利用plc实现恒线速卷绕修改完.docx
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利用plc实现恒线速卷绕修改完
题目:
PLC实现恒线速卷绕系统设计
摘要
卷绕系统是一种常用的控制系统,广泛应用于塑料收卷、钢铁、包装、造纸、印刷、染织等生产过程中。
它要求系统能连续地控制料带再设备上运行时的张力,并且要在规定的速度范围内能有效控制,包括加速、减速及匀速运行。
工业生产上常采用闭环张力控制系统,由张力传感器直接检测料带的实际张力值,然后把张力值转换成张力信号反馈给张力控制器,通过与预先设定的张力值进行比较,计算出控制信号,自动控制执行单元即使实际张力值与给定张力值相等,从而达到张力稳定的目的。
本系统主要以PLC为控制核心,组态软件作为监控层,对系统的信号进行采集和控制。
放卷采用磁粉离合器的被动放卷张力控制方式,主牵引采用三菱FR-A540-1.5K变频器控制交流电动机进行牵引驱动,收卷采用常州宏大HVS–G三相直流可控硅调速装置驱动直流电机进行主动收卷张力控制方式。
在放卷和收卷中均使用三菱LE-40MTA-E张力控制器产品对张力进行检测和控制。
在生产运行过程中为了防止产品在卷绕过程中产生偏移,放卷时利用气动――液压自动纠偏装置,收卷时应用光电纠偏装置对其进行调整。
这样使得生产工艺更完善,产品质量更好。
关键字:
卷绕系统;张力控制;恒线速;PLC
目录
第一章收、放卷张力控制应用概述4
1.1行业应用4
1.2收、放卷张力控制分类4
1.3卷取方式分类比较5
1.4分设计选用5
1.4.1放卷方式的选用5
1.4.2收卷方式的选用6
第二章卷绕系统设计概况7
2.1系统简介7
2.2系统构成及原理8
2.3系统技术指标9
2.4FX2N-4DA详细说明9
2.5系统设计原则10
第三章系统主要部件设计12
3.1张力控制系统设计12
3.1.1放卷张力控制12
3.1.2收卷张力控制13
3.2主牵引设计14
3.3收卷驱动设计15
3.4纠偏装置设计16
3.4.1放卷纠偏17
3.4.2收卷纠偏17
第四章卷绕系统电气设计19
4.1电气原理图设计19
4.2PLC发展史22
4.3PLC的概念及特点22
4.3.1PLC的概念22
4.3.2PLC的特点23
4.4PLC的基本结构23
4.5PLC的工作原理25
4.6PLC的性能指标25
4.7PLC程序设计26
4.8组态软件设计28
第五章设计小结29
参考文献30
附录31
致谢33
第一章收、放卷张力控制应用概述
1.1行业应用
在工业生产的很多行业,都要卷绕生产线对物料进行放卷,加工,收卷,其中放卷和收卷时要保持张力的恒定,以提高产品的质量。
诸如造纸、印刷印染、包装、电线电缆、纺织、皮革、金属箔加工、纤维、橡胶、冶金等行业都被广泛应用。
在变频技术还没有成熟以前,通常采用直流控制,以获得良好的控制性能。
随着变频技术的日趋成熟,出现了矢量控制变频器、张力控制专用变频器等一些高性能的变频器。
其控制性能已能和直流控制性能相媲美。
由于交流电动机的结构、性价比、使用、维护等很多方面都优于直流电动机,矢量变频控制正在这些行业被越来越广泛的应用,有取代直流控制的趋势。
张力控制,就是要控制卷取物体时保持物体相互拉长或者绷紧的力。
早期的工业应用中,张力控制并未引起人们足够的重视。
直到人们对卷取材料的质量和表面质量提出越来越严格要求的时候,张力控制技术才逐渐被各国电气工程师重视起来,特别是张力应用最广泛的纤维、造纸、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业中,带材或线材的收放卷张力对产品的质量起着至关重要的作用。
在许多包装机械设备上,如分切机、印刷机、复合机等在卷材的生产加工过程中,即在收卷和放卷的过程中,卷筒直径是变化的,直径的变化会引起卷材张力的变化,张力太小,卷材容易松弛产生向漂移:
