?? 1 引言

　?? 紙管機是一種紙料加工機械，它以單光面牛皮紙為原料，經(jīng)過切刀成片，將其卷成紙卷的設(shè)備。生產(chǎn)的紙管主要用于穿在的橫粱上，代替塑料外皮，符合環(huán)保的標準。將紙管用作衣架橫梁的外殼，就可根據(jù)需要調(diào)整直徑，而衣架的重量不變，克服了傳統(tǒng)金屬和塑料衣架弊端。此外，經(jīng)過噴漆的紙管外形美觀。還可起到滑輪的作用。該種紙管衣架主要大批量向國外出口，專門生產(chǎn)該種紙管的機械，在國內(nèi)幾乎是空白。

　　國內(nèi)相似的紙類產(chǎn)品加工機多為半自動機型，主要采用機械傳動的方式實現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機內(nèi)進行卷管，生產(chǎn)效率比較低，不能適應(yīng)時代的要求。設(shè)計開發(fā)的是全自動機，無需人工送紙，實現(xiàn)了送紙、切紙、卷紙全自動化生產(chǎn)，有效的提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造的效益。

?????? 全自動紙管機的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計具有如下的特點：

　　(1)采用先進的PLC和數(shù)字通訊技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)過程。PLC的靈活性編程，利于程序的閱讀、修改和維護。系統(tǒng)中通訊用到的自由口協(xié)議，編程簡單，不需要另購模塊，開發(fā)成本低。

　　(2)變頻器控制電機傳動平穩(wěn)、維護工作量小、現(xiàn)場環(huán)境清潔。通過自由口協(xié)議對變頻器進行控制，極大地減少了線路連接的復(fù)雜性，避免了現(xiàn)場可能的各種電磁干擾對控制設(shè)備的影響。

　　(3)自動化程度較高，通過人機界面實現(xiàn)計數(shù)、計時計算產(chǎn)能、系統(tǒng)監(jiān)控、故障自動識別，自動報警等功能，使機械安全性提高。系統(tǒng)維護簡單，有效的降低了工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，產(chǎn)能大大提高。

　　2 紙管機控制系統(tǒng)分析

　　紙管機要求實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)自動送紙，自動抹膠，自動卷紙等功能，生產(chǎn)速度可實時調(diào)節(jié)，在整個工藝過程中，要求系統(tǒng)高速運行時穩(wěn)定，并且廢品率低。

　　根據(jù)客戶提出的的要求，依據(jù)以下原則進行方案設(shè)計：

　　(1)實用性;以解決實際問題為主，堅持為客戶的生產(chǎn)服務(wù)的原則。以往人工生產(chǎn)為每分鐘8個.客戶要求自動化生產(chǎn)能達到每分鐘60個左右，有效的提高生產(chǎn)效率。并且要兼顧未來的發(fā)展趨勢，采用成熟的技術(shù)。

　　(2)易用性：系統(tǒng)操作簡便、直觀，以利于各個層次的人員使用。

　　(3)經(jīng)濟性：以節(jié)約成本為基本出發(fā)點，設(shè)計成一個運行可靠、滿足客戶實際需求的全自動卷管設(shè)備。

　　(4)可靠性：是評價系統(tǒng)安全最重要的因素。為確保系統(tǒng)可靠運行，在關(guān)鍵部分應(yīng)有安全報警和保護措施。

　　(5)可維護性：系統(tǒng)從設(shè)計、元件、設(shè)備等的選型都必須考慮到系統(tǒng)的可管理性和可維護性。

　　根據(jù)以下設(shè)計原則，并綜合考慮紙管機工作現(xiàn)場的環(huán)境因素，采用觸摸屏作為人機界面進行交互式操作。利用可視化的操作界面可以實現(xiàn)運行速度設(shè)定，系統(tǒng)控制，產(chǎn)能計算，調(diào)試維護，報警顯示等功能。觸摸屏安放在操作臺上，便于員工操作;控制柜放置在臺下，既節(jié)省了電纜和空間，又方便運行、操作和管理。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計是本課題的基礎(chǔ)。在借鑒相關(guān)領(lǐng)域成熟卷管設(shè)備的基礎(chǔ)上，機械部分運用機構(gòu)學(xué)和力學(xué)原理進行分析和改進，提出了模塊化設(shè)計的思路，使本課題在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上進一步提高機構(gòu)運行的穩(wěn)定性和精度。

　　通過對制造工藝的研究，初步擬定了設(shè)備的結(jié)構(gòu)方案。主要由四大模塊組成：磨邊機構(gòu)、送料機構(gòu)、導(dǎo)紙機構(gòu)、卷紙機構(gòu)，如圖1所示。

