李青青 佟河亭 胡玉景

摘要：??為提高集裝箱液袋生產(chǎn)的自動化水平和生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，本文對PE袋切割設備的開卷機構(gòu)進行了研究，分析了開卷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，設計了系統(tǒng)的控制方案，并介紹了系統(tǒng)的主要程序?？刂葡到y(tǒng)采用基于西門子S7-200?PLC作為控制器，根據(jù)檢測張力傳感器數(shù)據(jù)處理控制變頻器。該方案可以滿足放料機與儲料機之間速度跟隨的控制，提高了開卷的效率，滿足了PE料切割的節(jié)拍要求，解決了PE料拖拽時易扯壞問題，為后續(xù)的切割工序提供了充足的PE儲料，為PE切割設備定長下料的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。該研究具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：??PE料卷;?開卷機構(gòu);?可編程控制器;?變頻器;?速度跟隨

中圖分類號：?TP273?文獻標識碼：?A

收稿日期：?2018-06-14;?修回日期：?2019-09-20

作者簡介：??李青青（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向為機器人。

通信作者：??佟河亭，男，副教授，碩士生導師，主要研究方向為液壓與氣壓傳動設計，計算機輔助設計及機器人。Email：?tongheting@163.com

集裝箱液袋是一種新型的運輸容器，其適用于散裝非危險液體或化學制品的運輸，具有存儲和包裝功能[1]。液袋主要由聚乙烯PE（polyethylene）內(nèi)袋和聚丙烯PP（polypropylene）外袋組成，袋子尺寸大且具有柔性[2]。PE料卷是筒形PE薄膜料纏繞料軸而成，料卷不能直接用于產(chǎn)品的加工制造，必須通過開卷機構(gòu)將料卷展開，這樣才能保證后續(xù)加工的進行。開卷機構(gòu)大多適用于金屬板材，該機構(gòu)在原理上與PE料卷的開卷機構(gòu)類似[3]。目前，國外的開卷生產(chǎn)線發(fā)展水平較高，比利時的LVD公司在此基礎上利用編程控制實現(xiàn)了對不同厚度和長度金屬板材的加工[4];意大利的Salvagnini公司采用數(shù)字化技術(shù)與計算機技術(shù)將金屬板材進行柔性化加工，為金屬板材的加工提供了新的思路。隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷提高，國內(nèi)的自動化設備也在不斷發(fā)展，開卷生產(chǎn)線的生產(chǎn)制造企業(yè)利用PLC、變頻調(diào)速技術(shù)及伺服系統(tǒng)等技術(shù)，使開卷設備得到迅速發(fā)展和進步[5]。以上設備雖然在金屬卷料的開卷技術(shù)上水平較高，但由于PE料具有柔性大，且易扯壞等特性，不能使用上述開卷機構(gòu)。基于此，本文主要對PE料卷定量定速開卷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)進行研究，根據(jù)料卷的張力值來控制料卷的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒張力放料控制，同時可以與后續(xù)切割設備相適用，精度高且可靠性強。該研究提高了生產(chǎn)效率和企業(yè)競爭力。

1?開卷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

PE料卷開卷機構(gòu)是PE切割設備的一部分，主要包含放卷機構(gòu)和儲料機構(gòu)兩大模塊。開卷機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。放卷電機通過鏈傳動帶動PE料卷轉(zhuǎn)動放料，PE料通過導向輪1及由儲料電機帶動的主動放料組件在儲料盤中進行儲料，再通過導向輪2輸送至后續(xù)切割設備。

由于開卷過程中料卷直徑逐漸變小，線速度也隨之變化，為使開卷的線速度維持在恒定值，本系統(tǒng)在導向輪1和主動放料組件之間安裝張力傳感器，以檢測PE料的張力，儲料機構(gòu)上的儲料電機可滿足后續(xù)切割要求的恒定速度進行放料，放卷機構(gòu)上的變頻器通過張力傳感器檢測到的張力大小，及時調(diào)節(jié)變頻電機的速度，與儲料電機放料速度保持一致[6-7]。這種開卷方式，不僅滿足了整個切割設備的節(jié)拍要求，也對PE料在開卷過程中可能受到的損傷降到最低。既不會由于放卷機構(gòu)放料速度比儲料機構(gòu)速度慢而造成對PE料的拉扯，也不會由于儲料機構(gòu)速度過快，造成儲料盤中大量料的堆積而在后續(xù)拖拽時對PE料造成傷害。

2?系統(tǒng)硬件組成

為保證各部分機構(gòu)實現(xiàn)相應的功能，需要對控制元件、執(zhí)行元件等進行選型。PE料卷的開卷機構(gòu)有2個變頻電機，即型號為BHI62URA的儲料電機和型號為YVP802-4的放卷電機。

2.1?可編程控制器的選取

PE料卷開卷機構(gòu)需要關(guān)機、開機、急停、氣缸上/下限位開關(guān)和復位變頻故障6個開關(guān)量輸入;1個模擬量輸入;放卷電機接觸器、儲料電機接觸器以及電磁閥左/右位4個開關(guān)量輸出和1個模擬量輸出，共計12個I/O點。根據(jù)設計要求，選取西門子S7-200型PLC，中央處理器選取CPU224XP型號，有數(shù)字量14輸入/10輸出，模擬量2輸入/1輸出，滿足要求，且方便以后對功能進行擴展[8-10]。

