基于PLC及变频器的印刷机控制系统的硬件设计(共20页)

精选优质文档-倾情为你奉上基于PLC及变频器的印刷机控制系统的硬件设计摘 要印刷机在日常食品包装中占有重要地位，它的产品质量取决于张力控制。现代印刷机几乎无一例外地采用了变频器张力控制系统，这种控制方式的特点是：运行可靠、机械磨损小、控制精度高，适用于高速多套色凹版印刷机。论文主要内容如下：1概述了变频器与PLC的工作原理和性能；2推导了浮辊检测系统模型、变频器交流异步电动机传动模型，完善了收放料装置的动力学模型、张力模型、收料张力控制模型；3在数学模型的基础上，开发了系统控制应用程序。4编写出PLC与变频器自由口通信协议，得出新型的控制方案。关键词印刷机；张力控制；变频器；PLC；自由口通信The Hardware Design of Printing Machine Control System Based on PLC and InverterElectrical Engineering and Automation SI Yun-kuiAbstract：Printing machine is important for daily food packaging. The quality of its product depends on the tension control. The tension control system consist of PLC and inverter is adopted in the modem printing machine. This system has its advantages such as stabilization, small weal and tear and high control precisions so it is applied to multi-colors rotogravure printing machines. Following are the main contents of this thesis: outline of working principle and performance of PLC and inverter; Derivation of dancing roller detection system model and Inverter AC asynchronous motor driving model. development of system control applications based on the above models and PID control algorithm to certificate the models; development freeport communication protocol.Key words: printing machine; tension control; inverter; PLC; freeport communication目 录1专心-专注-专业1 引言1.1 课题背景随着人们物质文化生活水平的提高和消费观念的改变，国内包装市场近十年来每年以20以上的速度增长，而且印刷的质量和品位也在不断的提高。而凹版印刷作为一种重要的印刷方法，在国外一直有着稳定的发展。近十多年来，随着新技术、新材料的不断出现，特别是包装、装潢和建材工业的发展，给凹版印刷技术带来更为广阔的发展前景。上个世纪70年代以来，凹版印刷机的发展经历了几个发展阶段。无论在生产率方面还是在操作自动化方面，都在不断地提高和改进。体现在张力控制方面表现为经历了磁粉张力系统交流变频调速控制系统伺服电机无轴控制系统几个发展阶段。而在我国，变频驱动系统才起步不久，印刷水平相对比较落后，与世界先进的印刷技术还有一定的差距。