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　　圖1 結(jié)構(gòu)方案

　　3 設(shè)計方案

　　紙管機控制系統(tǒng)選用艾默生EC 10-2416BTA PLC作為控制器，eView的MT4400觸摸屏作為人機界面進行參數(shù)設(shè)置，相關(guān)信息讀取等，完成變頻器運行頻率參數(shù)設(shè)置，產(chǎn)品計數(shù)，生產(chǎn)計時，系統(tǒng)監(jiān)控，參數(shù)修改等功能。艾默生EV1000變頻器做驅(qū)動，控制主軸電機的運行，給整個生產(chǎn)線傳動，并且頻率實時可調(diào)，控制生產(chǎn)效率。磨邊電機和吸風(fēng)電機主要是用來將紙的一邊打磨薄(便于涂膠和卷卷)并將其碎末吸走，通過PLC輸出到熱繼電器控制其輸出，防止電機在運行過程中因電流過大燒毀電機，有效的保障系統(tǒng)設(shè)備的安全運行。

　　輸入電源380V空氣開關(guān)(總開關(guān))控制，分別引入到磨邊電機、變頻器各自獨立的空氣開關(guān)上。220V接入PLC、吸風(fēng)電機、直流電源、變壓器，變頻器逆變?yōu)?10V接Kinco伺服驅(qū)動器。PLC的輸入輸出以及傳感器的驅(qū)動電路由24V直流電源供給。

　　3.1 變頻器與HMI的通訊

　　把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行。該設(shè)備中使用的為50Hz的電機，但當頻率達到30Hz時，已經(jīng)滿足系統(tǒng)生產(chǎn)要求，頻率過高會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且成品率低。開機時需要緩慢上升到設(shè)定頻率，故需要變頻器來調(diào)節(jié)主電機運行頻率來滿足生產(chǎn)線需求。由于沒計中為了生產(chǎn)線的安全可靠性，將變頻器放在了控制柜中，這樣變頻器上的調(diào)節(jié)頻率的旋鈕不能起到作用，這就需要我們用另外一種方式通訊，我們選定了觸摸屏作為上位機，通過觸摸屏上的旋鈕來調(diào)節(jié)頻率，這就需要在觸摸屏，變頻器和PLC之問建立起一種可靠的通訊方式，EV1000支持Modbus協(xié)議，但是需要添加模塊才能實現(xiàn)此功能。在默認的情況下支持自由口協(xié)議。所謂自由口協(xié)議，就是可以由用戶定義的通訊協(xié)議，將CPU與任意通訊協(xié)議公開的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，如上位機，變頻器等。用戶可以設(shè)置特殊寄存器的參數(shù)改變通訊口的波特率、數(shù)據(jù)格式(數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位)，以適應(yīng)不同的通訊協(xié)議。此協(xié)議需要用戶在PLC內(nèi)編程實現(xiàn)通訊功能。

　關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

　　變頻器設(shè)置

　　在通訊方式控制之前，需通過的控制面板進行下列參數(shù)設(shè)置：

　　F0.00=2 頻率給定通道設(shè)置為串行口給定;

　　F0.03=2 頻率給定通道設(shè)置為串行口給定;

　　FF.00 通訊參數(shù)設(shè)置(波特率、起始位擻據(jù)位、停止位、校驗位)，確保與PLC串口一致;

　　FF.01 變頻器地址設(shè)置0127，127為廣播地址;

　　PLC設(shè)置

　　在ControlStar“系統(tǒng)塊”的“通訊口”選項卡中設(shè)置相應(yīng)的通訊參數(shù)，如表1所示。

　　表1 PLC通訊參數(shù)設(shè)置

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　　通訊口協(xié)議編程啟動方式，由于串口同一時刻必能被一個通訊占用，所以在調(diào)用多個通訊類程序時，要注意到程序間的互鎖問題。實現(xiàn)方法主要是在程序中通過對SM122，SM123的復(fù)位，在實現(xiàn)命令的傳送與接收功能。

　　開機后變頻器的運行頻率為0Hz，此時變頻器已經(jīng)啟動，但是沒有輸出，電機不運行，直到觸摸屏上的頻率參數(shù)被修改(被修改的是PLC寄存器內(nèi)的值)，觸發(fā)了設(shè)定頻率子程序，子程序?qū)⑿薷暮蟮念l率傳給變頻器執(zhí)行并在液晶屏上顯示，這就實現(xiàn)了自由口的修改變頻器頻率的通訊。

　　PLC、變頻器之間采用主從方式進行通訊，PLC為主機，變頻器為從機。采用半雙工雙向通訊，從機只有在收到主機的地讀寫命令后才發(fā)送數(shù)據(jù)，在程序中通過對SM122，SM123的復(fù)位，在實現(xiàn)命令的傳送與接收。PLC控制軟件編程上采用模塊式結(jié)構(gòu)各種功能的子程序模塊通過主程序有機的結(jié)合起來，使系統(tǒng)運行可靠。

　　PLC在第一次上電時，執(zhí)行初始化，對端口及SM122，SM123進行初始化，為增加程序可靠性，在初始化完成后。如檢測到端口空用時則執(zhí)行RSTSM122指令接口處于接敗狀態(tài)，程序如下：

