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PLC在準確定位系統中的應用
PLC在準確定位系統中的應用
在絲網印刷過程中，由于紙張和油墨質量等因素的影響，需要臨時調整印刷速度以保證印刷質量。同時，印刷機在制動時有一個特殊要求：即自停機指令發出且印完前張紙后，不能再有叼紙和印刷的動作，否則油墨就會印到滾筒上，導致不能繼續印刷。這就是說不論滾筒轉速快慢，其停止過程所經過的角位移應是相等的。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和變頻調速器控制印刷機制動的方法，該控制系統的框圖如圖1所示。
圖1 控制系統框圖
二、通過控制開始制動的時刻，達到準確定位的目的
如果要使印刷機在制動時，不論印刷機的轉速高低，都能停在同一位置，則首先需要知道印刷當前的轉速，然后根據轉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。當停止按鈕按下或緊急事故停機信號發出后且滾筒在SB1位置，才使機器進入制動程序。制動程序的工作原理是，制動動作應在經過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Tzd。印刷機在高速運轉時應使Tzd置小些，盡量早地執行制動的動作。在低速運轉時應使Tzd置大些，適當晚地執行制動的動作。用這種方法就可以使印刷機在不同轉速情況下準確地停在同一位置。
三、制動程序
綜上所述，制動程序應包括測速，計算制動參數Tzd和執行制動，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，使該軸每轉一周可以向可編程序控制器的高速計數端子發出12個脈沖，并在高速計數器上獲得該脈沖的計數值。當電動機轉動時，高速計數器的計數值就會不斷累加。通過編程，可以在規定的時刻將該計數值取出并放在數據存儲器N1中，然后經過0.05 s再將該計數值取出并放在數據存儲器N2中，那么N=N2-N1的值就表示在T=T2-T1=0.05 s時間內的平均轉速值。當T保持不變時，N值越大表明轉速越高。這樣就可以把轉角信號轉換成速度信號，如圖2所示。
圖2 測速脈沖波形示意圖
圖2a中計數脈沖來自主傳動軸的信號，該信號頻率與SQ2檢測的主機轉速成正比。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；可根據轉速的高低選用適當周期。當轉速一定時，時鐘周期選得大，則測速時間長，該轉速的脈沖數值也就大，建立數學模型時就可以細分，產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。用戶可根據機械設備的情況自行選定。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，該信號的寬度是應用程序的循環周期的一半。用該信號從計數器中取出當前計數值N1和N2，由程序計算出其差值N。
2、計算制動參數Tzd
數值N還必須用數學模型Tzd=f(N)轉為Tzd值才能作為PLC的制動延時參數。數學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N值增大時Tzd則相應減小，下面是兩種可選用的數學模型，如圖3所示。
圖3 數學模型
從圖3可以看到制動參數Tzd隨N值增大而減小，通過調整數學模型及其參數就能找到最佳的Tzd值。
3、執行制動
有了Tzd值就可以實施制動，在PLC中Tzd作為計時器的參數，當計時參數到預定值后就可以接通制動。由于印刷機的慣性較大，應盡早利用變頻調速器的降頻制動功能先把轉速降下來，所以不經Tzd延時直接開始降頻制動。而電磁制動則是經Tzd延時才開始的。之所以要用兩種制動是因為變頻調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。通過采用不同的數學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、設計要求和主要配置
設計要求為：①印刷速度：600～3 200張/小時；②電動機轉速：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，除了傳統的機械摩擦式制動外，還有變頻器的降頻制動。由于絲網印刷機的印刷速度隨印刷條件經常改變，所以采用變頻調速器可以滿足絲網印刷機調速和特殊制動的要求。我們選用西門子MM220型變頻調速器。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的范圍內使電機降速，但對不同轉速如何都停在同一位置的問題還要靠確定制動參數Tzd來解決。
由于制動的準確性取決于諸多因素如轉動慣量，制動電機摩擦制動效果，降頻制動曲線的斜率等，所以要根據現場情況確定近期數學模型和參數。這對PLC編程器來說是不難辦到的。
五、結束語
目前，絲網印刷機多采用模擬量(測速電機)控制。本文介紹的控制系統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印刷機進行了改造，經過3年多的運行證明，該控制方式能達到設計要求，定位精度小于±2mm。由于采用軟件控制的停機方式，使該控制系統具有結構簡單，操作方便，維修容易及不用準確計算機械慣量等優點。該技術對停機位置有較高要求且經常變動工作轉速的機械具有推廣價值。
該控制系統的研制得到天津新特印刷廠工程技術人員的大力支持，在此深表謝意。