畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC及變頻器的印刷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1、基于PLC及變頻器的印刷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計摘 要印刷機(jī)在日常食品包裝中占有重要地位，它的產(chǎn)品質(zhì)量取決于張力控制?，F(xiàn)代印刷機(jī)幾乎無一例外地采用了變頻器張力控制系統(tǒng)，這種控制方式的特點是：運(yùn)行可靠、機(jī)械磨損小、控制精度高，適用于高速多套色凹版印刷機(jī)。論文主要內(nèi)容如下：1概述了變頻器與PLC的工作原理和性能；2推導(dǎo)了浮輥檢測系統(tǒng)模型、變頻器交流異步電動機(jī)傳動模型，完善了收放料裝置的動力學(xué)模型、張力模型、收料張力控制模型；3在數(shù)學(xué)模型的根底上，開發(fā)了系統(tǒng)控制應(yīng)用程序。4編寫出PLC與變頻器自由口通信協(xié)議，得出新型的控制方案。關(guān)鍵詞印刷機(jī)；張力控制；變頻器；PLC；自由口通信The Hardware

2、Design of Printing Machine Control System Based on PLC and InverterElectrical Engineering and Automation SI Yun-kuiAbstract：Printing machine is important for daily food packaging. The quality of its product depends on the tension control. The tension control system consist of PLC and inverter is ado

3、pted in the modem printing machine. This system has its advantages such as stabilization, small weal and tear and high control precisions so it is applied to multi-colors rotogravure printing machines. Following are the main contents of this thesis: outline of working principle and performance of PL

4、C and inverter; Derivation of dancing roller detection system model and Inverter AC asynchronous motor driving model. development of system control applications based on the above models and PID control algorithm to certificate the models; development freeport communication protocol.Key words: print

5、ing machine; tension control; inverter; PLC; freeport communication目 錄 HYPERLINK l _Toc69115363 1 引言1 HYPERLINK l _Toc69115364 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc69115364 h 1 HYPERLINK l _Toc69115366 1.2 論文的研究目的和內(nèi)容 PAGEREF _Toc69115366 h 1 HYPERLINK l _Toc69115367 2 印刷機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc69115367 h 1 HYPERLI

6、NK l _Toc69115368 2.1 七電機(jī)張力控制系統(tǒng) PAGEREF _Toc69115368 h 1 HYPERLINK l _Toc69115369 2.2 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _Toc69115369 h 2 HYPERLINK l _Toc69115370 2.3 系統(tǒng)組成方案 PAGEREF _Toc69115370 h 2 HYPERLINK l _Toc69115371 3 張力控制分析 PAGEREF _Toc69115371 h 3 HYPERLINK l _Toc69115372 3.1 凹印機(jī)各個局部的工作過程 PAGEREF _Toc691

7、15372 h 3 HYPERLINK l _Toc69115373 3.1.1 放卷局部 PAGEREF _Toc69115373 h 3 HYPERLINK l _Toc69115374 3.1.2 牽引局部 PAGEREF _Toc69115374 h 4 HYPERLINK l _Toc69115375 3.1.3 印刷局部 PAGEREF _Toc69115375 h 4 HYPERLINK l _Toc69115376 3.1.4 收卷局部 PAGEREF _Toc69115376 h 5 HYPERLINK l _Toc69115377 3.1.5 附屬裝置 PAGEREF _T

8、oc69115377 h 5 HYPERLINK l _Toc69115378 3.2 各環(huán)節(jié)建模 PAGEREF _Toc69115378 h 6 HYPERLINK l _Toc69115379 3.2.1 浮輥模型 PAGEREF _Toc69115379 h 6 HYPERLINK l _Toc69115380 3.2.2 張力模型 PAGEREF _Toc69115380 h 7 HYPERLINK l _Toc69115381 3.2.3 收放卷裝置動力學(xué)模型 PAGEREF _Toc69115381 h 8 HYPERLINK l _Toc69115383 3.3 控制系統(tǒng)綜述

9、PAGEREF _Toc69115383 h 10 HYPERLINK l _Toc69115384 4 PLC硬件局部設(shè)計 PAGEREF _Toc69115384 h 10 HYPERLINK l _Toc69115385 4.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc69115385 h 10 HYPERLINK l _Toc69115386 4.2 印刷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc69115386 h 10 HYPERLINK l _Toc69115387 4.2.1 PLC I/O分配 PAGEREF _Toc69115387 h 11 HYPERLINK l