张力太大,则又会导致卷材表面起皱甚至断裂。
因而在收卷和放卷的过程中,为保证生产的质量及效率,保持恒定的张力是很重要的。
1.2收、放卷张力控制分类
放卷出的物料通过主牵引引出后不可能自行卷取,所以收卷都是主动收卷。
它和主动放卷方式分法大体相同,可分为:
动力+阻尼
直流电机
力矩电机
交流电机
伺服电机
放卷轴上无主动力,它的动作要靠其他设备牵引,这样的方式叫被动放卷。
放卷轴上自身提供动力,它的动作不需要其它设备牵引,这样的方式叫做主动放卷。
一、按被动放卷方式分
磁粉离合器
气动抱闸
二、按主动放卷方式分
直流电机
交流电机
力矩电机
伺服电机
其中力矩电机又可以分为直流力矩电机和交流力矩电机
1.3卷取方式分类比较
1、直流电机具有调速范围广,调速特性平滑,过载能力较强,起动和制动转矩也较大。
通过改变输入电压就可以改变电动机的转速,因此可以用降低电压的方法获得较低的转速;但同步性能不怎么好,响应慢。
2、力矩电机力矩电机具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等机械特性;但张力控制不稳定,线性不好。
3、交流电机用交流电机变频调速取代直流电机调压调速,借助松紧架实现织物张力恒定和线速度一致,故障率低、同步性能好;但致命缺点是起动冲击大,会对电网及设备造成不利影响。
4、伺服电机具有自动调整、高速高响应、低振动等优点;但伺服电动机控制成本高,不易推广。
5、气动抱闸成本低、转矩大,过载能力强;但具有较大的冲击力,需单独连接气源。
1.4分设计选用
1.4.1放卷方式的选用
磁粉离合器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的,具有激磁电流和传递转矩基成线性关系、响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染等优点,是一种多用途性能优越的自动控制元件。
应用示意图(用于张力控制)如图1-1所示。
图1-1应用示意图
放卷的张力由放卷装置中的磁粉离合器的制动转矩控制,随着卷绕物的卷径的不断减小必须不断减小制动转矩,图中用张力检测器来检测卷绕物的张力,由张力控制仪自动控制磁粉离合器的转矩,使张力恒定。
当激磁电流保持不变时,转矩将会稳定的传递,不受滑差的影响。
因此,只要控制电流,即能控制转矩的大小。
可用很小的激磁电流控制很大的传递功率。
在转矩超载情况下,自动滑差运行起到过载保护作用。
所以,本设计选用磁粉离合器的被动防卷方式。
1.4.2收卷方式的选用
根据电机转矩的变化与卷材卷径成正比的原理来实现恒张力控制。
可以不需要磁粉制动器/磁粉离合器,直接通过张力控制仪及张力传感器调节直流调速器控制直流电机,就可以实现恒张力控制。
在保证设计要求的条件下,具有经济、可靠、运行平稳、负载能力强、维修成本低的特点。
故本设计采用经济实用的直流电机收卷方式。
第二章卷绕系统设计概况
2.1系统简介
本系统为计算机控制的收放卷生产线系统,该系统由机械装置、PC机、PLC、张力控制器、变频器、直流调速机、纠偏控制器等组成。
可以通过自动操作和手动操作控制生产线的运行。
系统的侧视图和俯视图如下图2-1所示。
图2-1侧视图和俯视图
2.2系统构成及原理
卷绕系统是一种常用的控制系统,广泛应用于造纸,印刷,染织等生产过程中。
本系统运用PLC为控制核心,PLC不仅具有较强的开关处理能力,还具有模拟量处理能力。
但PLC本身的监控能力较差,将计算机与PLC结合使用,既可以充分利用计算机强大的人机对话功能,提高PLC的控制能力和范围,又可以简化控制系统的结构。
同时PLC具有体积小,编程简单,抗干扰能力强的优点。
卷绕生产线系统由一台交流电机和一台直流电机驱动,交流电机转速由变频器控制,为了控制前后张力,采用放卷张力控制器和收卷张力控制器各一台,放卷张力控制器控制磁粉离合器,从而调节放卷辊的转速。