1.2 课题的研究目的和内容凹版印刷机是一个复杂的控制对象，主要表现在以下几个方面，一是它各环节之间耦合强，常常是一个环节张力发生波动，对其他环节的张力也会造成影响；二是时变性，即对象随着时间的推移不断变化，主要表现在收放料卷径的不断变化，这给选择控制器造成了很大的难度；三是不确定性，例如，机械的安装精度和料卷的偏心等。基于以上三种原因，凹版印刷机控制起来非常复杂。本课题的主要工作如下：本课题以交流变频驱动的凹版印刷机及其张力控制系统为研究对象，推导了摆辊检测系统模型，迸一步完善了料卷转径和转动惯量和实时扰动模型。在上述模型的基础上，针对目前已在使用的七电机控制系统，改进现有PLC程序，设计整个系统的控制程序；同时，利用PLC与变频器的RS485通信接口，开发出PLC与变频器自由口通信协议，克服由于使用扩展通信模块而带来的系统响应速度慢的缺点，以求达到更加快速、稳定的张力控制效果。2 印刷机控制系统的总体方案设计2.1 七电机张力控制系统凹印机控制系统主要是由PLC与七台变频器（分别控制两台放卷、两台收卷电机以及主电机、入料牵引、出料牵引电机各一台）组成的，简称为七电机控制方式。在控制工程中使用了PC机或者高端的PLC作为上位机，以一台或多台PLC作为下位机，每台下位机通过可编程扩展模块与若干台智能设备(包括变频器)进行通信，从而实现分布式控制，可以实现复杂的控制功能。目前处于领先地位的控制系统使用单台PLC，通过数字量输出控制七个变频器的启动及停止，通过模拟量输出扩展模块EM232调整变频器的运转速度指令。这样大大节省了PLC通信网络的成本，但是PLC的I/O点数是有限制的，使用扩展模块控制变频器影响了整机的功能扩展并且由于模块的A/D转换影响系统的运行速度。2.2 PLC控制变频调速系统随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的快速发展，交流变频技术已经广泛应用到工业生产中。利用变频器对交流电动机进行调速控制的张力系统，可以实现大范围内高效连续调速控制，容易实现放卷、收卷方向的正反转切换，在不停机换轴时减少由于张力波动产生的废料等。在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。由PLC和变频器及其电机组成的印刷机控制系统，通过控制驱动印刷版筒的主电机以及放卷、入料牵引、出料牵引、收卷各个电机的线速度同步来达到张力稳定，具有响应快速的特点，并且可以提供良好的设定功能，以满足各种材料的工艺特性。2.3 系统组成方案整机控制采用西门子S7200系列PLC、三菱变频器F700，以及浮动辊上的旋转电位器组成的闭环控制系统。浮动辊上的电位器检测当前浮动辊位置，亦即张力状况，以模拟电压信号反馈给PLC；PLC根据任务要求及自身程序，计算出相应输出，通过自由图1 张力系统示意图口通信读取变频器工作状态，并向变频器发出指令，保证各个电机工作在同步状态，使张力保持稳定。张力系统示意图如图1所示，整机张力实际上分为四段张力：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。PLC是整个系统的核心部分。系统中主要执行元件的动作均由PLC的输出点控制，PLC根据设计要求，时刻调整输出指令。变频器的工作原理如图2所示，将动力电源经过三相全波整流、直流平滑以后，通过PWM(脉宽调制)方式对逆变电路得半导体开关元件进行开闭，并通过调整输出脉冲的宽度，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源，来实现对异步电动机的调速控制。整流电路直流中间电路逆变电路控制电路交流电频率或电压可调的交流电图2 变频器的结构框图系统通电以后，PLC即开始扫描各个输入点的状态，以及检查通信口是否可用。