10、_Toc69115388 4.2.2 PLC硬件接線 PAGEREF _Toc69115388 h 11 HYPERLINK l _Toc69115389 5 PLC自由口通信的實現(xiàn) PAGEREF _Toc69115389 h 14 HYPERLINK l _Toc69115390 5.1 S7-200的自由口模式 PAGEREF _Toc69115390 h 14 HYPERLINK l _Toc69115391 5.2 三菱變頻器專用協(xié)議 PAGEREF _Toc69115391 h 14 HYPERLINK l _Toc69115392 5.3 PLC與變頻器的連接 PAGEREF _

11、Toc69115392 h 14 HYPERLINK l _Toc69115393 5.4 程序設(shè)計 PAGEREF _Toc69115393 h 14 HYPERLINK l _Toc69115394 結(jié)束語15 HYPERLINK l _Toc69115395 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc69115395 h 16 HYPERLINK l _Toc69115396 致謝 PAGEREF _Toc69115396 h 171 引言1.1 課題背景隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高和消費(fèi)觀念的改變，國內(nèi)包裝市場近十年來每年以20以上的速度增長，而且印刷的質(zhì)量和品位也在不斷的提高。而凹版印刷作

12、為一種重要的印刷方法，在國外一直有著穩(wěn)定的開展。近十多年來，隨著新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，特別是包裝、裝潢和建材工業(yè)的開展，給凹版印刷技術(shù)帶來更為廣闊的開展前景。上個世紀(jì)70年代以來，凹版印刷機(jī)的開展經(jīng)歷了幾個開展階段。無論在生產(chǎn)率方面還是在操作自動化方面，都在不斷地提高和改良。表達(dá)在張力控制方面表現(xiàn)為經(jīng)歷了磁粉張力系統(tǒng)交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)伺服電機(jī)無軸控制系統(tǒng)幾個開展階段。而在我國，變頻驅(qū)動系統(tǒng)才起步不久，印刷水平相比照擬落后，與世界先進(jìn)的印刷技術(shù)還有一定的差距。1.2 課題的研究目的和內(nèi)容凹版印刷機(jī)是一個復(fù)雜的控制對象，主要表現(xiàn)在以下幾個方面，一是它各環(huán)節(jié)之間耦合強(qiáng)，常常是一個環(huán)節(jié)張力發(fā)生波

13、動，對其他環(huán)節(jié)的張力也會造成影響；二是時變性，即對象隨著時間的推移不斷變化，主要表現(xiàn)在收放料卷徑的不斷變化，這給選擇控制器造成了很大的難度；三是不確定性，例如，機(jī)械的安裝精度和料卷的偏心等。基于以上三種原因，凹版印刷機(jī)控制起來非常復(fù)雜。本課題的主要工作如下：本課題以交流變頻驅(qū)動的凹版印刷機(jī)及其張力控制系統(tǒng)為研究對象，推導(dǎo)了擺輥檢測系統(tǒng)模型，迸一步完善了料卷轉(zhuǎn)徑和轉(zhuǎn)動慣量和實時擾動模型。在上述模型的根底上，針對目前已在使用的七電機(jī)控制系統(tǒng)，改良現(xiàn)有PLC程序，設(shè)計整個系統(tǒng)的控制程序；同時，利用PLC與變頻器的RS485通信接口，開發(fā)出PLC與變頻器自由口通信協(xié)議，克服由于使用擴(kuò)展通信模塊而帶來的

14、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的缺點，以求到達(dá)更加快速、穩(wěn)定的張力控制效果。2 印刷機(jī)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計2.1 七電機(jī)張力控制系統(tǒng)凹印機(jī)控制系統(tǒng)主要是由PLC與七臺變頻器分別控制兩臺放卷、兩臺收卷電機(jī)以及主電機(jī)、入料牽引、出料牽引電機(jī)各一臺組成的，簡稱為七電機(jī)控制方式。在控制工程中使用了PC機(jī)或者高端的PLC作為上位機(jī)，以一臺或多臺PLC作為下位機(jī)，每臺下位機(jī)通過可編程擴(kuò)展模塊與假設(shè)干臺智能設(shè)備(包括變頻器)進(jìn)行通信，從而實現(xiàn)分布式控制，可以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。目前處于領(lǐng)先地位的控制系統(tǒng)使用單臺PLC，通過數(shù)字量輸出控制七個變頻器的啟動及停止，通過模擬量輸出擴(kuò)展模塊EM232調(diào)整變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度指令。這樣

