PLC在準(zhǔn)確定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

在絲網(wǎng)印刷過程中，由于紙張和油墨質(zhì)量等因素的影響，需要臨時調(diào)整印刷速度以保證印刷質(zhì)量。同時，印刷機在制動時有一個特殊要求：即自停機指令發(fā)出且印完前張紙后，不能再有叼紙和印刷的動作，否則油墨就會印到滾筒上，導(dǎo)致不能繼續(xù)印刷。這就是說不論滾筒轉(zhuǎn)速快慢，其停止過程所經(jīng)過的角位移應(yīng)是相等的。而普通機械高速運動時制動所需的時間較長，所需制動路程也較長。針對印刷機這種特殊制動要求，我們研究了一種用PLC和變頻調(diào)速器控制印刷機制動的方法，該控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)框圖

二、通過控制開始制動的時刻，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的

如果要使印刷機在制動時，不論印刷機的轉(zhuǎn)速高低，都能停在同一位置，則首先需要知道印刷當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低去控制制動過程。制動過程的原理是：在滾筒的某一位置上安裝一個位置上安裝一個位置傳感器SQ1。當(dāng)停止按鈕按下或緊急事故停機信號發(fā)出后且滾筒在SB1位置，才使機器進入制動程序。制動程序的工作原理是，制動動作應(yīng)在經(jīng)過SQ1位置后的某個時刻開始，我們把從SQ1到制動動作開始的這段時間稱作制動參數(shù)Tzd。印刷機在高速運轉(zhuǎn)時應(yīng)使Tzd置小些，盡量早地執(zhí)行制動的動作。在低速運轉(zhuǎn)時應(yīng)使Tzd置大些，適當(dāng)晚地執(zhí)行制動的動作。用這種方法就可以使印刷機在不同轉(zhuǎn)速情況下準(zhǔn)確地停在同一位置。

三、制動程序

綜上所述，制動程序應(yīng)包括測速，計算制動參數(shù)T_zd和執(zhí)行制動，下面分別介紹。

1、測速

在印刷機動力輸入軸端部安裝一個角位移傳感器SQ2，使該軸每轉(zhuǎn)一周可以向可編程序控制器的高速計數(shù)端子發(fā)出12個脈沖，并在高速計數(shù)器上獲得該脈沖的計數(shù)值。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，高速計數(shù)器的計數(shù)值就會不斷累加。通過編程，可以在規(guī)定的時刻將該計數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲器N1中，然后經(jīng)過0.05 s再將該計數(shù)值取出并放在數(shù)據(jù)存儲器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速值。當(dāng)T保持不變時，N值越大表明轉(zhuǎn)速越高。這樣就可以把轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換成速度信號，如圖2所示。

圖2 測速脈沖波形示意圖

圖2a中計數(shù)脈沖來自主傳動軸的信號，該信號頻率與SQ2檢測的主機轉(zhuǎn)速成正比。圖2b中的時鐘脈沖是PLC控制器中提供的，它有3種周期即0.1 s，0.2 s和1 s；可根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低選用適當(dāng)周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，時鐘周期選得大，則測速時間長，該轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)值也就大，建立數(shù)學(xué)模型時就可以細(xì)分，產(chǎn)生更精確的制動效果。反之，如果時鐘周期選得小，則制動效果就粗糙些。用戶可根據(jù)機械設(shè)備的情況自行選定。圖2c中的脈沖是對圖2b的時鐘脈沖進行前沿和后沿微分，以便取出間隔為0.05 s、0.1 s和0.5 s的信號，該信號的寬度是應(yīng)用程序的循環(huán)周期的一半。用該信號從計數(shù)器中取出當(dāng)前計數(shù)值N1和N2，由程序計算出其差值N。

2、計算制動參數(shù)T_zd

數(shù)值N還必須用數(shù)學(xué)模型T_zd=f(N)轉(zhuǎn)為T_zd值才能作為PLC的制動延時參數(shù)。數(shù)學(xué)模型要適合印刷機的機械慣量，還要滿足印刷機的制動要求：即當(dāng)N值增大時T_zd則相應(yīng)減小，下面是兩種可選用的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示。

圖3　數(shù)學(xué)模型

從圖3可以看到制動參數(shù)Tzd隨N值增大而減小，通過調(diào)整數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)就能找到最佳的Tzd值。

3、執(zhí)行制動

有了T_zd值就可以實施制動，在PLC中T_zd作為計時器的參數(shù)，當(dāng)計時參數(shù)到預(yù)定值后就可以接通制動。由于印刷機的慣性較大，應(yīng)盡早利用變頻調(diào)速器的降頻制動功能先把轉(zhuǎn)速降下來，所以不經(jīng)T_zd延時直接開始降頻制動。而電磁制動則是經(jīng)T_zd延時才開始的。之所以要用兩種制動是因為變頻調(diào)速器的降頻制動特點是采用降頻對電動機進行制動。一但選定了降頻斜率則在高速運轉(zhuǎn)時，制動所需的時間就會較長。這與上述的制動要求相反。所以，只能利用變頻調(diào)速器完成制動過程的一部分，即降速的過程。定位制動過程由PLC控制電磁制動器來完成。通過采用不同的數(shù)學(xué)模型去控制電磁制動開始的時刻，可以很方便地控制動量的變化，從而達(dá)到所要求的制動精度。

上述制動過程必須由PLC軟件控制，制動控制流程圖如圖4所示。

圖4 制動控制流程圖

四、設(shè)計要求和主要配置

設(shè)計要求為：①印刷速度：600～3　200張/小時；②電動機轉(zhuǎn)速：284～1515 r/min；③變頻器輸出頻率：10～53 Hz；④定位精度：±3mm。

主要硬件配置為：①三相鼠籠異步電動機2.2 kW一臺(帶電磁制動器)；②西門子MM220型變頻器2.2 kW一臺；③日本OMRON C60P型可編程序控制器一臺。

三相異步電動機的制動，除了傳統(tǒng)的機械摩擦式制動外，還有變頻器的降頻制動。由于絲網(wǎng)印刷機的印刷速度隨印刷條件經(jīng)常改變，所以采用變頻調(diào)速器可以滿足絲網(wǎng)印刷機調(diào)速和特殊制動的要求。我們選用西門子MM220型變頻調(diào)速器。用其頻率下降(制動曲線)的梯度影響制動過程。制動時間越短，其制動效果越明顯。這只粗略地解決了在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)使電機降速，但對不同轉(zhuǎn)速如何都停在同一位置的問題還要靠確定制動參數(shù)T_zd來解決。

由于制動的準(zhǔn)確性取決于諸多因素如轉(zhuǎn)動慣量，制動電機摩擦制動效果，降頻制動曲線的斜率等，所以要根據(jù)現(xiàn)場情況確定近期數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。這對PLC編程器來說是不難辦到的。

五、結(jié)束語

目前，絲網(wǎng)印刷機多采用模擬量(測速電機)控制。本文介紹的控制系統(tǒng)可以很容易地完善原有的控制。我們用此方法對舊進口絲網(wǎng)印刷機進行了改造，經(jīng)過3年多的運行證明，該控制方式能達(dá)到設(shè)計要求，定位精度小于±2mm。由于采用軟件控制的停機方式，使該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易及不用準(zhǔn)確計算機械慣量等優(yōu)點。該技術(shù)對停機位置有較高要求且經(jīng)常變動工作轉(zhuǎn)速的機械具有推廣價值。

該控制系統(tǒng)的研制得到天津新特印刷廠工程技術(shù)人員的大力支持，在此深表謝意。