当连接至PLC的开关量输入端的“启动”、“加速”等按钮依次动作以后，PLC根据用户编写的程序，向变频器发送指令。在PLC发送的数据包中，速度指令对应着变频器的模拟量速度指令输入，变频器正是根据这个指令来调整PWM控制电路的输出。当工作环境发生变化(如材料松紧程度、机器运行速度、收放卷的直径大小等)，张力随即改变，浮动辊的位置也发生变化，浮辊电位器反馈给PLC的电压随之改变，PLC的PID控制器将调整输出指令，变频器也就控制电机做出相应的加减速动作，以恢复张力的平稳。3 张力控制分析3.1 凹印机各个部分的工作过程3.1.1 放卷部分放卷部分主要由放卷回转架组成。放卷回转架简化示意图如图3所示，它由可以在垂直平面自由转动的两个装料轴组成。放卷部分有自己的传动机构，通过调整放卷电机输出频率，可以使放卷的料膜达到期望的速度。图3 回转架示意图放卷部分的一大特点是可以自动测量新料卷的直径，并在高速印刷过程中进行料卷的不停机自动切换，大大地促进了生产的连续性，提高了生产效率。但料卷在高速自动切换时必然会引起张力的波动，而且由质量和转动惯量都更大的新卷切换小质量和小惯量的旧卷，在控制量的切换上会形成困难，因此它对张力控制系统提出了更高的要求。具体的自动放卷和自动接料的过程如下：(1)正常供料，新料卷贴上双面胶带，旧料卷快要放完时，让回转架反向转动。(2)定位，当回转架碰上一个固定的光电开关时停止转动，此时回转架转过一个角度，限位开关动作，开关信号送到PLC的数字量输入点。(3)新料卷加速到同步，PLC程序根据人机界面上设定的新料卷直径，以及当前机组的线速度给定，对新料卷进行加速，加速到与旧料卷同步。(4)接料压辊压下，将旧料膜压在贴着双面胶的新料卷上，新旧料卷同以相近的速度转动，当设定新料卷转动时间到达后，切刀伸出进行切料，加在旧料卷上的控制量也同时被切换的新料卷上。3.1.2 牵引部分牵引部分分为放卷牵引和收卷牵引，料膜以一定的速度平稳的导入印刷机组；也叫做引入和引出。放卷牵引主要是把收卷牵引则将料膜以一定的速度平稳地导出到收卷装置。牵引部分有自己的传动机构，能在一定的程度上协调系统的张力，使各个环节的张力保持相对恒定。此外，牵引环节还可以缓冲收放卷环节振动时对印刷部分产生的冲击。除此之外，浮动辊、导向辊等也有牵引料膜的作用。3.1.3 印刷部分印刷滚筒采用压印滚筒，结构如图4所示。图4 印刷部分示意图压印滚筒通常不需要驱动装置，而是由印版滚筒与之接触产生的摩擦力带动产生旋转。压印滚筒对印版滚筒施加的压力较大，两者不会发生相对滑动。因此对压印滚筒的直径没有具体的要求，但对滚筒的正圆度和圆柱度有较高的要求。墨斗提供印刷时所用的油墨，刮刀用于刮去空白部分的油墨，只剩下图文部分的油墨。3.1.4 收卷部分收卷部分与放卷部分大致相同，它们的不同点在于：(1)收卷部分没有也不需要转径自动测量的功能，因为它的新卷直径就是空轴的直径，预先可知，不用测量。(2)收卷部分需要张力的锥度控制，即张力大小随着收卷料卷直径的增大而有规律地减少。3.1.5 附属装置本课题所研究的多色机组式凹版印刷机的附属装置主要包括导向辊，浮辊和一些检测机构。浮辊是最重要的附属机构，其结构如图5所示。图5 浮辊系统示意图由于本印刷系统没有配备直接的张力检测机构和线速度实时检测机构，使得浮辊在张力控制系统中承担着相当重要的作用。在放卷、放卷牵引、收卷牵引、收卷四个重要的环节上都配备了浮辊，浮辊通过活塞与低摩擦气缸相连，根据料膜印刷所需要的张力要求，在印刷前手工对气缸进行张力设定，该张力值为印刷张力的设定值。一旦气缸的张力被设定，就不会被改变。印刷过程中所需要的工作张力通过气缸进行设定，该设定值被反映到浮辊上，张力控制系统根据浮辊检测出来的偏差进行速度补偿，通过控制各个传动环节的电机转速，使得整个生产线上的料膜线速度保持一致，以此实现料膜恒张力控制。