基于PLC层绕机张力与排丝系统的设计与分析

田胜利，刘银，曹国宏，李镀锋

(中国地质大学(武汉)机电学院，湖北武汉430074)

排丝机系统在纺织和纺纱工厂里应用已经较为广泛和普遍了，现在排丝机也广泛地应用于塑料、金属、印刷等行业。在这些行业中，发现排布的那些材料比较细，而且没有张力，对它们进行高精度的排丝有一定的困难，因此需要一个高精度排丝系统来解决这种问题。

1 排丝机的总体控制方案设计

1.1 排丝机的机械结构

线缆卷绕机由放线机构、绕线机构和排线机构三部分所组成。在排线过程中只要绕线电动机和排线电动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕。其中绕线排线机构如图1所示。

图1 卷绕排丝机构

1.2 卷取张力控制方案

图2所示的控制系统中，主调节器为张力调节器，主调节器接受张力定值信号;速度调节器在主轴转动时保持线速度的恒定，电流调节器保证电机的稳定。两条副回路只是在卷取过程中起粗调作用，而主回路才是对卷取张力的细调。当张力高于或低于设定值时，其调节器发生调节信号，校正卷取系统的给定值，不断纠正张力，保持卷取时张力的恒定。

图2 卷取张力控制系统方案

1.3 排丝控制方案

图3 中的主调节器为位置调节器，保证每次排丝都能达到所需的位置，接下来传递给矢量调节器，到达一定位置后能往相反的位置行走。在整个过程中，要保证导轨丝杠行走的速度保持一定。通过速度调节器，保证速度保持稳定。

图3 排丝控制系统方案

2 排丝机控制系统设计

此次设计的控制系统中，参与运作的主要设备器件有伺服电机机、变频器、交流异步电动机、PLC。其中伺服电机和交流异步电动机实现对各个控制环节的调节;变频器对重要控制参数进行调节调整;PLC作为核心控制器最终实现排丝的控制系统。

2.1 硬件设计

整个控制系统由PLC、变频器、驱动器等构成。PLC 是控制中心，完成所有的运算和自动控制;变频器是电能控制装置，能实现对由伺服电机驱动的横动装置部分和由交流异步电机驱动的卷绕装置部分的变频控制;控制面板和触摸屏接收到速度脉冲的信号与PLC 进行信息交换形成自动控制，硬件系统的连接如图4所示。

图4 硬件系统连接图

2.2 I/O 地址分配表

西门子S7-200 系列作为排丝机系统的控制器，进行全开关量输入、输出的控制，完成西门子S7-200型PLC 对控制系统的作用。其中I/O 地址分配图如表1所示。

表1 I/O 地址分配图

2.3 I/O 接线图

I/O 地址接线图如图5所示。它和表1所示的电气控制系统的资源配置I/O 口地址分配相对应。

图5 I/O 接线图

3 系统的仿真

为检验此设计系统的可靠性、正确性以及稳定性，在这里使用MATLAB 语言来实现仿真，确定系统的可靠性，验证所做设计的准确性。

3.1 恒张力仿真

由于此系统恒张力控制比较复杂，不易精确求得数学模型、被控对象的参数变化较大，因此采用PID校正能得到满意的控制效果。

经上文分析可以知道，卷取张力的控制实际是一个速度跟踪器，下面将对这一系统进行仿真。张力仿真控制框图如图6所示。

图6 张力仿真控制框图

被控系统为一个二阶系统，其中，Kt=46.67，τt=0.001 46，得出张力惯性传递函数如下所示:

利用MATLAB 实现，输入参数:

Kr=400Tp=10-6TI=10-3

通过闭环系统采用PID 校正，得出如图7所示的阶跃响应曲线。

从仿真结果可以看出:改进后，张力环的响应时间明显缩短，并且也能很快保持稳定状态，使得卷取张力能很好地保持稳定。

图7 阶跃响应曲线

3.2 排丝伺服系统的仿真

排丝系统主要是由伺服电机控制的，而来回往复运动是由位置控制的，因此，这里主要测试位置环的阶跃性。

图8 位置环框图

被控系统为一个二阶系统，根据二阶系统单位阶跃响应的超调量和阻尼比ξ 之间的关系，可求得ξ=0.69，ωn=140.27，得出传递函数如下:

所需的主轴变频率利用MATLAB 实现，其参数设置如下:

T=40K=0.05 τ=1.0

从图9 可以看出:位置环的响应时间明显缩短了，位置阶跃超调明显小于传统，因此改进后位置环的稳定程度有所提高，也就是说明排丝伺服机构的稳定性改善。

图9 位置环的阶跃响应曲线

4 结束语

简介排丝机机械结构的组成和工作原理。为实现焊丝的自动排丝，设计了硬件控制系统和软件控制系统。硬件由模拟量采集模块来处理张力传感器输入的张力信号，由可编程序控制器对模拟量模块的信号进行操作和计算，模拟量输出传给变频器，变频器可以实现对电机速度的控制，以实现焊丝的高精度排丝。并且能使排丝伺服系统适应各种变化而不断地修正控制器的参数，控制速度环跟随理想模型，从而使位置环输出达到理想效果，实现高精度排丝。

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