基于PLC 的复贴机电控张力控制系统设计

目录1 绪论 (2)1.1 复贴机的背景知识 (2)1.2 可编程控制器的产生、发展现状及结构 (2)1.3 变频器的工作原理、发展现状及前景 (3)1.4 基于PLC 的复贴机电控张力控制系统 (3)2 复贴机的主要结构和组成 (4)2.1 复贴机的基本情况 (4)2.2 磁粉制动器 (4)2.3 放卷单元和送膜单元 (5)2.4 喷涂单元 (6)2.5 干燥单元 (6)2.6 层压单元 (6)3张力控制原理分析 (8)4 电控张力系统控制方案设计 (9)4.1 张力控制方法的选择 (9)4.2 张力控制系统的驱动方式的选择 (9)4.3 收卷、放卷、送膜张力控制设计 (10)5 张力控制系统的硬件选择以及电路设计 (11)5.1 控制电路的电源设计 (13)5.2 系统输入输出点分配 (13)5.3 控制器PLC的输入和输出回路设计 (14)5.4 D/A和A/D转换模块电路设计 (15)5.5 控制器PLC模块 (17)5.6 变频器模块的选择 (17)6 控制器PLC的软件设计 (19)6.1 PLC程序各个模块的程序分析 (21)6.1.1 模块初始化程序分析 (21)6.1.2 数据采集模块程序分析 (21)6.1.3 数据处理模块的程序设计分析 (21)6.1.4 输出模块程序分析 (21)6.1.5 积分分离PID的控制策略分析 (21)6.2 系统的梯形图程序 (22)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (28)附录A (30)附录B (31)1 绪论1.1 复贴机的背景知识复贴机是一种新型的纺织机械。

目前，与其它纺织机械的使用情况相比，复贴机的研究和推广使用还差的很远。

但是，我认为，复贴机是一种新型的纺织机械，拥有广阔的发展前景和市场空间。

本课题的张力控制系统主要是针对复贴机收卷单元的张力控制的，而通过对张力进行控制，可以保证产品的质量符合我们期望的标准。

另外，复贴机中的关键技术之一就是复贴技术。

利用复贴技术，我们可以生产多种功能化纺织品，比如医用防护服面料、农用覆盖篷布等等。

而我国如今的复贴技术还不太成熟，还有很大发展空间。

1.2 可编程控制器的产生、发展现状及结构PLC是一种具有非常广泛用途的高性能装置。

在没有可编程控制器的年代里，许多系统控制者选用继电器来进行工业控制，并且继电器几乎占据了工业控制的所有领域。

虽然工业控制中继电器被大量应用，但是它却有很大的缺陷：体积很大，性能不稳定，维修麻烦，环境适应能力差。

随着工业的发展，外国一家大公司经过艰苦的努力和不断钻研，终于研究出一种能够替代继电器控制的新机械设备—可编程控制器。

接着，人们不断对可编程控制器进行改进，提高它的性能，到目前为止，PLC已经得到诸多使用者的认可，并且还在不断向前发展。

我国由于种种原因到了七十年代末和八十年代初才开始引进可编程控制器，当时随着专用设备和成套设备的进口引进了很多国外可编程控制器。

一直到现在为止，我国的市场还大部分被国外的一些着名的可编程控制器产品占领着，如西门子、欧姆龙、三菱等等。

所以，对于我国自主研发可编程控制器的厂商来说，前景是光明的，同时也会是很艰难的。

1.3 变频器的工作原理、发展现状及前景近些年来，随着各行业的自动化程度正在不断提高，它们对调速性能的要求也越来越高，这使变频器在各个行业的应用越来越广泛。

变频器是利用微电子技术和变频技术，通过改变电机工作电源的幅值来控制交流电机的电力传动元件。

它有节能效果显着，维护简单，起停特性好，调速性能好等优点。

目前国产的变频器占全国变频器市场容量的很小一部分，而大约我国70%的市场被各种国外品牌所占领，其中40%是被日本品牌所占领，30%是被欧美品牌所占领。

这说明我国的变频器技术还有待很大提升空间。

变频器可以改变电机定子供电频率，而电机定子频率的变化可以使电动机的转速平滑改变。

电机的转速变化范围在电源频率在0~50Hz范围变化内是很广的。

这使在整个电动机调速过程中，都可以达到转差功率，拥有高效率、高精度的调速性能。

1.4 基于PLC 的复贴机电控张力控制系统基于PLC的复贴机电控张力控制系统主要有检测单元、数据转换单元（A/D、D/A数据转换）、控制单元（PLC）、驱动单元组成。

