整体结构图，结构简图如图1-1所示。复贴机系统主要由放卷装置，送膜装置，喷涂装置，热压装置，送压装置，收卷装置以及纠偏装置构成。接下来的内容将围绕各部分的构成，详细介绍各组成部分的主要工作原理。图1-1 复贴机结构简图1.2放卷单元和送膜单元系统的放卷单元由放卷装置和放膜装置两部分组成，结构如图1-2所示。随着放卷卷径的减小，面料张力逐渐增大，如果不加调节，过大的张力可能拉断面料。所以，经过检测摆杆角度转变来衡量张力，把测量的摆杆角度值反应给控制器，通过控制
3、磁粉制动器的输入电压，以保持放卷面料的张力值在设定值的左右，使面料质量满足要求。为了防止面料或薄膜跑偏，在放卷部分装设纠偏置。 图1-2 放卷单元结构简图1.3喷涂单元喷涂单元的结构如图1-3所示。其主要作用是用胶完成对面料表面的喷涂，使面料表面增加一层均匀的胶膜；其工作过程是，由供胶泵供应的液体胶从喷枪喷出，形成雾化状的胶，粘在面料上。喷枪喷涂胶的过程中，要求每个部位的喷胶量，喷胶形状，喷胶位置稳定，不能间断喷胶，维持面料表面胶的厚度均匀一致。为此，无杆汽缸带动的喷头应当该独立稳定，同时工作协调一致，才有可能降低废品率，提高产品质量。图1-3 喷涂单元结构简图1.4热压单元热压单元的结构如图
4、1-4所示。其主要作用是将喷涂到面料上的黏合剂烘干，使黏合剂和基本黏合得更加牢固。由于胶片中含有大量的水分，因此涂胶后的面料含有大量水分，如果自然冷却，势必延长粘帖时间。为了提高粘帖的紧密性和减少粘帖时间，使用热压单元对经过喷胶处理的基布烘干处理，粘帖了黏合剂的基布经过热压单元的高温干燥之后，基布和黏合剂之间的复贴效果得以提高。此外，热压单元还设置有热风循环系统和排潮装置，干燥的热风输入到风道，均匀地吹向布面，加速溶胶所含水分蒸发，从而提高了面料的粘帖效果，加速了面料的水分蒸发。图1-4 热压单元结构简图1.5送压单元为了使面料与薄膜黏合得更加牢固，经过烘干处理的复合面料在压辊的作用下黏合效果
5、更加密实；送压单元的主要部件是一个压辊，在汽缸驱动下，压辊压力得到提升，以适应不同涂层工艺的要求。1.6收卷单元在制作一些轻，薄，软的材料时，由于这些材料强度很低，弹性很大，为防止拉伸过程中被损坏，常用主动收卷。收卷单元设置张力传感器检测面料的张力，并反馈给控制器。此外，由于被复贴面料的张力变化，摆杆的摆动也将发生变化，利用角位移传感器测量摆动的角度，变为电压信号，输入到控制器，控制器再输出指令信号控制变频器，通过变频器调整电动机转速，改变收卷时的收卷张力。收卷单元机械结构如图1-5 收卷单元结构简图1.7纠偏单元面料在传递过程中，经历放卷单元，喷涂单元，热压单元，送压单元，收卷单元，机构较多
6、，由于导辊长期运动中被磨成锥形，几何形状不对称，导不轴轴向不平行，由于面料在复贴过程中受到的张力不均，复贴面料容易在加工过程中跑偏。所以，需要特殊的装置对面料进行纠偏，使面料张力均匀。一种纠偏方法是，使用一对超声波放置在面料的两侧，当面料跑偏时，由于面料挡住了一端超声波信号传递，所以超声波检测头的另一端接受不到信号，光电检测头将信号的变化送给plc，经过plc运算处理，输出控制信号来控制电动机转动带动滚珠丝杠修正，最终实现织物边缘两侧的定位。2 张力控制原理分析复贴机张力控制由放卷部分，送膜部分，总体控制部分，检测部分和辅助装置部分组成。张力控制是控制复贴面料在控制过程中保持张力的恒定，最后提
7、高复贴织物的质量张力控制系统结构的简图如图1-6所示，收卷机构控制系统的基本要求是保持复合面料的张力恒定。根据胡可定律，压辊与卷绕辊两个传动点之间的加工物长度为L，压辊前后两侧的线速度分别为v1，v0，加工物的弹性模量为 E=F/S*L/L式中：F-加工物的张力 S-加工物的截面积 L=（v1-v0）dt-弹性伸长量图2-1 收卷机张力控制系统结构简图2.1 张力控制系统的驱动形式张力控制系统的驱动是整个控制系统的重要组成部分，执行控制器的控制信号；表面驱动是依靠驱动辊或皮带与面料之间的摩擦，使用驱动辊或皮带带动复贴面料产生驱动力，这种驱动方式结构简单，复贴面料的线速度和张力不随卷绕辊的变化而
8、变化，同时在传动过程中，驱动辊或皮带对面料产生正压力和摩擦力，不适于面料的卷绕加工。中心驱动使用磁粉制动器产生阻力，施加于放卷辊上，而收卷张力控制系统的交流电动机产生收卷张力。2.2收卷、放膜，放卷张力控制本控制系统中，使用链轮连接交流变频调速电动机的轴与收卷辊，交流变频调速电动机的旋转带动收卷辊的转动。张力控制系统张力给定值首先通过汽缸设定系统，汽缸设定系统中，电气比例阀受过滤器，精密调压阀及计算机的控制。空气经过电气比例阀到达汽缸，汽缸输出拉力带动摆杆转动，在收卷辊和摆杆共同作用选，复合后面料产生收卷运动，变频调速电动去的转速信号经过传感器的检测，输入到plc控制器，经过plc控制器的运算