15、大大節(jié)省了PLC通信網(wǎng)絡(luò)的本錢，但是PLC的I/O點數(shù)是有限制的，使用擴(kuò)展模塊控制變頻器影響了整機(jī)的功能擴(kuò)展并且由于模塊的A/D轉(zhuǎn)換影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。2.2 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速開展，交流變頻技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。利用變頻器對交流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的張力系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)放卷、收卷方向的正反轉(zhuǎn)切換，在不停機(jī)換軸時減少由于張力波動產(chǎn)生的廢料等。在進(jìn)行調(diào)速控制時，可以通過控制變頻器的輸出頻率使電動機(jī)工作在轉(zhuǎn)差率較小的范圍，電動機(jī)的調(diào)速范圍較寬，并可以到達(dá)提高運(yùn)行效率的目的。由PLC和變頻器及其電機(jī)組成的印刷機(jī)

16、控制系統(tǒng)，通過控制驅(qū)動印刷版筒的主電機(jī)以及放卷、入料牽引、出料牽引、收卷各個電機(jī)的線速度同步來到達(dá)張力穩(wěn)定，具有響應(yīng)快速的特點，并且可以提供良好的設(shè)定功能，以滿足各種材料的工藝特性。2.3 系統(tǒng)組成方案整機(jī)控制采用西門子S7200系列PLC、三菱變頻器F700，以及浮動輥上的旋轉(zhuǎn)電位器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。浮動輥上的電位器檢測當(dāng)前浮動輥位置，亦即張力狀況，以模擬電壓信號反應(yīng)給PLC；PLC根據(jù)任務(wù)要求及自身程序，計算出相應(yīng)輸出，通過自由圖1 張力系統(tǒng)示意圖口通信讀取變頻器工作狀態(tài)，并向變頻器發(fā)出指令，保證各個電機(jī)工作在同步狀態(tài)，使張力保持穩(wěn)定。張力系統(tǒng)示意圖如圖1所示，整機(jī)張力實際上分為四段張力

17、：放卷、入料至印刷、印刷至出料、收卷。PLC是整個系統(tǒng)的核心局部。系統(tǒng)中主要執(zhí)行元件的動作均由PLC的輸出點控制，PLC根據(jù)設(shè)計要求，時刻調(diào)整輸出指令。變頻器的工作原理如圖2所示，將動力電源經(jīng)過三相全波整流、直流平滑以后，通過PWM(脈寬調(diào)制)方式對逆變電路得半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行開閉，并通過調(diào)整輸出脈沖的寬度，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，來實現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。整流電路直流中間電路逆變電路控制電路交流電頻率或電壓可調(diào)的交流電圖2 變頻器的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)通電以后，PLC即開始掃描各個輸入點的狀態(tài)，以及檢查通信口是否可用。當(dāng)連接至PLC的開關(guān)量輸入端的“啟動、“

18、加速等按鈕依次動作以后，PLC根據(jù)用戶編寫的程序，向變頻器發(fā)送指令。在PLC發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，速度指令對應(yīng)著變頻器的模擬量速度指令輸入，變頻器正是根據(jù)這個指令來調(diào)整PWM控制電路的輸出。當(dāng)工作環(huán)境發(fā)生變化(如材料松緊程度、機(jī)器運(yùn)行速度、收放卷的直徑大小等)，張力隨即改變，浮動輥的位置也發(fā)生變化，浮輥電位器反應(yīng)給PLC的電壓隨之改變，PLC的PID控制器將調(diào)整輸出指令，變頻器也就控制電機(jī)做出相應(yīng)的加減速動作，以恢復(fù)張力的平穩(wěn)。3 張力控制分析3.1 凹印機(jī)各個局部的工作過程3.1.1 放卷局部放卷局部主要由放卷回轉(zhuǎn)架組成。放卷回轉(zhuǎn)架簡化示意圖如圖3所示，它由可以在垂直平面自由轉(zhuǎn)動的兩個裝料軸組成。

