PE料卷开卷机构控制方案的设计

李青青 佟河亭 胡玉景

摘要：  为提高集装箱液袋生产的自动化水平和生产效率，增加企业的经济效益，本文对PE袋切割设备的开卷机构进行了研究，分析了开卷机构的结构组成及工作原理，设计了系统的控制方案，并介绍了系统的主要程序。控制系统采用基于西门子S7-200 PLC作为控制器，根据检测张力传感器数据处理控制变频器。该方案可以满足放料机与储料机之间速度跟随的控制，提高了开卷的效率，满足了PE料切割的节拍要求，解决了PE料拖拽时易扯坏问题，为后续的切割工序提供了充足的PE储料，为PE切割设备定长下料的实现提供了理论依据。该研究具有较高的实用价值。

关键词：  PE料卷; 开卷机构; 可编程控制器; 变频器; 速度跟随

中图分类号： TP273 文献标识码： A

收稿日期： 2018-06-14; 修回日期： 2019-09-20

作者简介：  李青青（1992-），女，硕士研究生，主要研究方向为机器人。

通信作者：  佟河亭，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为液压与气压传动设计，计算机辅助设计及机器人。Email： tongheting@163.com

集装箱液袋是一种新型的运输容器，其适用于散装非危险液体或化学制品的运输，具有存储和包装功能[1]。液袋主要由聚乙烯PE（polyethylene）内袋和聚丙烯PP（polypropylene）外袋组成，袋子尺寸大且具有柔性[2]。PE料卷是筒形PE薄膜料缠绕料轴而成，料卷不能直接用于产品的加工制造，必须通过开卷机构将料卷展开，这样才能保证后续加工的进行。开卷机构大多适用于金属板材，该机构在原理上与PE料卷的开卷机构类似[3]。目前，国外的开卷生产线发展水平较高，比利时的LVD公司在此基础上利用编程控制实现了对不同厚度和长度金属板材的加工[4];意大利的Salvagnini公司采用数字化技术与计算机技术将金属板材进行柔性化加工，为金属板材的加工提供了新的思路。随着工业控制技术的不断提高，国内的自动化设备也在不断发展，开卷生产线的生产制造企业利用PLC、变频调速技术及伺服系统等技术，使开卷设备得到迅速发展和进步[5]。以上设备虽然在金属卷料的开卷技术上水平较高，但由于PE料具有柔性大，且易扯坏等特性，不能使用上述开卷机构。基于此，本文主要对PE料卷定量定速开卷机构的结构以及控制系统进行研究，根据料卷的张力值来控制料卷的转速，实现恒张力放料控制，同时可以与后续切割设备相适用，精度高且可靠性强。该研究提高了生产效率和企业竞争力。

1 开卷机构的结构组成及工作原理

PE料卷开卷机构是PE切割设备的一部分，主要包含放卷机构和储料机构两大模块。开卷机构结构示意图如图1所示。放卷电机通过链传动带动PE料卷转动放料，PE料通过导向轮1及由储料电机带动的主动放料组件在储料盘中进行储料，再通过导向轮2输送至后续切割设备。

由于开卷过程中料卷直径逐渐变小，线速度也随之变化，为使开卷的线速度维持在恒定值，本系统在导向轮1和主动放料组件之间安装张力传感器，以检测PE料的张力，储料机构上的储料电机可满足后续切割要求的恒定速度进行放料，放卷机构上的变频器通过张力传感器检测到的张力大小，及时调节变频电机的速度，与储料电机放料速度保持一致[6-7]。这种开卷方式，不仅满足了整个切割设备的节拍要求，也对PE料在开卷过程中可能受到的损伤降到最低。既不会由于放卷机构放料速度比储料机构速度慢而造成对PE料的拉扯，也不会由于储料机构速度过快，造成储料盘中大量料的堆积而在后续拖拽时对PE料造成伤害。

2 系统硬件组成

为保证各部分机构实现相应的功能，需要对控制元件、执行元件等进行选型。PE料卷的开卷机构有2个变频电机，即型号为BHI62URA的储料电机和型号为YVP802-4的放卷电机。

2.1 可编程控制器的选取

PE料卷开卷机构需要关机、开机、急停、气缸上/下限位开关和复位变频故障6个开关量输入;1个模拟量输入;放卷電机接触器、储料电机接触器以及电磁阀左/右位4个开关量输出和1个模拟量输出，共计12个I/O点。根据设计要求，选取西门子S7-200型PLC，中央处理器选取CPU224XP型号，有数字量14输入/10输出，模拟量2输入/1输出，满足要求，且方便以后对功能进行扩展[8-10]。