9、处理，变频器接受到plc输入的电压信号，从而使变频调速电动机的转速得到控制，本系统中，选择三菱公司的FX3U-48MR型号plc作为控制器，系统结构如图2-2所示。图2-2 收卷张力系统的组成 复贴机的放膜，放卷采用摆杆检测张力，经A/D转换后，张力值输入到PLC。与张力设定值作比较，形成误差。磁粉制动器收到该控制信号，驱动放卷辊动作，从而调整放卷张力，而摆杆电位计检测磁粉驱动器的张力信号。如图2-3所示。图2-3 放卷张力控制器系统原理图3张力控制系统的硬件选择3 .1主轴编码器的选型本系统采用s58系列增量式旋转编码器，此编码器具有过载保护，过稳定保护，带传感VCC，坚固耐用等特点。外形尺
10、寸为外径58mm，厚度为46mm，轴径为10mm，分辨率可达5000P/R，电源电压为DC10V-24V,防护等级为IP65，线长为1500mm，重量大约为420g，如图3-1所示图3-13.2 磁粉制动器磁粉制动器MAGPOWR是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系的特点。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的自动控制元件。现已被广泛应用于造纸、印刷、 塑料、橡胶、纺织、印染、电线电缆、冶金、压片机以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收卷张力控制。磁粉制动器还经常被
11、用于传动机械的测功加载和制动等。本文主要是试用磁粉制动对系统的放卷单元和收卷单元进行控制。如图3-2 为单轴磁粉制动器 图3-23.3电动机的选择本文的主控回路是复贴机张力控制系统中的重要组成部分，主要完成在硬件方面对电机实施控制的任务。主要选择五台三相异步电动机对收卷单元，主轴编码器，放卷单元，放膜纠偏单元，风机单元进行控制，而M4是作为风机的电动机不受变频器的控制。本课题选用的是YVP系列变频调速三相异步电动机。电机噪声低、振动小、调速范围广、精度高、运行稳定，操作和维修方便，达到节能和控制自动化的目的。电机的参数表如表3-1所示，电机外观图如图3-3所示。表3-1型号功率（KW）电压（V
12、）电流（A）额定转矩（N.M）YVP80M1-40.552201.53.5YVP80M2-40.7522024.7YVP90L-41.52203.79.5图3-3所示3.4plc模块plc由于其可靠性高，使用简单方便。在控制领域得到广泛应用。本系统选用日本三菱公司的FX3U-48MR型plc。输出点和输入点都为24点，输入/输出点数最大可扩展到384点。内置64kb大容量的RAM。可以对指令进行高速处理，充实了浮点运算的能力，具备输入/输出模拟量特殊适配器扩展功能。可以满足对复贴机的控制要求。选用三菱plc，外观如图3-3所示。I/O分配如表3-2所示。图3-4表3-23.5变频器模块 要根据
13、需求选择适合的变频器。收卷过程很少出现过载。所以变频器的容量只需要和电动机相符。本系统选用爱默生变频器EV1000-2S0015G（1.5KW）一台，EV1000-4T0007G（0.75KW、0.25KW）三台。变频器如图3-4所示。相关参数如表3-4所示。 图3-5表3-3型号额定容量额定输入电流额定输出电流电动机功率EV1000-2S0015G3.0KVA14.0A7.5A1.5KWEV1000-4T0007G1.5KVA3.4A2.3A0.75KW3.6输出模块输出模块将plc输出的数字量转化为标准的电压或者电流量模拟信号，经过plc的输入/输出刷新，模拟量数据放入到输入/输出总线接口
14、，输出到输入/输出继电器或内部继电器指定的通道。经过D/A转换向外输出电流或电压信号。4 控制系统的电路设计控制系统中，电源回路的设计是复贴机自动控制系统设计中的一个重要组成部分，结构如图4-1所示，FX3U的主机连接24V交流电源，开关电源S-100-24供给电气比例阀，显示屏及电磁阀所需要的24v直流电源，S-35-12开关电源供给张力控制器所需要的010v直流电源。为提供备用，控制柜中接入220V的电源插座。系统的主控回路电路如图4-1到4-3所示。图4-1 主控回路电路图(一)图4-2 主控回路电路图（二）图4-3 主控回路电路图（三）4.1plc输入和输出回路设计plc的输入回路接线