收卷张力控制器控制直流电机的转速,当交流电动机转速增加时,前后张力控制器分别控制磁粉离合器和直流电动机,使前后张力趋于平衡。
为防止所卷产品纵向偏移,在前后各安装气动纠偏装置和光电纠偏装置。
图2-2为系统原理图。
图2-2系统原理图
根据系统的功能要求,我们采用三菱公司FX2N-64MR、FX2N-4DA、FX2N-4AD分别作为下位机、数模转换模块、模数转换模块。
PLC是本系统的核心,负责现场信号采集和处理,对于各种开关量来说,较简单的控制采用PLC直接驱动,对于功率较大和复杂的控制,则由PLC与控制器一起来控制,整个系统可以采用自动控制和手动控制两种工作方式。
检测信号由变送器送入PLC的A/D模块,参数设定值通过D/A送入目标控制器,控制变频器和张力控制器的给定值,达到控制张力和电动机转速的目的。
A/D,D/A模块均是4通道模块,4个A/D通道用来转换交、直流电动机的转速及放卷辊与收卷辊的半径,变送器把转速和卷径信号送入A/D,再从上位机上读出。
4个D/A通道用来把上位机设定的交、直流电动机及前后张力控制器的参数设定值转换成控制信号,分别控制转速和张力。
上位机采用组态王6.5作为生产线的监控层,用可视化界面,实时动态的显示生产线各个环节的工作状态,并可配打印进行瞬时和定时报表打印,还可在设备出现故障或被控量超出控制范围时发出声光报警,对现场生产过程进行适时监控和操作。
2.3系统技术指标
生产线的相关技术指标
1、生产线的最大线速度:
30m/min
2、生产线的最小卷径:
100mm
3、生产线的最大卷径:
500mm
4、生产线的张力精度:
±0.2~1kg
5、生产线的纠偏精度:
±0.5~±1mm
6、生产线的功率:
6.5kw
2.4FX2N-4DA详细说明
三菱FX2N-4DA是一款模拟量模块。
首先给大家介绍一下模拟量模块的工作原理。
模拟量模块是将压力、液位、温度等信号转化为1-5V,4-20mA(也有别的信号的,如0-10V,0-5V等)然后交给PLC进行处理的。
PLC是不知道具体电压或者电流信号的大小的。
所以,我们要用一个数字来表示它的大小,然后告诉PLC,PLC才能知道输入的电压、电流信号具体有多大。
数字量输入输出信号就是开关量信号,1或者0。
模拟量信号有2种,电压或者电流信号,一般是变送器传过来的信号,比如用压力变送器检测水管压力,它会输出一个模拟信号4--20ma或者0-10V的信号给PLC,PLC来进行数据处理。
举个例子来说,我们现在测到温度是20度(量程0-50度,输出范围是1-5V),此时温度传感器产生的电压值是(5-1)*20/50=1.6V(仪表特性必须是线性的才可以这么算)。
PLC的模拟量输入模块收到1.6V的输入后,会将其转变成一个数字量。
例如,我们用的模拟量输入模块的分辨率是0-4000对应1-5V的。
那么,2.0V就应该对应(4000-0)/(5-1)*1.6=1600。
就是说,PLC在读到模拟量输入模块给它的数字1600之后它就能知道,从温度传感器感应到的温度是20度。
在上面例子中,传感器的量程和输出范围是由传感器来决定的。
而模拟量输入模块的分辨率是由模拟量模块决定的。
模拟量输出模块的作用刚好和输入模块相反,它是将数字信息转化成1-5V、4-20mA时用的。
FX2N-4DA参数:
项目输出电压输出电流模拟量输出范围:
DC-10至10V
外部负载电阻2千欧到1兆欧:
0至20mA
外部负载电阻:
500欧
数字输出带符号的16位2进制
对数值有效位:
11位和符号位(1位)
分辨率5mV(10V×1/2000)20mA{20mA×1/1000}
总体精度±1%
满量程10V)±1%
(满量程20mA)转换速度4通道2.1ms(使用的通道数变化不会改变转换速度)隔离在模拟和数字电路之间光电隔离直流/直流变压器隔离主单元电源在模拟通道之间没有隔离桌面快捷键。
三菱FX2N-4DA有4个输出通道。
提供了12位高精度分辨率的数字输入。
转换速度为2.1ms/4通道,使用的通道数变化不会改变转换速度。
