卷绕成型机设计中PLC和伺服控制系统的应用

李文才

【摘要】卷绕成型机从半自动化到自动化设计，需要依靠PLC和伺服控制系统的核心作用，从而实现运转功能和效率的提升。本文介绍了卷绕成型机的基本设计，并对PLC与伺服系统构成、应用与系统设计做了分析，希望能为卷绕成型机设计和使用提供参考。

【关键词】卷绕成型机；伺服系统；设计；应用

1.卷绕成型机的基本设计

卷绕成型机设计的基本思路是将传统设计中的电机控制改为伺服系统控制，成型部分手动改为电机控制，在PLC控制下完成运转，其3D结构图见图1。

图1 卷绕成型机3D结构图

卷绕成型机运转工作流程为：自动进筒装置完成空筒与卷绕绳线初始位置的方式→伺服电机控制按照卷绕方案运作的卷绕头→卷绕方案下总控装置控制卷绕位置并成型→完成卷绕，切断绳线，卸下成品卷筒。根据图1结构所示，伺服电机为皮带、皮带轮与齿轮等传统机构的动力源，齿轮旋转影响完成卷绕杆与头的旋转，可根据实际需求调整，达到美观效果。高速旋转下，要限定停止区域避免发生机械碰撞、卷筒碰撞与电气事故等。为卸筒方便，卷绕杆与头最佳关系为直角，可避免碰撞、连续卷绕，伺服电机位置控制作用是核心[1]。考虑到不同卷材需求，PLC与触摸屏连接提供不同卷绕方案，伺服电机与卷绕头配合完成卷绕任务。

2.PLC与伺服系统构成与应用

2.1 PLC与伺服系统的构成

对于卷绕成型机而言，PLC控制指令与编码器检测带的位置反馈脉冲共同进入伺服系统，通过比较位置信息进行准确矫正，完成速度控制器ASR的给定，调节电流与功率，确保卷绕头始终想着偏差减小的方向宣传。位置指令作为随机变量，输出必须准确跟踪变化，所以伺服系统内位置随动系统必须保证快速性、灵活性与准确性，这一使命由三闭环控制系统实现，通过速度环、电流环与位置环的配合实现控制目标。三闭环控制伺服系统构成见图2。

图 2 三闭环控制伺服系统

控制系统内速度与位置传感器检测运行速度并转化为光电编码反馈给系统，通过编码器转换并与磁极位置检测完成电枢电流控制。整流器将三相交流电变为直流电，并通过电容器滤波平滑后提供给逆变器，配合PWM信号驱动，完成交流电与直流电在伺服电机电枢绕组中的应用，其中PWM回路还会以一定频率触发功率器件的控制信号去，确保电压与输出频率随时保持协调，确保电枢绕组中电流的良好正弦性[2]。速度与电流的控制以PI调节为主，作用为减少震荡，稳定控制速度，以确保位置控制时具备快速响应能力和稳态时强势的转矩特征，抑制各种扰动。

2.2 PLC与伺服系统的应用

PLC脉冲信号与伺服电机脉冲信号需要经过电子齿轮的偏差设计才能够进入伺服控制器，电子齿轮作为分频器，可根据实际应用需要搭配分倍频值，PLC控制中，不顾及减速和编码器脉冲数，计算与应用相对简单。以本次研究中所提到的卷绕成型机为例，其具体应用情况如下：

条件：圈旋转角360°、机械结构的传动减速比3∶1、编码器反馈脉冲2500P/R、1指令单位定0.1°，旋转一周指令數：360/0.1=3600 个

电子齿轮比计算公式：（编码器脉冲数×4/负载轴旋转1圈的指令量）×减速比

则B/A=（2500×4/3600）×3=25/3

比如在伺服系统中使用信捷DS2-20P7伺服电机及驱动器，使用PLC进行编程，可实现输出3600个脉冲实现旋转一周，驱动卷绕头完成一周旋转，其中脉冲的数量决定了卷绕头旋转位置，脉动频率决定卷绕头旋转速度。

2.3 PLC与伺服控制系统的设计

PLC与伺服控制系统的设计以PLC为主控单位完成内部运行各个部分的协调与自动控制。PLC的多运动模块满足多样化控制需求，同时对于远距离电机也可通过总线网络通信方式实现同步调速与控制，减少布线数量，确保稳定性。PLC连接构成自动化系统，包括设定工艺参数、系统设备停送电、故障报警与自动化监控等，其电机结构运转流程从触摸屏、控制面板到PLC与扩展模块，最后送达气动结构、步进电机与伺服电机[3]。设计中可选用信捷XC5（PLC）与DS2-20P7（伺服电机）组合，功能性强，拓展性佳。设计这种系统需要较多的I/O点数，考虑到伺服驱动需要告诉脉冲，所以晶体管选用输出型，型号选择信捷CPU模块XC5-48T-E和扩展模块XC-E8TR，一共28个输入及输出，其他诸如控制按钮、开关、传感器与限拉开关等则选用适合型号。

做好硬件准备之后，在软件方面要根据运转流程进行设计，基本上保持启动→伺服电机控制卷绕头→步进电机控制档位成型→卷绕计数→气动装置卸筒→卸筒完成这一流程。在状态显示上，则以电检测复位→卷绕成型功能→报警处理→状态显示等部分组成。电检测复位确保系统处于准备就绪状态，急停报警对程序运行进行监测，及时发布报警信号，处理故障，同时停止主程序。经过实际应用调试之后，该卷绕成型机彻底完成，设计结构简单，功能强大，系统稳定性与拓展性较好，对比半自动化卷绕成型机来说优越性大幅度提升，满足了一些较常规的自动化使用功能，从应用性上来说结构上佳。

卷绕成型机作为重要生产设备，从半自动化走向自动化的过程需要依靠PLC和伺服控制系统发挥核心作用，从软硬件设计到具体应用都要围绕PLC和伺服控制系统，从而最终实现生产效率的提升和设备性能的提高。

3.参考文献

[1]司徒元舜,麦敏青.纺丝成网生产线中的高性能卷绕机[J].纺织导报,2011(12).

[2]徐新.基于PLC的智能仓储控制系统设计[J].江汉大学学报(自然科学版),2010(03).

[3]吉凤.基于PLC与伺服电机控制的机械手设计方案[J].科技资讯,2012(24).