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基于西门子PLC的复合机剥离座改进
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1 引言

贴纸铝箔是香烟包装行业的主要包装材料,由铝箔和纸料贴合而成。用于香烟盒的铝箔要分布均匀并且贴涂轻薄,但由于铝箔的柔韧性不强,易折断,所以不能直接把铝箔装在铝料辊上,只能先把铝箔粘贴在不易扯断的塑料膜上,然后再与原料座上的纸张贴合。这样一来,卷取座上卷取的成品就是纸、铝箔和塑料膜三者的合成。但是用于香烟盒中的铝纸却不能含有塑料膜,因为塑料膜是用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他树脂制成的,它不易腐烂,难以分解,并且对人体有害。所以,必须要在复合机后面再接上一个独立的塑料膜剥离机,从而使原料纸和铝箔粘合在一起。工人要先把卷取座上的产品取下来,再运送到独立的剥离机上。这样一来,就会影响产品的生产效率,占用生产车间的空间,增加企业的投入成本。

2 系统方案及策略

2.1 系统方案

针对上述问题,我们提出这样一种解决方法:将剥离机直接添加在复合机后面,使从烘箱里出来的次成品经过剥离机,在此阶段剥离,从而使塑料膜平整地卷取在剥离座上,便于下次使用;纸料和铝箔的贴合物直接卷取在卷取座;并且使剥离机的控制系统与复合机的控制系统相集成,使其成为一个整体,从而节约成本、提高产品的生产效率。因此,改进后的复合机工作结构图如图1所示。

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2.2 控制策略

复合机的放、收卷是一个典型的大时变非线性系统,而且中间经过的生产环节较多,各机组间的张力又相互耦合,因此,若不对生产线的张力进行严格控制,会导致走料的不稳、跳动甚至断料,贴合时的皱褶、拉伸变形,印刷时的不准或重影,卷取时的不平整,影响后续使用等现象的发生从而直接影响到烟箔产品的质量。因此,如何使生产线实现恒张力控制一直是设计人员所关注的重要课题。

从烘箱出来的次成品经过剥离机后,要将塑料薄膜均匀地卷取在剥离座的剥离辊上,而纸和铝箔要均匀地卷取在成品卷取座上,这就要求塑料膜和成品二者的速度保持一致,并且两者的张力要求恒定。因此,我们需要采用精度较高的变频器和编码器构成一个闭环控制,从而保证卷膜速度与成品卷取速度一致;还需要采用一个精度较高、抗干扰较强的张力传感器构成一个闭环控制,从而保证剥离辊卷膜张力恒定,工作原理如图2所示。

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图2 剥离座工作原理图

2.3 张力模型分析

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图3卷膜辊卷绕系统简图

卷膜辊卷绕系统简图如图3所示,设塑料膜张力为f,卷膜辊直径为d0,前一单元m1m2运行中塑料膜线速度为v1,后一单元n1n2运行的线速度变为v2。如果v2>v1,则塑料膜被拉伸,张力f变大;如果v2newmaker.com

式中:ε为塑料膜的弹性模量;σ为塑料膜的截面积;l为传动点之间的距离;t1为工作起始时间,t2为工作当前时间[2]。

由上式可见,塑料膜在作为张力调节对象时,是一个积分环节。控制张力实际就是在控制线速度差v2-v1,所以,从某种意义上来说,张力控制系统实际上就是一种线速度跟踪系统。在启动过程中,假定v1恒定,应该总是控制在v2>v1,以使塑料膜内产生一定的张力,当张力达到合适值时,应该及时调节异步电机使v2稳定,这样,塑料膜就在此张力下稳定运行了[3]。

为了使塑料膜卷取的均匀平整,我们要求塑料膜的卷取线速度和系统的工作速度保持一致,设系统的工作速度为v,所以变频器接收的控制电压的一部分u1可由以下公式得到:

u1=kv×v

其中,kv为比例系数。

在收卷过程中假定v2恒定,则线速度v2=π×d2×n2,v2将随卷径d2的增大成正比例增大,张力f也成正比例增大,这样很容易引起卷绕过程中塑料膜的过度拉伸而导致变形甚至断裂。