3.2 各环节建模3.2.1 浮辊模型浮辊在凹版印刷系统中的作用非常重要，如图5所示，它主要由浮辊和气缸组成，浮辊和气缸之间有一个连杆连接，浮辊的一端O点固定，浮辊绕O点摆动，通过连杆带动气缸的活塞运动，而气缸的一端固定在B点，气缸绕B点摆动。由图6可知，根据力矩的平衡定理，当浮辊处于垂直位置时，料膜的张力等于系统的设定张力，这样，可以通过向气缸内充不同量的气体，改交系统的设定张力，从而满足印刷工艺的要求。从表观上看，浮辊系统的摆幅的大小反映了张力控制的有效程度，张力的控制效果就是要使浮辊摆幅最小，理想情况是使浮辊处于垂直位置。从控制系统的角度看，它却是一个检测装置，在O点附加了一个电位计，浮辊摆动时带动电位计运动，这样浮辊电位计电压的变化就反映了系统张力的变化，然后反映到控制器内进行调整。图6 浮辊系统的平衡状态图7 浮辊处于某一位置时的状态上述图中：-气缸端点B到浮辊的气缸轴线方向距离；-O点到浮辊中心的位置；-O点到连杆的A点的位置：-气体对浮辊的推力；-张力；-气缸内气体的高度；-气缸的仰角；-辊的摆角。为了求得浮辊摆角和张力的函数关系，为了更好的简单明了得到各量的关系，将图6和图7简化得到几何位置图和转矩关系图8，这样从中可以简单明了的推导出各个变量的关系。图8 浮辊处于某一位置时的几何简图浮辊摆幅通过电位计的电压来表征，浮辊摆动引起与之通过齿轮相连的电位计转动，由浮辊摆角可以得到电位计摆角，可以得到一个电位计检测电压u，电位计摆角，与电压豁之间也有一个对应关系，这个关系很简单，是一个线性关系。电位计的检测模型可以表示：式中-浮辊和电位计间齿轮传动比。通常（为电位计的供电电压）为线性系数，由电位计自身参数决定。3.2.2 张力模型张力产生的示意过程如图9所示，料膜由前一辊送出，其线速度为印刷机械的工作速度，第二环节的线速度为，为纸张卷入第二环节的张力，设纸张的弹性模量为，横截面积为，两环节之间的长度为，为纸张由第一环节到达第二环节的时间，根据胡克定律得，由此可知，若需控制纸张张力，就必须控制，即两环节速度差，可见有些张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。图9 张力产生示意图3.2.3 收放卷装置动力学模型典型的印刷机械传动系统包括以下组成部分：电动机、联轴器、齿轮传动单元 (齿轮箱)、滚筒。齿轮传动单元可以是单级或多级传动，主要依赖于传动系统的传动比。最后一级传动轴是小齿轮与滚筒同轴，且小齿轮与输出轴相连，而齿轮箱的输出轴是用来驱动两个滚筒的。放卷料卷的受力情况比较复杂，它的受力情况跟预设印刷张力、加减速给定斜率有关。当预设印刷张力较小，或者给定加减速斜率比较大(加速度大)的时候，电机处于电动状态，料卷的受力如图10所示；当预设印刷张力较大，或者给定加减速斜率比较小(加速度小)的时候，电机处于发电状态，料卷的受力如图11所示。图10 电机电动状态时放卷料卷受力模型图11 电机发电状态时放卷料卷受力模型为了避免模型过于复杂，考虑到在通常情况下，给定加减速斜率比较小，预设印刷张力相对来说较大，电机基本上处于发电机状态，所以，我们认为在电机加减速和稳定工作时处于发电状态。有一个情况例外，当系统上电建立初始化张力时，料膜的初始张力为零，电动机处于电动状态，当达到稳态时，料膜张力与电机的电磁转矩相等。在电机处于发电状态下，放卷料卷所受动力矩为料膜张力所产生的力矩，阻力为电磁转矩和阻力力矩，将多轴传动系统等效为电机轴上的单轴系统，则放卷装置加减速和稳定工作时电动机力矩方程为：式中-料膜张力； -料卷卷径； -电磁转矩； -阻力转矩； -极对数； -空间角速度； -传动比； -单轴等效传动惯量；由电动机的转动惯量和料卷的等效转动惯量两部分组成。而料卷轴的转动惯量又由料卷转动惯量和空轴转动惯量组成，是时变的，是卷径的函数，是时间的函数，是固定值。收卷部分电机通常只工作在电动状态，其实时转动惯量的计算与放卷完全相同。其动力学模型的推导也类似，其受力分析如图12所示。