基于PLC的纸张复合机张力控制系统的研究与实现

唐国方

（江苏大亚新型包装材料有限公司，江苏 丹阳 212300）

基于PLC的纸张复合机张力控制系统的研究与实现

唐国方

（江苏大亚新型包装材料有限公司，江苏 丹阳 212300）

本文结合实际案例，围绕以PLC作为控制核心的恒张力控制系统，针对复合机按放卷、贴合、印刷、卷取四个部分展开论述。

PLC；纸张复合机；张力控制

包装材料的生产设备之一是复合机，复合机经过优化和改造后已经实现了智能化、微机控制，内装载有信号采集输入等分散型控制结构。各种分立设备的运行稳定状态关系到生产质量，如果张力控制不好就会影响系统的稳定性，导致产品质量的下降，对生产效益有极大的影响。因此，控制张力是保证产品质量的关键。

1 PLC为核心的张力控制新系统的作用

张力控制是复合机的核心，控制得当，材料不会发生横向或者纵向的形变，结构平整，没有褶皱，能够在印刷过程中保持平稳和稳定，大大提高精准率，降低废品率。因此对复合机不断进行优化的技术改造，核心内容就是要得到稳定的张力控制系统。在传统的微机系统的基础上，进行了以PLC(编程控制器）为核心的张力控制系统升级改造，以满足生产任务，实现复合机稳定控制具有良好效果。

（1）系统架构（图1）。系统从架构上可以分为张力控制、放卷、印刷等部分。

图1 复合机张力控制结构图

（2）张力控制采用被动式放卷方式，其组成部分包括放卷张力控制、纸料与复合辊之间的张力控制，铝箔料和复合辊之间的张力控制。放卷的卷径越小、越重、越宽，张力就越大。复合张力控制的效果取决于复合辊、印刷辊等的速度。在复合机的运行中，对上述辊电机的速度调节可以得到不同的张力。另外，基础材料的伸缩率、厚薄率、干燥情况等，都会影响张力的产生和效果。速度加快，也会产生较大张力，导致基材厚度不均匀，发生辊压力波动；速度加快还会影响张力导致褶皱的发生，甚至出现堆积现象。

（3）放卷张力的控制由纸料、复合辊来实现控制，纸料以及铝箔料的张力部分的控制，在放卷时采用被动的方式，放卷过程基本保持稳定，磁粉制动器通过调节穿动力满足张力要求。若距离较短，则放卷张力随着料卷的加重而加重。针对不同材质进行整流输出、速度差的调整，以得到合适的张力值。

（4）系统运行改造方案。针对原有的卡板分立的缺点，采用PLC张力控制系统（图2），将数字量的输入和输出依靠模块的扩展功能进行扩大输入的功能实现，由原来的8路变为16路。模拟量的输入和输出改用EM235进行。4路检测器对张力进行检测和输入，3台调速器控制拖动直流电机，通过PLC来进行系统的逻辑控制。

2 硬件部分介绍

本文以台湾生产的某型号复合机为例，在该机的张力控制系统中，采用的是西门子的PLC逻辑控制核心实现对复合机的控制，通过对磁粉制动器和直流拖动电机的运行控制，实现恒张力控制，整个工艺流程顺为：放卷—贴合—印刷—卷取。

图2 控制系统总体结构图

（1）随着放卷的卷径减小，张力可保持恒定。采用被动式的方式对纸料和复合辊之间、铝箔料和复合辊之间技能型张力控制，其工作原理为：通过磁粉控制器的制动力调节，实现张力的负载，这个负载可以通过传感器进行检测。经过放大器放大后，送到控制器中。控制器给予张力控制信号，经过制动器作用驱动磁粉作用送到卷轴，形成闭环控制系统。其工作流程为给定张力控制器到恒流源放大器，经过DC输出到磁粉制动器，再经转矩输出到张力传感器，最后进入信号放大器，再进行放卷输入输出信号闭环系统。使用PLC核心的张力控制系统，采用CPU数字量进行模块的输出和输入等程序的实现，利用磁粉控制器的放卷过程的张力，实现张力检测输入，完成PLC的逻辑控制。