2.2?變頻器的選取

考慮控制和接線的方便，選擇西門子系列的PLC，并在滿足控制要求的前提下，選擇西門子MM440變頻器，采用RS485的通訊方式[11]。

2.3?張力傳感器的選取

GB/T4456—2008《包裝用聚乙烯吹塑薄膜》[12-13]中規(guī)定，塑料薄膜的抗拉強度≥10?N/mm2。根據(jù)企業(yè)要求，開卷過程中PE料所受張力不得超過50?N，加上張力輥重力195?N，所以允許的張力范圍是195～245?N。所選張力傳感器型號為ZHZLZT，量程為0～500?N，靈敏度為0.1%，滿足要求。

3?PLC接線原理

根據(jù)工作要求，分配I/O點數(shù)，I/O分配表如表1所示，繪制其端子接線圖如圖2所示。輸入端均為DC24V接線，輸出端除電機外均為AC220V接線，儲料電機及放卷電機均用AC380V接線，張力傳感器用DC24V供電。

4?軟件部分設計

4.1?流程圖

開卷流程圖如圖3所示。程序開始后，先進行初始化，將所有需要置位的寄存位置設為初始值。主動輥下降到位后，啟動儲料電機和放卷電機，然后對張力信號進行采集和比較，根據(jù)比較的情況再通過變頻器調(diào)節(jié)放料電機的轉(zhuǎn)速，使張力達到設定范圍[14-15]。

為方便編程，在I/O分配表的基礎上，添加編程內(nèi)部符號表，內(nèi)部符號表如圖4所示。

4.2?主要程序及說明

4.2.1?模擬量輸入子程序

張力傳感器輸出的電壓為0～10?V，對應AIW值為0～32?000，由于其線性相關(guān)，張力模擬量轉(zhuǎn)換[16]如圖5所示。由圖5可得

FXAIWX=50032?000

即

FX=AIWX×50032?000

因此，編寫張力模擬量轉(zhuǎn)換子程序，模擬量轉(zhuǎn)換子程序如圖6所示。模擬量輸出子程序在原理上與模擬量輸入子程序相同，在此不做詳盡說明。

4.2.2?變頻器參數(shù)設定

對變頻器的控制，需要調(diào)用USS指令。USS是西門子專為驅(qū)動裝置開發(fā)的通信協(xié)議，是一種基于串行總線進行數(shù)據(jù)通信的協(xié)議。USS指令庫是西門子為方便用戶使用USS協(xié)議進行通信而專門編寫的庫。USS初始化程序如圖7所示，初始化指令USS_INIT用于啟用或禁止PLC和變頻器之間的信任。用SM0.1調(diào)用USS初始化指令USS_INIT，只在第一個掃描周期調(diào)用[17-18]。

USS控制程序如圖8所示，控制指令USS_CTRL用于控制已經(jīng)被USS_INIT激活的變頻器，用SM0.0調(diào)用控制程序USS_CTRL，在每個掃描周期都執(zhí)行此程序[19-20]。

USS控制程序比較實際測量張力與設定張力最小值195?N的差值形成相應的電壓信號，并傳輸給變頻器MM440，變頻器根據(jù)電壓信號的大小調(diào)節(jié)變頻電機的轉(zhuǎn)速快慢。在張力允許范圍內(nèi)，差值越大，電壓信號值越大，變頻器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速越快;當張力值大于允許張力最大值245?N時，調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障，常閉觸點I0.2接通，變頻器立刻停止電動機，同時停止儲料電機，防止PE料被扯壞。當故障消除時，常開觸點I0.5接通，復位變頻器故障。

5?結(jié)束語

作為液袋生產(chǎn)線的首道工序，開卷機構(gòu)的運行效率對整個生產(chǎn)線具有重要作用，本文對PE袋切割設備的開卷機構(gòu)進行了研究，分析了開卷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理及運動過程，設計了基于PLC的PE料卷開卷機構(gòu)的控制系統(tǒng)。完成控制系統(tǒng)硬件選型和軟件編程。PE開卷機構(gòu)的控制系統(tǒng)可以滿足PE料卷開卷的節(jié)拍要求，保證了PE料的質(zhì)量，具有高精度、高效率和高可靠性等特點。該研究具有一定的實際應用價值。

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Design?of?Control?Scheme?for?PE?Roll?Decoiler

LI?Qingqing，?TONG?Heting，?HU?Yujing

（School?of?Electromechanic?Engineering，?Qingdao?University，?Qingdao?266071，?China）

Abstract：??In?order?to?improve?the?level?of?automation?and?productivity?of?fluid?bag?and?increase?the?economic?efficiency?of?the?enterprise，?this?paper?studies?the?roll?decoiler?of?PE?bag?cutting?equipment，?analyzes?the?structure?and?working?principle?of?the?decoiler，?designs?the?control?scheme?of?the?system，?and?introduces?the?main?program?of?the?system.?The?control?system?is?based?on?Siemens?S7-200?PLC?as?the?controller，?according?to?the?detection?of?tension?sensor?data?control?frequency?converter.?The?scheme?can?meet?the?speed?following?control?between?the?feeding?machine?and?the?storage?machine，?improve?the?efficiency?of?the?decoiling，?satisfy?the?beat?requirement?of?the?PE?material?cutting，?solves?the?problem?of?easy?damage?of?the?PE?material?when?dragging?and?provides?sufficient?PE?material?reserve?for?the?subsequent?cutting?process.?It?provides?a?theoretical?basis?for?the?realization?of?PE?cutting?equipment，?and?has?high?practical?value.

Key?words：??PE?roll;?decoiler;?programmable?controller;?frequency?converter;?speed?following