图12 收料卷受力示意图收卷料卷历受动力矩为电磁转矩，阻力为料膜张力所产生的力矩和摩擦转矩，将多轴传动系统等效为电机轴上的单轴系统，则收卷部分电动机力矩方程为：3.3 控制系统综述张力控制不仅是印刷控制的必要组成，而且是核心部分，张力控制的效果直接关系到印刷质量的优劣，其控制系统如图13所示：图13 张力控制系统简图当工作环境发生变化(如材料松紧程度、机器运行速度、收放卷的直径大小等)，张力随即改变，浮动辊的位置也发生变化，浮辊电位器反馈给PLC的电压随之改变，PLC的PID控制器将调整输出指令，变频器也就控制电机做出相应的加减速动作，以恢复张力的平稳，闭环控制系统如图14所示。图14 闭环控制系统框图4 PLC硬件部分设计4.1 PLC的硬件结构S7-200系列PLC提供多种具有不同I/O点数的CPU模块和数字量、模拟量I/O扩展模块供用户选用。CPU模块和扩展模块用扁平电缆连接，可以选用全输入型或全输出型的数字量I/O扩展模块来改变输入/输出点的比例。具有功能强、寻址方法灵活方便、通信功能强大等优点。本课题选用CPU226系列PLC，它适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信口。4.2 印刷机控制系统的硬件设计4.2.1 PLCI/O分配表1 PLC的I/O分配表输入输出I0.0光电发射器Q0.0空转I0.1预备Q0.1运行I0.2运转Q0.2放卷AI0.3加速Q0.3放卷BI0.4减速Q0.4收卷AI0.5压辊离/合Q0.5收卷BI0.6停止Q0.6放卷正翻转I0.7放翻转启停Q0.7放卷反翻转I1.0光电接收器Q1.0放摆臂I1.1放翻转限位Q1.1放胶辊I1.2放换轴/接料Q1.2放切刀I1.3收翻转启停Q1.3收卷正翻转I1.4收翻转限位Q1.4收卷反翻转I1.5收换轴/接料Q1.5收摆臂I1.6变频器故障Q1.6收胶辊/切刀Q1.7电铃4.2.2 PLC硬件接线PLC的硬件接线如图15所示，图中左侧为输入信号元件，包括按钮、限位开关等；右侧为输出执行元件，包括中间继电器、指示灯、电磁阀、交流接触器等。图15 PLC的硬件接线图依次按 “预备”、“运转”按钮，各段浮辊张力控制投入，机器处于零速张力运行状态。按“压辊离合”按钮，各个印刷单元的压印胶辊压下。按“加速”按钮，机器按照设定的“加速时间”自动加速。如果加速过程中没有人工干预，机器的线速度最终将达到设定的“速度设定”值；在加速过程中，按“减速”按钮，机器将停止加速，并维持在当前线速度上运行。按“停止”按钮，机器按设定的“停止时间”停止。正常自动接料裁切动作，只有在主机启动状态下有效。当前放卷料卷上的材料即将放完时，手动按回转架上的“翻转启动停止”按钮，回转架自动翻转，到达初始位置时由于限位开关的作用自动停止，同时切刀摆臂落下。当新料卷的外周把切刀摆臂上的光电开关挡住以后，翻转停止，同时新放卷轴开始旋转。当新料卷旋转的线速度达到机器运行线速度后，按“换轴接料”按钮，旧卷料膜在切刀压辊的作用下压到粘有粘胶带的新卷上，经过一定延时后切刀摆臂上的切刀气缸动作，切刀切下，把旧卷料膜切断，旧卷放卷轴停止旋转，新卷正式投入工作，两个放卷轴的工作指示灯的工作也完成转换。5 PLC自由口通信的实现5.1 S7-200的自由口模式S7200系列PLC是西门子公司主要产品之一。它具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块，在我国应用非常广泛。S7200支持多种通信协议，如PPI、MPI、自由端口模式。在自由口模式下，用户自定义与其他串行设备通信的协议或使用其它串行设备的通信协议。由于三菱变频器规定了通信协议，S7-200必须遵守该协议才能与之通信。因此在这种情况下，就可以使用S7200的自由端口模式及相关指令按照三菱变频器的通信协议设计程序与之通信。