19、放卷局部有自己的傳動機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整放卷電機(jī)輸出頻率，可以使放卷的料膜到達(dá)期望的速度。圖3 回轉(zhuǎn)架示意圖放卷局部的一大特點是可以自動測量新料卷的直徑，并在高速印刷過程中進(jìn)行料卷的不停機(jī)自動切換，大大地促進(jìn)了生產(chǎn)的連續(xù)性，提高了生產(chǎn)效率。但料卷在高速自動切換時必然會引起張力的波動，而且由質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量都更大的新卷切換小質(zhì)量和小慣量的舊卷，在控制量的切換上會形成困難，因此它對張力控制系統(tǒng)提出了更高的要求。具體的自動放卷和自動接料的過程如下：(1)正常供料，新料卷貼上雙面膠帶，舊料卷快要放完時，讓回轉(zhuǎn)架反向轉(zhuǎn)動。(2)定位，當(dāng)回轉(zhuǎn)架碰上一個固定的光電開關(guān)時停止轉(zhuǎn)動，此時回轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)過一個角度，限位開關(guān)動作

20、，開關(guān)信號送到PLC的數(shù)字量輸入點。(3)新料卷加速到同步，PLC程序根據(jù)人機(jī)界面上設(shè)定的新料卷直徑，以及當(dāng)前機(jī)組的線速度給定，對新料卷進(jìn)行加速，加速到與舊料卷同步。(4)接料壓輥壓下，將舊料膜壓在貼著雙面膠的新料卷上，新舊料卷同以相近的速度轉(zhuǎn)動，當(dāng)設(shè)定新料卷轉(zhuǎn)動時間到達(dá)后，切刀伸出進(jìn)行切料，加在舊料卷上的控制量也同時被切換的新料卷上。3.1.2 牽引局部牽引局部分為放卷牽引和收卷牽引，料膜以一定的速度平穩(wěn)的導(dǎo)入印刷機(jī)組；也叫做引入和引出。放卷牽引主要是把收卷牽引那么將料膜以一定的速度平穩(wěn)地導(dǎo)出到收卷裝置。牽引局部有自己的傳動機(jī)構(gòu)，能在一定的程度上協(xié)調(diào)系統(tǒng)的張力，使各個環(huán)節(jié)的張力保持相對恒定。

21、此外，牽引環(huán)節(jié)還可以緩沖收放卷環(huán)節(jié)振動時對印刷局部產(chǎn)生的沖擊。除此之外，浮動輥、導(dǎo)向輥等也有牽引料膜的作用。3.1.3 印刷局部印刷滾筒采用壓印滾筒，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4 印刷局部示意圖壓印滾筒通常不需要驅(qū)動裝置，而是由印版滾筒與之接觸產(chǎn)生的摩擦力帶動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。壓印滾筒對印版滾筒施加的壓力較大，兩者不會發(fā)生相對滑動。因此對壓印滾筒的直徑?jīng)]有具體的要求，但對滾筒的正圓度和圓柱度有較高的要求。墨斗提供印刷時所用的油墨，刮刀用于刮去空白局部的油墨，只剩下列圖文局部的油墨。3.1.4 收卷局部收卷局部與放卷局部大致相同，它們的不同點在于：(1)收卷局部沒有也不需要轉(zhuǎn)徑自動測量的功能，因為它的新卷直徑就

22、是空軸的直徑，預(yù)先可知，不用測量。(2)收卷局部需要張力的錐度控制，即張力大小隨著收卷料卷直徑的增大而有規(guī)律地減少。3.1.5 附屬裝置本課題所研究的多色機(jī)組式凹版印刷機(jī)的附屬裝置主要包括導(dǎo)向輥，浮輥和一些檢測機(jī)構(gòu)。浮輥是最重要的附屬機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5 浮輥系統(tǒng)示意圖由于本印刷系統(tǒng)沒有配備直接的張力檢測機(jī)構(gòu)和線速度實時檢測機(jī)構(gòu)，使得浮輥在張力控制系統(tǒng)中承當(dāng)著相當(dāng)重要的作用。在放卷、放卷牽引、收卷牽引、收卷四個重要的環(huán)節(jié)上都配備了浮輥，浮輥通過活塞與低摩擦氣缸相連，根據(jù)料膜印刷所需要的張力要求，在印刷前手工對氣缸進(jìn)行張力設(shè)定，該張力值為印刷張力的設(shè)定值。一旦氣缸的張力被設(shè)定，就不會被改