输出的形式可为电压,也可为电流。
其选择取决于接线不同。
电压输出时,两个模拟输出通道输出信号为0~10VDC,0~5VDC;电流输出时为4~20mADC。
分辨率为2.5mV(0~10VDC)和4uA(4~20mA)。
数字到模拟的转换特性可进行调整。
本模块需占用8个I/O点。
适用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。
其他的性能与FX2N-2DA相似。
可编程控制器基本单元与FX2N-4DA之间的数据通讯也是由FROM/TO指令来执行的。
读写操作是对FX2N-4DA的缓冲寄存器BFM进行操作的,缓冲器区由32个16位的寄存器组成,编号为BFM﹟0~﹟31。
2.5系统设计原则
系统应具有高度的可靠性,同时要求简洁、实用、性能价格比高。
在安全可靠的前提下,应尽量节省一次性投资。
在保证可靠性和实时性的前提下,整个系统应具有一定的实用性、良好的可编程性能和可扩展性能。
1.安全可靠
在确保设备安全可靠的前提下,采用性能价格比较好的设备和元器件,尽可能采用新技术、工艺和设备。
系统中信号分布较广,在系统中必须采取严格的接地措施,在传感器的安装位置需有接地点,屏蔽线传输中采用在集中控制室统一接地,另一端通过电容接地以减少外部干扰。
另外所有信号在接入控制系统时都尽可能采用隔离方式,增强系统的抗干扰能力。
2.操作简单
在机柜面板设计上应美观、各元器件布置合理、整齐,充分考虑了人体结构特征及视觉特征进行优化设计,操作方便、简单。
3.经济实用
以安全可靠为第一原则,选用实用经济的控制与检测设备。
系统响应速度快,控制功能可靠,编程及组态方便,对控制方式、功能、设置的改变灵活方便。
4.维护方便
在机柜设计、内部元器件端子排的布局上,充分考虑了维护人员检修接线的方便性。
在系统设计中以满足标书设计的要求,严格参照标书所规定的技术参数、指标和要求,以及规定的和指明的工艺、控制流程进行设计和制造。
第三章系统主要部件设计
3.1张力控制系统设计
本系统构成如图3-1所示,涉及到收卷和放卷的张力检测和控制,所卷产品的张力通过张力检测辊,作用在荷重传感器上,张力控制器通过荷重传感器检测实时张力,并与设定张力进行比较、运算,产生控制信号,驱动磁粉制动器或直流电机执行张力的控制。
该部分采用三菱LE-40MTA-E张力控制器。
3-1张力控制结构图
3.1.1放卷张力控制
在放卷端采用磁粉离合器控制时,当实际张力大于设定张力,张力控制仪的激磁电流减小,制动器的阻尼减小,使物料张力返回到设定值。
当实际张力小于设定张力时,张力控制仪的激磁电流增大,制动器的阻尼也增大,使物料张力返回设定值。
如此形成负反馈,使张力保持恒定。
原理框图如图3-2。
3-2放卷张力控制原理框图
电气原理图如3-3,张力控制器接受PLC的张力信号,再通过左右边的两个张力检测器检测的信号与给定信号比较,控制磁粉离合器的制动阻尼大小从而控制放卷张力。
使其与设定值保持一致。
同时输出张力信号到PLC的A/D模块上,显示于上位机,供作业员操作观察。
图3-3放卷张力控制电气图
3.1.2收卷张力控制
在收卷端通过张力检测装置传送信号给直流驱动电源,当检测的张力与给定张力不相等时,调节直流驱动电源,改变直流电机的励磁电流从而改变张力,直与给定张力相等。
原理框图如图3-4。
图3-4收卷张力控制原理框图
收卷电气原理与放卷控制相似,也是通过PLC给定信号与检测的张力信号相比较,但控制的是直流驱动电源,从而控制直流电机的励磁电流改变力矩,调节张力。
图3-5收卷张力控制电气图
3.2主牵引设计
牵引的目的是提供动力给放卷,因此就应满足运行平稳,调速范围广等特点。
本设计采用交流变频调速,运用三菱公司的FR—A540—1.5K变频器来驱动三相交流电机。
该产品功率可达1.5kw,采用先进磁通矢量控制方式,实现自动调整功能,可拆御接线端子,维护方便;内含柔性PWM,实现更低噪音运行;内置RS485通信口,PID等多种先进功能。