　　∥初始化

　　LDSM122

　　EV

　　RSTSM122

　　RSTSM123

　　程序中用到的幾個幀實例如下：

　　變頻器啟動-010200000183\r

　　設(shè)定頻率-0102000103E80264\r

　　帶頻率反向啟動-0102000203E80265\r

　　變頻器停機-01020007018A\r

　　3.2 人機界面的設(shè)計

　　系統(tǒng)選用的是eView的MT4400系列，通過觸摸屏要實現(xiàn)以下功能：變頻器運行頻率的設(shè)定;系統(tǒng)監(jiān)控;產(chǎn)能計算;調(diào)試維護;報警信息。

　　在觸摸屏上將給定頻率的數(shù)值存儲在PLC的寄存器D25中，界面上添加調(diào)節(jié)頻率的加減按鈕，就實現(xiàn)了頻率的實時可調(diào)功能。

　　寄存器D25內(nèi)的值通過急停按鈕，系統(tǒng)開關(guān)按鈕的上升沿復(fù)位，從而從程序上保證廠系統(tǒng)運行的安全性，減少了安全隱患。設(shè)計好的變頻器運行頻率的設(shè)定界面，如圖2所示。

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　　圖2 變頻器運行頻率的設(shè)定界面

　　系統(tǒng)監(jiān)控主要是將被控元件用運行燈表示在界面上，當系統(tǒng)運行時，被控元件被觸發(fā)時就在監(jiān)控界面上顯示閃爍狀態(tài)，表示該設(shè)備正在運行中。

　　產(chǎn)能計算主要適用于計算生產(chǎn)效率，通過宏代碼來實現(xiàn)：

　　#include"maerotypedef.h"

　　int MaeroEntry()

　　{

　　If(D30_R!=O)

　　D134_W=D31_R-D132_R;

　　D135_W=(D31_R-D132_R)*600/D30_R;

　　return0：

　　}

　　D31_R內(nèi)存儲運行時間內(nèi)生產(chǎn)的總數(shù);D132_R內(nèi)存儲的是廢品的數(shù)量;D134_W存儲合格產(chǎn)品的數(shù)量，宏觸發(fā)時計算出結(jié)果;D30_R是運行時間計時;單位為秒;D135_W為生產(chǎn)效率，取整數(shù)，單位個，分鐘，宏觸發(fā)時計算出結(jié)果。

　　在產(chǎn)能計算界面上還添加了清零按鈕，可以隨時將寄存器D31、D30內(nèi)的值清零。保證了系統(tǒng)的頻率有改動時可以準確地計算出當前的生產(chǎn)效率。智能操作界面，如圖3所示。

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　　圖3 智能操作

　　調(diào)試界面用于系統(tǒng)的維護和調(diào)試，可實現(xiàn)各個電機的單獨運行。調(diào)試界面的使用，減少了PLC的控制點數(shù)，降低成本;同時也簡化了操作系統(tǒng)。省去傳統(tǒng)機械上的眾多按鈕，簡化了工人操作，實現(xiàn)智能操作。調(diào)試界面，如圖3(b)所示。

3.3 伺服系統(tǒng)

　　該伺服系統(tǒng)由kinco伺服電機及其電源模塊，編碼器，卷紙傳感器和定位傳感器組成。充分利用了kinco伺服電機快速啟停，適合大慣量，內(nèi)部可編程，控制模式自由切換，豐富的原點模式等諸多功能，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，廢品率降低，減少因電機失步或脈沖丟失造成的樣品定位錯位現(xiàn)象，減少了設(shè)備的損壞率，很好的滿足了生產(chǎn)的工藝要求。

　　伺服控制成型紙卷管的難點在于如何確定傳感器位置，使伺服系統(tǒng)在紙到位后立即精確卷管，且保持同其他工序在時間上的配合。伺服電機的原點定位是設(shè)計的難點，其中，兩個傳感器的定位是難點之一。既要保持控制方便.又要保證機械結(jié)構(gòu)上的美觀和易于實現(xiàn)。伺服電機卷管之后保持在原點位置，設(shè)計將反射片固定在伺服電機的主軸垂直方向上，當反射片隨主軸轉(zhuǎn)動觸發(fā)定位傳感器為“ON”狀態(tài)時.標定為原點位置。開機運行時如果傳感器不在“ON”狀態(tài)，則執(zhí)行回原點程序，從而保證系統(tǒng)的安全準確，減少了廢品率。當成型紙片涂膠完畢送到位后，觸發(fā)卷紙傳感器，伺服電機接收到信號進行卷管。已成型的紙管由撥片送至成品箱內(nèi)。

　　在系統(tǒng)正常運行后，每次卷管時還會觸發(fā)回原點傳感器為“ON”狀態(tài)，這就與卷管程序相矛盾。因此在系統(tǒng)開始正常運行后將回原點伺服程序置為無效，以保證后續(xù)程序的正常運行。

　　4 結(jié)論

　　全自動紙管機最高每分鐘可到60個，并且運行穩(wěn)定，成品率高，維護成本低，達到了客戶的需求。該系統(tǒng)在投入使用后，運行穩(wěn)定，達到理想的效果。