23、變。印刷過程中所需要的工作張力通過氣缸進(jìn)行設(shè)定，該設(shè)定值被反映到浮輥上，張力控制系統(tǒng)根據(jù)浮輥檢測出來的偏差進(jìn)行速度補(bǔ)償，通過控制各個傳動環(huán)節(jié)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得整個生產(chǎn)線上的料膜線速度保持一致，以此實現(xiàn)料膜恒張力控制。3.2 各環(huán)節(jié)建模3.2.1 浮輥模型浮輥在凹版印刷系統(tǒng)中的作用非常重要，如圖5所示，它主要由浮輥和氣缸組成，浮輥和氣缸之間有一個連桿連接，浮輥的一端O點固定，浮輥繞O點擺動，通過連桿帶動氣缸的活塞運(yùn)動，而氣缸的一端固定在B點，氣缸繞B點擺動。由圖6可知，根據(jù)力矩的平衡定理，當(dāng)浮輥處于垂直位置時，料膜的張力等于系統(tǒng)的設(shè)定張力，這樣，可以通過向氣缸內(nèi)充不同量的氣體，改交系統(tǒng)的設(shè)定張力，

24、從而滿足印刷工藝的要求。從表觀上看，浮輥系統(tǒng)的擺幅的大小反映了張力控制的有效程度，張力的控制效果就是要使浮輥擺幅最小，理想情況是使浮輥處于垂直位置。從控制系統(tǒng)的角度看，它卻是一個檢測裝置，在O點附加了一個電位計，浮輥擺動時帶動電位計運(yùn)動，這樣浮輥電位計電壓的變化就反映了系統(tǒng)張力的變化，然后反映到控制器內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。圖6 浮輥系統(tǒng)的平衡狀態(tài)圖7 浮輥處于某一位置時的狀態(tài)上述圖中：氣缸端點B到浮輥的氣缸軸線方向距離；O點到浮輥中心的位置；O點到連桿的A點的位置：氣體對浮輥的推力；張力；氣缸內(nèi)氣體的高度；氣缸的仰角；輥的擺角。為了求得浮輥擺角和張力的函數(shù)關(guān)系，為了更好的簡單明了得到各量的關(guān)系，將圖6和

25、圖7簡化得到幾何位置圖和轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖8，這樣從中可以簡單明了的推導(dǎo)出各個變量的關(guān)系。圖8 浮輥處于某一位置時的幾何簡圖浮輥擺幅通過電位計的電壓來表征，浮輥擺動引起與之通過齒輪相連的電位計轉(zhuǎn)動，由浮輥擺角可以得到電位計擺角，可以得到一個電位計檢測電壓u，電位計擺角，與電壓豁之間也有一個對應(yīng)關(guān)系，這個關(guān)系很簡單，是一個線性關(guān)系。電位計的檢測模型可以表示：式中浮輥和電位計間齒輪傳動比。通常為電位計的供電電壓為線性系數(shù)，由電位計自身參數(shù)決定。3.2.2 張力模型張力產(chǎn)生的示意過程如圖9所示，料膜由前一輥送出，其線速度為印刷機(jī)械的工作速度，第二環(huán)節(jié)的線速度為，為紙張卷入第二環(huán)節(jié)的張力，設(shè)紙張的彈性模量為，

26、橫截面積為，兩環(huán)節(jié)之間的長度為，為紙張由第一環(huán)節(jié)到達(dá)第二環(huán)節(jié)的時間，根據(jù)胡克定律得，由此可知，假設(shè)需控制紙張張力，就必須控制，即兩環(huán)節(jié)速度差，可見有些張力控制系統(tǒng)實際上也是線速度跟蹤系統(tǒng)。圖9 張力產(chǎn)生示意圖3.2.3 收放卷裝置動力學(xué)模型典型的印刷機(jī)械傳動系統(tǒng)包括以下組成局部：電動機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪傳動單元 (齒輪箱)、滾筒。齒輪傳動單元可以是單級或多級傳動，主要依賴于傳動系統(tǒng)的傳動比。最后一級傳動軸是小齒輪與滾筒同軸，且小齒輪與輸出軸相連，而齒輪箱的輸出軸是用來驅(qū)動兩個滾筒的。放卷料卷的受力情況比擬復(fù)雜，它的受力情況跟預(yù)設(shè)印刷張力、加減速給定斜率有關(guān)。當(dāng)預(yù)設(shè)印刷張力較小，或者給定加減速斜率比