2和5是速度给定,可由上位机组态软件通过PLC的DA模快给定,AM和5号端口接至PLC的AD模块上由组态软件的界面显示,通过改变变频器的频率改变交流电机的转速。
同时还有报警输出,一旦出现故障,立即发出信号。
图3-6变频器电气原理图
注意:
安装时应严格按照使用说明书上正确接线、拆卸。
在详细了解产品性能的条件下,认真阅读操作说明书才使用。
非专业人士不得随便拆卸。
3.3收卷驱动设计
我们将采用常州宏大HVS–G系列三相直流可控硅调速装置,它广泛吸收了德国西门子公司、AEG公司、英国BBC公司同类产品的特点,是国产新一代的性能调速装置,并通过省级鉴定(鉴定号:
941203),用于直流电单机或多机联动调速,可直接替代进口产品,广泛用于纺织、印染、化纤、造纸、冶金、煤矿、电线、电缆、塑料机械等领域。
原理图如下。
图3-7直流控制器原理图
1、主要特点
a)调速范围:
电枢电压反馈为1:
20
测速反馈为1:
100
构成多单元同步传动系统为1:
10
b)静差调速精度:
测速反馈≤±0.2%
电压反馈≤±0.2%
2、技术参数
c)三闭环系统即位置环、速度(电压)环、电流环、调速范围宽,动态响应快,可直接组成同步系统、恒张力系统等。
d)集成化、模块化结构,强、弱电完全隔离,采用分层布置结构,体积小,运行安全可靠。
e)全系列控制板通用性强,维护调试方便。
f)自动保护功能完善,抗干扰能力强。
3、工作环境
g)海拔高度:
<1000m
h)环境温度:
10-45℃
i)相对温湿:
不大于85%(无露凝)
j)室内安装,通风条件良好,无剧烈振动与冲击。
k)无导电粉尘。
3.4纠偏装置设计
自动纠偏装置又称卷筒纸(薄带)边缘位置控制器,简称EPC。
根据感受边缘位置方式的不同,又可分为气动-液压自动纠偏装置和光电-液压自动纠偏装置。
它们分别采用微气流放大原理及光电转化放大原理。
而执行部分都是应用液压伺候控制技术,从而对卷筒的基材进行自动导向和纠偏。
广泛应用于各种金属薄膜、塑料薄膜以及其他卷筒材料的生产过程(如造纸、制箔、塑料复合印刷、塑料印刷、涂布机、分切机、印染、胶卷、钢带轧制等行业)中自动导向及纠偏控制。
本系统采用了两种类型的纠偏装置,放卷纠偏采用气液纠偏控制器,收卷纠偏采用光电纠偏控制器。
3.4.1放卷纠偏
1、工作原理
气动――液压自动纠偏装置由边缘位置监测器(又称气流喷嘴)微差压放大器、液压伺服控制器及液压油缸所组成。
检测器检测薄膜的边缘位置,薄膜边缘的左右移动引起气流喷嘴压力大小的变化,经过微气流差动放大,推动伺服阀使液压油缸动作,达到自动控制的目的。
控制器将先进的微气流放大原理与液压伺服技术综合在一起,由一个微型电动机油泵和恒压风机,产生液压能源及自动控制。
用的气源,缩小了体积,节约了能源,控制器采用一对上下气流喷嘴检测薄膜边缘的横向位移,具有抗干扰能力强灵敏度高和线性度好等特点。
微气流放大器采用差动放大原理,提高了放大倍数,增加了灵敏度及稳定性。
当电网电压发生波动以及气流变化时都不会影响控制器的控制精度。
经过调试能够满足工艺要求。
2、技术性能指标
电动机 功率0.75千瓦,电压380伏,转速2950转/分
油 泵 流量8升/分(也可12升/分)
工作压力 2.5mpa 一般用0.8-1.4mpa
恒压风机 风压200毫米水柱高,风量38升/分
油 缸 行程150~250毫米(根据具体情况而定)
最大推力 600kgf(5880N)
调节速度范围 0~120毫米/秒(油缸速度)
重复精度 0.1毫米~0.3毫
3.4.2收卷纠偏
1、工作原理
在物料卷绕过程中,由光电传感器检测边或线的位置,以拾取边或线位置偏差信号。
再将位置偏差信号传递给光电纠偏仪进行逻辑运算,向机械执行机构发出控制信号,驱动机械执行机构,修正物料运行时的蛇形偏差,保证物料直线运动。
左、右限位开关防止系统失控。
2、技术指标
跟踪标志宽度:
①对线工作标志线宽度>2mm