本系统选用台达的 PLC，通过接收 A/ D扩展单元的数据，进行处理，发出指令，经过 D/ A扩展单元的数据转换来控制变频器，然后有变频器对电动机的转速进行调节，最后达到控制张力的目的。

2 复贴机的主要结构和组成2.1 复贴机的基本情况复贴机主要有放卷单元、送模单元、喷涂单元、层压单元、干燥单元、收卷单元、纠偏单元构成。

放卷单元起到放送面料的作用；送模单元起到传送具有特殊作用的薄膜的作用；喷涂单元主要是向面料表面喷涂胶水，从而为面料和有特殊功能的薄膜的粘合做准备；层压单元主要是通过压力的作用使薄膜和加工物充分结合在一起；干燥单元则是对层压过的面料进行高温干燥，加快薄膜和面料的粘合；收卷单元则起到将黏贴有特殊功能薄膜的面料收卷起来；纠偏单元针对面料在传递的过程中出现跑偏问题而设计的，起到纠偏的作用。

图2.1是复贴机的结构框图。

图2.1 复贴机的结构框图2.2 磁粉制动器磁粉制动器是制动部件与运动部件借助于磁粉间的电磁吸力形成的磁粉链，同工作面之间的摩擦力产生制动功能的制动器。

本课题主要是利用磁粉制动器的连续滑动、张力控制的用途来对放卷单元和收卷单元的张力进行控制。

尽管磁粉制动器是一个具有优越性能的自动控制元件，但是它也需要进行保养，在使用的过程中应注意湿气和表面温度。

磁粉制动器的特点很多，主要包括以下几点： 1、能够很容易地进行大范围的控制；2、能够实现连续滑动运转；3、能产生安定的扭力；4、没有鸣叫音；5、热容量很大，因为它使用了耐热性优越的磁粉及运用了理想的冷却方法，所以即使是超长时间的连续滑动运转，仍可以放心使用；6、能够达到平顺的连续及驱动状态，因为动、静摩擦系数几乎一样，所以完全连结时不会产生震荡，能够因应负载加减速度。