27、擬大(加速度大)的時候，電機(jī)處于電動狀態(tài)，料卷的受力如圖10所示；當(dāng)預(yù)設(shè)印刷張力較大，或者給定加減速斜率比擬小(加速度小)的時候，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，料卷的受力如圖11所示。圖10 電機(jī)電動狀態(tài)時放卷料卷受力模型圖11 電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時放卷料卷受力模型為了防止模型過于復(fù)雜，考慮到在通常情況下，給定加減速斜率比擬小，預(yù)設(shè)印刷張力相對來說較大，電機(jī)根本上處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以，我們認(rèn)為在電機(jī)加減速和穩(wěn)定工作時處于發(fā)電狀態(tài)。有一個情況例外，當(dāng)系統(tǒng)上電建立初始化張力時，料膜的初始張力為零，電動機(jī)處于電動狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)時，料膜張力與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相等。在電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下，放卷料卷所受動力矩為料膜張力所產(chǎn)生

28、的力矩，阻力為電磁轉(zhuǎn)矩和阻力力矩，將多軸傳動系統(tǒng)等效為電機(jī)軸上的單軸系統(tǒng)，那么放卷裝置加減速和穩(wěn)定工作時電動機(jī)力矩方程為：式中料膜張力； 料卷卷徑； 電磁轉(zhuǎn)矩； 阻力轉(zhuǎn)矩； 極對數(shù)； 空間角速度； 傳動比； 單軸等效傳動慣量；由電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和料卷的等效轉(zhuǎn)動慣量兩局部組成。而料卷軸的轉(zhuǎn)動慣量又由料卷轉(zhuǎn)動慣量和空軸轉(zhuǎn)動慣量組成，是時變的，是卷徑的函數(shù)，是時間的函數(shù)，是固定值。收卷局部電機(jī)通常只工作在電動狀態(tài)，其實時轉(zhuǎn)動慣量的計算與放卷完全相同。其動力學(xué)模型的推導(dǎo)也類似，其受力分析如圖12所示。圖12 收料卷受力示意圖收卷料卷歷受動力矩為電磁轉(zhuǎn)矩，阻力為料膜張力所產(chǎn)生的力矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，將多軸傳動

29、系統(tǒng)等效為電機(jī)軸上的單軸系統(tǒng)，那么收卷局部電動機(jī)力矩方程為：3.3 控制系統(tǒng)綜述張力控制不僅是印刷控制的必要組成，而且是核心局部，張力控制的效果直接關(guān)系到印刷質(zhì)量的優(yōu)劣，其控制系統(tǒng)如圖13所示：圖13 張力控制系統(tǒng)簡圖當(dāng)工作環(huán)境發(fā)生變化(如材料松緊程度、機(jī)器運(yùn)行速度、收放卷的直徑大小等)，張力隨即改變，浮動輥的位置也發(fā)生變化，浮輥電位器反應(yīng)給PLC的電壓隨之改變，PLC的PID控制器將調(diào)整輸出指令，變頻器也就控制電機(jī)做出相應(yīng)的加減速動作，以恢復(fù)張力的平穩(wěn)，閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖14所示。圖14 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖4 PLC硬件局部設(shè)計4.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)S7-200系列PLC提供多種具有不同I/O

30、點數(shù)的CPU模塊和數(shù)字量、模擬量I/O擴(kuò)展模塊供用戶選用。CPU模塊和擴(kuò)展模塊用扁平電纜連接，可以選用全輸入型或全輸出型的數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊來改變輸入/輸出點的比例。具有功能強(qiáng)、尋址方法靈活方便、通信功能強(qiáng)大等優(yōu)點。本課題選用CPU226系列PLC，它適用于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)，可擴(kuò)展到248點數(shù)字量和35路模擬量，有兩個RS-485通信口。4.2 印刷機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.2.1 PLCI/O分配表1 PLC的I/O分配表輸入輸出光電發(fā)射器空轉(zhuǎn)預(yù)備運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)放卷A加速放卷B減速收卷A壓輥離/合收卷B停止放卷正翻轉(zhuǎn)放翻轉(zhuǎn)啟停放卷反翻轉(zhuǎn)光電接收器放擺臂放翻轉(zhuǎn)限位放膠輥放換軸/接料放切刀收翻轉(zhuǎn)啟