在自由端口模式下，使用发送指令XMT和接受指令RCV，可以发送和接收数据。使用发送指令XMT将启动自由端口模式下数据缓冲区(TBL)的数据发送。通过指定的通信端口(PORT)发送存储在数据缓冲区中的数据。使用接收指令RCV可以接收一个或多个字符，通过指定的通信端口(PORT)存储在数据缓冲区(TBL)中。5.2 三菱变频器专用协议在自由口模式下，PLC与变频器通信遵循三菱变频器专用协议。首先，按照变频器通讯规格对变频器参数进行设置。其次通信采用以下步骤：1向变频器发送要求数据；2经变频器等待时间后；3从变频器向PLC发送返回数据；4等待变频器处理事件后；5进行再处理。PLC对变频器进行运行状态监控、运行频率设置、启动、停止等操作。5.3 PLC与变频器的连接PLC S7-200与三菱变频器通信采用RS485接口的串行方式。S7-200侧为九针接口，三菱变频器为RS485端子，采用二线式连接，电缆接线如图16所示。图16 PLC与变频器的连接5.4 程序设计PLC通信程序框图如图17所示，分为三大部分，由主程序、子程序和中断程序组成。图17 自由口通信程序框图主程序主要是调用通信设置子程序和各控制指令子程序，并发送各种运行和监示指令。中断程序的作用是为了正确接收变频器发回的每组数据，以监示变频器的转速。PLC端口每收到一个字，都会产生一个中断事件。结束语张力控制是印刷工艺中的重要环节，直接影响着印刷制品的质量。张力值选择合理与否取决于正确的设计计算，而合理的张力值能否得以准确和稳定的实施，则取决于张力控制系统。本文主要完成了一下几个方面的工作：(1) 在对张力控制系统进行理论分析的基础上，建立了系统的数学模型；(2)进行了PLC和变频器硬件部分的设计；(3)实现了PLC和变频器的自由口通信。但是，在目前国外先进制造商已经开发出伺服电机无传动轴控制系统的形势下，我们仍然面临巨大的挑战，需要努力提高自身的技术水平。参考文献1 西门子公司SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册2003年2月02版：4-152 张燕宾变频调速应用实践北京：机械工业出版社2001：62-653 何炜德塑料印刷入门浙江科学技术出版社1999年5月：91-924 郁汉琪主编，电气控制与可编程序控制器应用技术M南京：东南大学出版社，2003：141-154。5 邓忠华，郭应锋套色印刷系统中的张力控制包装与食品机械2003年第2l卷第6期：326 盛卫锋印刷机械中的张力控制包装工程200122(2)：4-77 平志韩可编程序控制器及其在包装机械中的应用初探19892，包装与食品机械：14-198 吴忠智，黄立培，吴加林调速用变频器及配套设备选用指南北京：机械工业出版社，2002：2-49 Paul PlanateApplying Electromagnetic Clutches and BrakesInstruments & Control System1988：31-3210 王鹏矢量变频器在印刷张力控制上的应用制造业自动化200325(7)：63-6411 周希章，周全电动机的起动、制动和调速2001年7月第2版北京：机械工业出版社，2001：128-13012 陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社2000：305-31013 左云凹版印刷机张力控制系统数学建模与仿真沈阳：东北大学2002致谢我要衷心的感谢我的指导老师xx老师，x老师在繁忙的教学工作之余，精心辅导我的课题，让我在基础理论和实际应用等方面都得到了很大的进步。在中期考核和论文写作期间，x老师总是在第一时间给予指导意见，让我得以及时发现问题。他在教学工作中亲历亲为、严谨认真的治学态度也时刻鼓励着我。最后感谢评阅本论文的各位老师，感谢他们对本人论文提出的宝贵意见。