李文才

【摘要】卷繞成型機從半自動化到自動化設計，需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)的核心作用，從而實現(xiàn)運轉功能和效率的提升。本文介紹了卷繞成型機的基本設計，并對PLC與伺服系統(tǒng)構成、應用與系統(tǒng)設計做了分析，希望能為卷繞成型機設計和使用提供參考。

【關鍵詞】卷繞成型機；伺服系統(tǒng)；設計；應用

1.卷繞成型機的基本設計

卷繞成型機設計的基本思路是將傳統(tǒng)設計中的電機控制改為伺服系統(tǒng)控制，成型部分手動改為電機控制，在PLC控制下完成運轉，其3D結構圖見圖1。

圖1 卷繞成型機3D結構圖

卷繞成型機運轉工作流程為：自動進筒裝置完成空筒與卷繞繩線初始位置的方式→伺服電機控制按照卷繞方案運作的卷繞頭→卷繞方案下總控裝置控制卷繞位置并成型→完成卷繞，切斷繩線，卸下成品卷筒。根據圖1結構所示，伺服電機為皮帶、皮帶輪與齒輪等傳統(tǒng)機構的動力源，齒輪旋轉影響完成卷繞桿與頭的旋轉，可根據實際需求調整，達到美觀效果。高速旋轉下，要限定停止區(qū)域避免發(fā)生機械碰撞、卷筒碰撞與電氣事故等。為卸筒方便，卷繞桿與頭最佳關系為直角，可避免碰撞、連續(xù)卷繞，伺服電機位置控制作用是核心[1]?？紤]到不同卷材需求，PLC與觸摸屏連接提供不同卷繞方案，伺服電機與卷繞頭配合完成卷繞任務。

2.PLC與伺服系統(tǒng)構成與應用

2.1 PLC與伺服系統(tǒng)的構成

對于卷繞成型機而言，PLC控制指令與編碼器檢測帶的位置反饋脈沖共同進入伺服系統(tǒng)，通過比較位置信息進行準確矯正，完成速度控制器ASR的給定，調節(jié)電流與功率，確保卷繞頭始終想著偏差減小的方向宣傳。位置指令作為隨機變量，輸出必須準確跟蹤變化，所以伺服系統(tǒng)內位置隨動系統(tǒng)必須保證快速性、靈活性與準確性，這一使命由三閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)，通過速度環(huán)、電流環(huán)與位置環(huán)的配合實現(xiàn)控制目標。三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)構成見圖2。

圖 2 三閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

控制系統(tǒng)內速度與位置傳感器檢測運行速度并轉化為光電編碼反饋給系統(tǒng)，通過編碼器轉換并與磁極位置檢測完成電樞電流控制。整流器將三相交流電變?yōu)橹绷麟姡⑼ㄟ^電容器濾波平滑后提供給逆變器，配合PWM信號驅動，完成交流電與直流電在伺服電機電樞繞組中的應用，其中PWM回路還會以一定頻率觸發(fā)功率器件的控制信號去，確保電壓與輸出頻率隨時保持協(xié)調，確保電樞繞組中電流的良好正弦性[2]。速度與電流的控制以PI調節(jié)為主，作用為減少震蕩，穩(wěn)定控制速度，以確保位置控制時具備快速響應能力和穩(wěn)態(tài)時強勢的轉矩特征，抑制各種擾動。

2.2 PLC與伺服系統(tǒng)的應用

PLC脈沖信號與伺服電機脈沖信號需要經過電子齒輪的偏差設計才能夠進入伺服控制器，電子齒輪作為分頻器，可根據實際應用需要搭配分倍頻值，PLC控制中，不顧及減速和編碼器脈沖數，計算與應用相對簡單。以本次研究中所提到的卷繞成型機為例，其具體應用情況如下：

條件：圈旋轉角360°、機械結構的傳動減速比3∶1、編碼器反饋脈沖2500P/R、1指令單位定0.1°，旋轉一周指令數：360/0.1=3600 個

電子齒輪比計算公式：（編碼器脈沖數×4/負載軸旋轉1圈的指令量）×減速比

則B/A=（2500×4/3600）×3=25/3

比如在伺服系統(tǒng)中使用信捷DS2-20P7伺服電機及驅動器，使用PLC進行編程，可實現(xiàn)輸出3600個脈沖實現(xiàn)旋轉一周，驅動卷繞頭完成一周旋轉，其中脈沖的數量決定了卷繞頭旋轉位置，脈動頻率決定卷繞頭旋轉速度。

2.3 PLC與伺服控制系統(tǒng)的設計

PLC與伺服控制系統(tǒng)的設計以PLC為主控單位完成內部運行各個部分的協(xié)調與自動控制。PLC的多運動模塊滿足多樣化控制需求，同時對于遠距離電機也可通過總線網絡通信方式實現(xiàn)同步調速與控制，減少布線數量，確保穩(wěn)定性。PLC連接構成自動化系統(tǒng)，包括設定工藝參數、系統(tǒng)設備停送電、故障報警與自動化監(jiān)控等，其電機結構運轉流程從觸摸屏、控制面板到PLC與擴展模塊，最后送達氣動結構、步進電機與伺服電機[3]。設計中可選用信捷XC5（PLC）與DS2-20P7（伺服電機）組合，功能性強，拓展性佳。設計這種系統(tǒng)需要較多的I/O點數，考慮到伺服驅動需要告訴脈沖，所以晶體管選用輸出型，型號選擇信捷CPU模塊XC5-48T-E和擴展模塊XC-E8TR，一共28個輸入及輸出，其他諸如控制按鈕、開關、傳感器與限拉開關等則選用適合型號。

做好硬件準備之后，在軟件方面要根據運轉流程進行設計，基本上保持啟動→伺服電機控制卷繞頭→步進電機控制檔位成型→卷繞計數→氣動裝置卸筒→卸筒完成這一流程。在狀態(tài)顯示上，則以電檢測復位→卷繞成型功能→報警處理→狀態(tài)顯示等部分組成。電檢測復位確保系統(tǒng)處于準備就緒狀態(tài)，急停報警對程序運行進行監(jiān)測，及時發(fā)布報警信號，處理故障，同時停止主程序。經過實際應用調試之后，該卷繞成型機徹底完成，設計結構簡單，功能強大，系統(tǒng)穩(wěn)定性與拓展性較好，對比半自動化卷繞成型機來說優(yōu)越性大幅度提升，滿足了一些較常規(guī)的自動化使用功能，從應用性上來說結構上佳。

卷繞成型機作為重要生產設備，從半自動化走向自動化的過程需要依靠PLC和伺服控制系統(tǒng)發(fā)揮核心作用，從軟硬件設計到具體應用都要圍繞PLC和伺服控制系統(tǒng)，從而最終實現(xiàn)生產效率的提升和設備性能的提高。

3.參考文獻

[1]司徒元舜,麥敏青.紡絲成網生產線中的高性能卷繞機[J].紡織導報,2011(12).

[2]徐新.基于PLC的智能倉儲控制系統(tǒng)設計[J].江漢大學學報(自然科學版),2010(03).

[3]吉鳳.基于PLC與伺服電機控制的機械手設計方案[J].科技資訊,2012(24).