31、停收卷正翻轉(zhuǎn)收翻轉(zhuǎn)限位收卷反翻轉(zhuǎn)收換軸/接料收擺臂變頻器故障收膠輥/切刀電鈴4.2.2 PLC硬件接線PLC的硬件接線如圖15所示，圖中左側(cè)為輸入信號元件，包括按鈕、限位開關(guān)等；右側(cè)為輸出執(zhí)行元件，包括中間繼電器、指示燈、電磁閥、交流接觸器等。圖15 PLC的硬件接線圖依次按 “預(yù)備、“運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕，各段浮輥張力控制投入，機(jī)器處于零速張力運(yùn)行狀態(tài)。按“壓輥離合按鈕，各個印刷單元的壓印膠輥壓下。按“加速按鈕，機(jī)器按照設(shè)定的“加速時間自動加速。如果加速過程中沒有人工干預(yù)，機(jī)器的線速度最終將到達(dá)設(shè)定的“速度設(shè)定值；在加速過程中，按“減速按鈕，機(jī)器將停止加速，并維持在當(dāng)前線速度上運(yùn)行。按“停止按鈕，機(jī)器按

32、設(shè)定的“停止時間停止。正常自動接料裁切動作，只有在主機(jī)啟動狀態(tài)下有效。當(dāng)前放卷料卷上的材料即將放完時，手動按回轉(zhuǎn)架上的“翻轉(zhuǎn)啟動停止按鈕，回轉(zhuǎn)架自動翻轉(zhuǎn)，到達(dá)初始位置時由于限位開關(guān)的作用自動停止，同時切刀擺臂落下。當(dāng)新料卷的外周把切刀擺臂上的光電開關(guān)擋住以后，翻轉(zhuǎn)停止，同時新放卷軸開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)新料卷旋轉(zhuǎn)的線速度到達(dá)機(jī)器運(yùn)行線速度后，按“換軸接料按鈕，舊卷料膜在切刀壓輥的作用下壓到粘有粘膠帶的新卷上，經(jīng)過一定延時后切刀擺臂上的切刀氣缸動作，切刀切下，把舊卷料膜切斷，舊卷放卷軸停止旋轉(zhuǎn)，新卷正式投入工作，兩個放卷軸的工作指示燈的工作也完成轉(zhuǎn)換。5 PLC自由口通信的實現(xiàn)5.1 S7-200的自由口

33、模式S7200系列PLC是西門子公司主要產(chǎn)品之一。它具有極高的可靠性、豐富的指令集和內(nèi)置的集成功能、強(qiáng)大的通信能力和品種豐富的擴(kuò)展模塊，在我國應(yīng)用非常廣泛。S7200支持多種通信協(xié)議，如PPI、MPI、自由端口模式。在自由口模式下，用戶自定義與其他串行設(shè)備通信的協(xié)議或使用其它串行設(shè)備的通信協(xié)議。由于三菱變頻器規(guī)定了通信協(xié)議，S7-200必須遵守該協(xié)議才能與之通信。因此在這種情況下，就可以使用S7200的自由端口模式及相關(guān)指令按照三菱變頻器的通信協(xié)議設(shè)計程序與之通信。在自由端口模式下，使用發(fā)送指令XMT和接受指令RCV，可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用發(fā)送指令XMT將啟動自由端口模式下數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(TBL

34、)的數(shù)據(jù)發(fā)送。通過指定的通信端口(PORT)發(fā)送存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。使用接收指令RCV可以接收一個或多個字符，通過指定的通信端口(PORT)存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(TBL)中。5.2 三菱變頻器專用協(xié)議在自由口模式下，PLC與變頻器通信遵循三菱變頻器專用協(xié)議。首先，按照變頻器通訊規(guī)格對變頻器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其次通信采用以下步驟：1向變頻器發(fā)送要求數(shù)據(jù)；2經(jīng)變頻器等待時間后；3從變頻器向PLC發(fā)送返回數(shù)據(jù)；4等待變頻器處理事件后；5進(jìn)行再處理。PLC對變頻器進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、運(yùn)行頻率設(shè)置、啟動、停止等操作。5.3 PLC與變頻器的連接PLC S7-200與三菱變頻器通信采用RS485接口的串行方式。S7-200側(cè)為九針接口，三菱變頻器為RS485端子，采用二線式連接，電纜接線如圖16所示。圖16 PLC與變頻器的連接5.4 程序設(shè)計PLC通信程序框圖