15、如图4-4所示，FX3U共有24个输入端子。plc输出回路接线图如图4-3所示，FX3U共有24个输出端子，输出点包括电动机的正反转，压合部分电磁阀。放卷和放膜部分电磁阀输出控制等信号。图4-4 plc输入回路4.2D/A和A/D转换模块回路设计系统中需要采集收卷摆杆电位计，放卷摆杆电位计，放膜摆杆电位计等的模拟信号，所有需要选择A/D转换和A/D转换模块。两个模块都接DC-24V24V电源：电压信号幅值为DC-1010v的收卷摆杆电位电压信号，放卷摆杆电位计电压信号，放膜摆杆电位计电压信号经过A/D转换模块转换，模拟的电压信号被转换为数字信号，送入到plc。D/A转换模块输出010V的电压控
16、制信号到放膜，放卷的张力控制器，张力控制器接收到控制信号后，输出010v电压信号控制磁粉制动器，磁粉制动器驱动放卷辊动作，从 而调整放卷张力，维持张力恒定。图4-5 plc输出回路图4-6 FX3U-4AD-ADP模块接线图5 plc控制软件设计 软件部分是整个收卷张力控制系统的重要组成部分，本系统选用三菱的plc作为控制核心，建立了模拟量输入/输出模块，数字量输入/输出模块，PID调节模块及通信程序模块等。系统的模块结构如图5-1所示。图5-1 张力控制系统总体结构5.1系统输入点和输出点的分配plc的输入/输出点数根据系统的控制要求确定。本系统输入信号有开关信号和模拟信号，输出信号也有开关
17、量和模拟量信号。系统分为自动控制和手动控制。加上对应的指示灯。系统输出/输入的配置信息如图5-2所示。图5-2收卷张力控制系统软件程序设计流程图6 初始化模块程序分析初始化程序主要包括各种plc初始参数的设定，例如模拟量采集时，采集通道的选择以及相关寄存器的赋值，还包括数据处理模块计算时用到的一些常数设计。6.1数据采集模块程序设计数据采集模块主要选用三菱FX3U-4AD转换模块采集收卷摆杆电位计电压信号。放卷摆杆电位计电压信号，放膜摆杆电位计的模拟电压信号，根据张力控制要求，设置模拟量的采集量程为-1010V。6.2数据处理模块设计分析数据处理程序主要用来对采集数据的平均值处理，实现PID控
18、制策略，摆杆电位计的反馈检测及旋转编码器检测电动机转速。由于系统运行时会收到各种外界干扰，影响精确度。程序使用防脉冲干扰平均值滤泼法，对数据进行采集处理。系统还可能出现张力异常变化现象，一旦出现，就会立即停止数据采集，并报警。用户处理完毕再重新工作。6.4串行通信技术数据的通信分为并行通信和串行通信，并行通信数据传输快，但并行通信的缺点是传输的二进制的位数决定传输线的根数。位数越多需要的线就越多，远距离传输时，增加了线路的复杂度和成本。串行通信是适合长距离传输的，对速度的要求不高，随着串行通信的发展，串行通信的速度可达Mbps。6.5积分分离PID控制策略复贴面料在卷绕的封头和结尾出变化范围大
19、，使复贴面料张力在短时间内与设定值之间产生很大的偏差，当采用了PID控制器时，由于PID控制器的积分积累作用，会引起系统较大的超调甚至震荡。pid运算中的一些重要参数结论通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的
20、能力便会使我们受益非浅。 在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后 的工作积累了经验，增强了信心。 致 谢在我的毕业论文即将顺利完成之际，我的心情非常激动。在此，我首先要感谢我亲爱的母校江苏工程职业技术学院，是它给我人生之中最宝贵的三年。感谢这三年来我的班主任、所有的任课老师，以及所有给过我指导和帮助的老师，在这三年中，他们不仅教会了我专业方面的知识和技能，使我有能力从事本专业的工作，让我在以后的工作中能不断学习，继续进步，还教会了我许多为人处事的方法，让我在三中成长了许多，思想上也成熟
21、了很多。尤其要感谢我的毕业设计指导老师师阳老师，是他耐心的给我讲解设计原理和设计过程，纠正我们设计中的错误，指导我们论文的写作方法，才使我们的毕业设计能如期完成。总之，感谢所有帮助过我的老师和同学，谢谢你们对我的关心和帮助，没有你们也就没有我今天的成绩。衷心的谢谢你们。参考文献1变频器系统安装与调试/赵斌主编，胡志刚副主编.北京：中国纺织出版社，2012.32程序设计基础实验与上机考试教程/邵洪成，董琴编著.南京：东南大学出版社，2010.83自动化生产线安装与调试：三菱FX系列/张同苏，徐月华主编.北京：中国铁道出版社，2010.94三菱FX系列PLC控制系统设计与应用实例/张还主编.北京：中国电力出版社，2011.35 PLC及其应用/张永飞，姜秀玲主编.大连：大连理工大学出版社，2009.16 变频器和PLC在传送速度控制中的应用/王艳美主编.苏州大学出版社，2010.107 电气控制与PLC及变频器技术应用/李智明主编.大连：大连理工大学出版社，2013.18 电工学/易沅屏主编.北京：高等教育出版社，1993.5附录27