②对边工作边标志侧保持5mm以上同色区
光电传感器与物料的距离:
12mm+2mm
响应时间:
10ms
灵敏度:
+0.1mm
纠偏速度:
15~30mm/s
输出容量:
由电机的输出功率决定
3、光电传感器的位置
安装在收卷车上,随车移动,距离卷轴距离大于2倍料宽。
光电纠偏控制器驱动“步进电机+滚珠丝杠”,使收卷车跟踪物料,始终保持料边与卷轴垂直,最终使收料卷整齐。
如图所示
第四章卷绕系统电气设计
4.1电气原理图设计
电气设计是本系统中重要的组成部分,设计需保证产品工作安全、走线合理、易于安装、方便维护和检修的原则进行。
其中包括电气原理图、控制面板、元件布置的设计。
(控制面板图和元件布置图见附录)
图4-1电气原理图
4.2PLC发展史
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的,当时叫可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicController),目的是用来取代继电器。
以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。
提出PLC概念的是美国通用汽车公司。
PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,控制器的硬件是标准的、通用的。
根据实际应用对象,将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。
70年代中期以后,PLC已广泛地使作为中用微处理器央处理器,输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能,还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。
国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义:
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。
它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外围设备,易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的设计。
可编程控制器对用户来说,是一种无触点设备,改变程序即可改变生产工艺。
目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛的普及推广应用。
可编程控制器是面向用户的专用工业控制计算机,具有许多明显的特点。
4.3PLC的概念及特点
4.3.1PLC的概念
可编程序控制器,英文称ProgrammableController,简称PC。
但由于PC容易和个人计算机(PersonalComputer)混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写。
它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置,专为在工业现场应用而设计,它采用可编程序的存储器,用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令,并通过数字式或模拟式的输入、输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯,特别是PLC的程序编制,不需要专门的计算机编程语言知识,而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式,使用户
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