（2）贴合控制流程，经过导辊的牵引力将纸料和铝箔料放卷，以料带的形式进行贴合操作。第一步进行涂布，之后在料带上涂上类似于胶水的物质进行贴合，贴合号的纸料和铝箔料进入贴合辊，在贴合辊和贴合轮的作用下实现涂布和胶水的粘合。纸料和铝箔料粘合的过程对于PLC控制器来说是开环，提高直流调速器、电动机的转速是关键，否则电流的闭环逻辑无法控制。PLC控制器给予电机的是速度的精确控制和稳定运行。PLC控制器完成了直流调速的控制输出，通过直流电动机系统完成电流内环和转速外环的双闭环逻辑控制，整体运行状态性能可靠，节省了测速发电机的安装。接通电源后，进行数字量输入和输出操作，使用PLC控制器对模拟量进行输入和输出，分别对四个压力传感器中进行信号调节。在模拟量输出部分进行电枢电源和励磁电源的操控，进入三个直流调速器（图3）。

图3 贴合过程输入输出信号

（3）印刷控制是将复合后的料带通过导辊输入印刷单元输入到张力，经过偏差值的输入张力，从张力控制器中，输出-10～10V的电压，进入直流调速器中，给张力反馈和张力定值进行比较得到偏差值，得到输出量来控制直流调速器，输出张力控制器的直流调速大小可以控制电机的转速，经过DC输出大直流电动机中，将印刷过程的张力控制在正常范围内，使用控制PID算法，实现印刷工程的稳定张力控制，从双闭环发展为3闭环控制系统。

（4）SMOREGD全数字直流调速。贴合、印刷、卷取过程的电路设计，驱动和控制系统的构件采用了全数字直流调速装置。这个系统包含了四个模拟量输入口、八个模拟量输出口、四个开关量输入和3个开关量输出口。装置软件操作简便，易于替换。由于复合机正反转的特殊性，可以在短时间内实现复合机的点动。选择单相限速调速器可以实现控制数字化调速器的功能，但要保证系统对控制精准度没有要求，可以不通过测速接口就进行参数设置。

3 软件部分介绍

控制系统的软件部分的启动是通过开机扫描等程序完成，系统的存储器的运行通过PLC在初始化过程中进行电源和故障的监测。首先开机扫描，进行初始化部分的操控，运行初始化程序后，如果没有故障，则进入下一步的扫描。下面是变速操作，可使系统不断靠近新的系统速度。最后是PID调节部分，通过磁粉制动器和直流电动机完成张力控制。扫描结束后进行故障检测阶段，发现故障启动报警系统，如无故障，程序结束。输入过程中，如果电源关闭，则程序运行结束，执行过程也随之结束。如果电源部分打开，则程序进行故障输入，程序检测故障，则进行自动或者手动选择。采用手动操作进行程序运行时，进入运行和停车判断过程，手动操作用于调试设备所用，自动操作用于生产。当输入为停车程序阶段，则设备进入停止状态，如输入为运行，则程序启动运行。

4 结语

现场信号的输入和系统的控制PLC控制核心可保证系统的稳定性和快速性。通过系统的运行结果证明，张力控制系统、模块化设计思路是整机运行中对质量产生影响的主要因素。通过PLC控制系统是为了程序结构的清晰度，为日后的改进和维护做准备。使用的小型PLC作为运行系统的核心，可以令复合机系统设计成本低，性能可靠，控制系统运行良好。

[1]张亚锋.放卷气动张力控制系统的设计与实现[J].机床与液压，2015,(2):110～112,120.

[2]刘枫，杨超君，孙君等.超薄面料用轧光机卷取机构的减张力控制系统设计[J].制造业自动化，2013,(10):146～148.

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1671-0711（2017）01（下）-0143-02