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图4 系统网络结构图

所示,在工作过程中,为了使张力保持恒定,则要求卷膜线速度并不完全与系统工作速度一致,变频器接收的控制电压的另一部分u2可由以下公式得到:

u2=kx×upid

其中,kx为pid输出限副比例,upid为pid输出电压值[4]。

卷径公式d2如下:

d2=n×d×2+d0

其中,n为计数器计数个数,d为塑料膜厚度,d0为初始卷径。

即可得到变频器接受的控制电压为:

u=u1+u2=kv×v+kx×upid

3 系统实现

3.1 系统硬件配置

由于原复合机的控制器采用siemens公司的s7-300 plc cpu313c完成较复杂的控制,tp27触摸屏作为人机界面,方便地实时观测系统的运行情况,设置各种参数。所以,对于后续的剥离机我们也选择相同型号的控制器,从而简化通信程序,提高程序的可靠性。由于s7-300 plc cpu313c自带有24di、16do、5ai和2ao,而剥离座的控制i/o比较少,故不需要添加额外的输入输出模块,此外,还包括控制器电源模块ps307。鉴于本系统对通信的速率要求不高,同时通信数据量也不大,我们采用简单经济的mpi通信,实现剥离座plc与原系统plc之间,剥离座plc与原系统触摸屏之间的通信[5],其网络结构如图4所示。带动卷膜辊的电机,我们选择西门子公司的基本异步电机;变频器选择西门子通用的micromaster440变频器。

3.2 软件设计

系统的编程采用siemens公司的step7 v5.3实现,编程语言用到了梯形图(lad)和语句表(stl)两种,分别完成逻辑控制和数值处理功能;触摸屏采用siemens公司的protool v6.0进行组态。剥离座控制系统流程图如图5所示。

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图5 程序流程图

该系统主要的软件模块有:pid算法、张力微调功能、自动控制功能、通信功能、电机运行功能、张力滤波功能、角速度电压功能等。其中,把pid算法和张力滤波功能都放在了ob35中断功能块中,这样可以实时获得pid输出电压值和实际张力值;对于通信功能,我们使用step7 v5.3中自带的系统功能sfc67和sfc68,这样可以使通信功能更加方便,编程更加简洁;在求卷膜辊的角速度电压时,要用到塑料膜的实时卷径,于是我们使用了step7 v5.3中自带的高数计数模块sfb47,对当前的卷膜次数进行计数,进而计算出当前的卷径。

pid算法是这个控制系统的核心,它直接决定这个系统的精度高低甚至稳定与否,本系统采用应用工业上广泛而成熟的积分分离pi控制算法。它的控制思想为:为了减少积分校正对控制系统动态性能的影响,需要在控制开始阶段或是大幅值变化时,取消积分校正;而当实际张力值与设定值的误差小于一定值时,恢复积分校正作用,以消除稳态误差。积分分离式算法可以保持积分的作用,同时减小超调量,改善控制系统的性能。

4 结束语

本文是一个实际项目完成后的一些总结和提炼,从湿式复合机的生产工艺流程入手,针对当前复合机在印刷行业中的不足,对其进行了部分改进,从而大大提高了生产效率,减少企业投入成本。本文中所画出的一些原理示意图和结构流程图是实际系统的简化,而并非实际系统的真实结构。本系统采用siemens s7-313c型plc作为控制器,实现了塑料膜与成品协调一致地均匀卷取。软件设计采用模块化设计思想,程序结构清晰,为以后的维护和改进带来了方便。pid算法控制是剥离座运行的核心,也是影响塑料膜是否平整的主要因素。运行结果表明,改进后的复合机控制系统运行正常,性能良好,塑料膜和成品能够均匀平整地收卷,与未改进之前相比,能够节省大量时间,提高了产品的生产效率。
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