2.2 变频器的选取

考虑控制和接线的方便，选择西门子系列的PLC，并在满足控制要求的前提下，选择西门子MM440变频器，采用RS485的通讯方式[11]。

2.3 张力传感器的选取

GB/T4456—2008《包装用聚乙烯吹塑薄膜》[12-13]中规定，塑料薄膜的抗拉强度≥10 N/mm2。根据企业要求，开卷过程中PE料所受张力不得超过50 N，加上张力辊重力195 N，所以允许的张力范围是195～245 N。所选张力传感器型号为ZHZLZT，量程为0～500 N，灵敏度为0.1%，满足要求。

3 PLC接线原理

根据工作要求，分配I/O点数，I/O分配表如表1所示，绘制其端子接线图如图2所示。输入端均为DC24V接线，输出端除电机外均为AC220V接线，储料电机及放卷电机均用AC380V接线，张力传感器用DC24V供电。

4 软件部分设计

4.1 流程图

开卷流程图如图3所示。程序开始后，先进行初始化，将所有需要置位的寄存位置设为初始值。主动辊下降到位后，启动储料电机和放卷电机，然后对张力信号进行采集和比较，根据比较的情况再通过变频器调节放料电机的转速，使张力达到设定范围[14-15]。

为方便编程，在I/O分配表的基础上，添加编程内部符号表，内部符号表如图4所示。

4.2 主要程序及说明

4.2.1 模拟量输入子程序

张力传感器输出的电压为0～10 V，對应AIW值为0～32 000，由于其线性相关，张力模拟量转换[16]如图5所示。由图5可得

FXAIWX=50032 000

即

FX=AIWX×50032 000

因此，编写张力模拟量转换子程序，模拟量转换子程序如图6所示。模拟量输出子程序在原理上与模拟量输入子程序相同，在此不做详尽说明。

4.2.2 变频器参数设定

对变频器的控制，需要调用USS指令。USS是西门子专为驱动装置开发的通信协议，是一种基于串行总线进行数据通信的协议。USS指令库是西门子为方便用户使用USS协议进行通信而专门编写的库。USS初始化程序如图7所示，初始化指令USS_INIT用于启用或禁止PLC和变频器之间的信任。用SM0.1调用USS初始化指令USS_INIT，只在第一个扫描周期调用[17-18]。

USS控制程序如图8所示，控制指令USS_CTRL用于控制已经被USS_INIT激活的变频器，用SM0.0调用控制程序USS_CTRL，在每个扫描周期都执行此程序[19-20]。

USS控制程序比较实际测量张力与设定张力最小值195 N的差值形成相应的电压信号，并传输给变频器MM440，变频器根据电压信号的大小调节变频电机的转速快慢。在张力允许范围内，差值越大，电压信号值越大，变频器调节电机的转速越快;当张力值大于允许张力最大值245 N时，调速系统发生故障，常闭触点I0.2接通，变频器立刻停止电动机，同时停止储料电机，防止PE料被扯坏。当故障消除时，常开触点I0.5接通，复位变频器故障。

5 结束语

作为液袋生产线的首道工序，开卷机构的运行效率对整个生产线具有重要作用，本文对PE袋切割设备的开卷机构进行了研究，分析了开卷机构的结构原理及运动过程，设计了基于PLC的PE料卷开卷机构的控制系统。完成控制系统硬件选型和软件编程。PE开卷机构的控制系统可以满足PE料卷开卷的节拍要求，保证了PE料的质量，具有高精度、高效率和高可靠性等特点。该研究具有一定的实际应用价值。

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Design of Control Scheme for PE Roll Decoiler

LI Qingqing， TONG Heting， HU Yujing

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  In order to improve the level of automation and productivity of fluid bag and increase the economic efficiency of the enterprise， this paper studies the roll decoiler of PE bag cutting equipment， analyzes the structure and working principle of the decoiler， designs the control scheme of the system， and introduces the main program of the system. The control system is based on Siemens S7-200 PLC as the controller， according to the detection of tension sensor data control frequency converter. The scheme can meet the speed following control between the feeding machine and the storage machine， improve the efficiency of the decoiling， satisfy the beat requirement of the PE material cutting， solves the problem of easy damage of the PE material when dragging and provides sufficient PE material reserve for the subsequent cutting process. It provides a theoretical basis for the realization of PE cutting equipment， and has high practical value.

Key words：  PE roll; decoiler; programmable controller; frequency converter; speed following