图2.2是一个单轴磁粉制动器。

图2.2 单轴磁粉制动器2.3 放卷单元和送膜单元放卷单元是将要加工的面料送给喷涂单元，而送膜单元是放送有特殊功能的薄膜的单元。

它们的工作过程是，主轴电机带动要加工的面料做放卷运动，磁粉制动器对放卷辊产生制动力，使面料拉紧而产生张力。

另外，面料张力会随着放卷辊的卷径的逐渐减小而逐渐增大，若不进行调节，面料可能会被拉断。

故设置了摆杆装置，通过检测摆杆的角度变化来测量张力的变化。

我们通过把测量到的摆杆角度值反馈给控制器，然后控制磁粉制动器的输入电压，从而使面料的张力维持在设定值附近，保证面料质量满足生产要求。

同时，面料或薄膜由于在传送的过程中经历的环节比较多，容易跑偏，故在放卷部分装设了纠偏装置。

2.4 喷涂单元喷涂单元主要是向加工面料上喷涂胶水，为粘合特殊功能的薄膜做准备。

工作原理是：液体胶水从喷枪喷出后呈气体状态，直接粘在面料上。

对于喷胶的过程，要求很严格。

因为任何一处的喷涂不均匀将直接影响加工物的质量。

因此，喷头在这里起到的作用非常重要，它应该独立稳定、工作协调一致。

2.5 干燥单元由于大量的水分含在胶水里，而薄膜和面料是通过胶水粘合在一起，所以需要利用干燥单元对经过喷胶处理的面料烘干处理。

如果让胶水自然冷却，黏贴时间不仅会增加，而且黏贴的紧密性也会因此受到影响。

通过干燥单元的处理，加快了熔胶里大量水分的蒸发，这样面料的黏贴效果不仅能够得到提高，而且加工面料里的水分蒸发的速度也会提高。

2.6 层压单元要达到加工面料和薄膜粘合牢固的目的，层压单元也是必不可少的。

层压单元的具体工作过程是，压辊对经过烘干处理的复合面料均匀加压，从而使复合面料的黏合效果更加密实，满足生产要求。

同时，压辊在汽缸的驱动下可以控制自身的加压与抬起，从而满足不同涂层工艺的需求。

2.7 收卷单元收卷单元主要作用是将复合面料收卷起来。

由于收卷的过程中收卷辊的半径逐渐增大，势必引起面料张力的变化，这直接影响到面料的质量，为此必须设置张力传感器随时检测面料的张力，将数据传送给控制器，然后有控制器进行相应的计算和操作，来控制变频器，达到调节电机转速的目的，从而控制收卷时的收卷张力稳定在设定值范围内。

2.8 纠偏单元加工面料经过放卷、喷涂、干燥、层压、收卷单元，经历的机构很多，同时加上导布辊的磨损，这些导致面料受到的张力很不均匀，容易在传递的过程中跑偏。

纠偏单元是针对这个问题而设置的，通过对面料进行纠偏，达到面料张力均匀的目的。

本课题使用的纠偏方法是，在面料的两侧边缘放置一对超声波检测头。

一旦面料跑偏，超声波检测头的一端接收不到另一端发送的信号，同时光电检测头会将信号的变化信息快速传送给PLC，PLC 会对数据进行计算、处理，发出指令控制纠偏电机的转动来进行纠偏运动。

3 张力控制原理分析复贴机的张力控制主要是对放卷单元，送膜单元以及收卷单元的张力进行控制。

对张力的控制主要是通过对电机转速的控制来间接实现对张力的控制的。

张力控制系统的结构简图如图3.1所示。

图3.1 张力控制系统的结构简图由胡克定律可知卷绕辊与压辊两个传动点之间的加工物长度是L ，压辊前后两侧的线速度分别是v1、v0,那么加工面料的弹性模量是F L E S L =⨯∆ （3.1） 其中F 是加工物的张力，S 是加工物的截面积，()10L v v dt ∆=⎰-是弹性伸出量。

那么加工物的张力是：()10E S F v v dt L⨯=⎰- （3.2） 从式 3.2可知张力调节是一个积分环节，加工后的面料经拉伸之后，加工面料由于弹性而伸长，面料因此绷紧，从而产生了张力。

同时，张力的大小与两传动单元的线速度之差有紧密关系。

当两传动单元的线速度之差保持不变，那么复合面料的张力也保持不变；当两传动单元的线速度之差发生变化，那么复合面料的张力也会随着发生变化。

所以，面料的张力控制进而被转化成对两个传动单元的线速度之差的控制。

4 电控张力系统控制方案设计4.1 张力控制方法的选择张力控制的方法可分为直接张力控制和间接张力控制两种。

对于间接张力控制，就是通过控制传动系统来调节张力的变化，从而间接实现对张力的控制。

而通常通过控制传动系统来间接控制张力。

传动系统的控制方式有最大力矩控制方式、功率控制方式等等。

这种间接张力控制仅仅能满足一般张力控制要求，适用于张力要求不高的场合。

显然，对于复贴机来说，张力控制要求很严格，张力控制的好坏直接影响产品的质量。

所以，间接张力控制这种方法不适合本课题的张力控制。

而对于直接张力控制，它主要是采用传感器来测量张力值，然后把测的数据传送给处理器，经处理器的有关运算，从控制器中输出相关的控制信号给执行机构，执行机构根据命令做出相应的调整，最终使张力维持在恒定值附近。