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1、 基于 PLC 的多轴传动张力控制系统设计 史伟民 杨 薇 （浙江理工大学 浙江省现代纺织装备技术重点实验室浙江 杭州 310018） 摘摘 要：要：为了提高磨毛织物的质量和手感，分析了国内外磨毛机张力控制系统技术现状，阐述了磨毛机的工作原理，提出了一种以2 台OMRON CP1H PLC 为控制核心，以伺服电机系统为执行单元的多轴传动张力控制方案。对张力控制系统软、硬件进行了设计，主要分析了张力调节模块的设计及 PID 控制算法。该控制系统目前已经应用于 ME776ASF 型磨毛机，运行结果表明，该系统稳定可靠，响应速度快，实现了全机自动控制和织物张力的恒定控制，极大提高了织物的附加值。 关
2、键词：关键词：张力控制 磨毛机 工作原理 PLC PID Design based on PLC of multi-axis drive tension control system Shi Weimin,Yang Wei (ZheJiang Sci-Tech University, Key Laboratory of Modern textile equipment and technology of Zhejiang Province, HangZhou 310018, China) ABSTRACT: In order to improve the quality and touch o
3、f the sanding fabric, the tension control system at home and abroad and the working principle of a sanding machine were described, a multi-axis drive tension control program that two Omron CP1H PLC were used as core control units and servo motor system were used as implementation units was proposed.
4、The hardware and software of tension control system were designed, the tension adjustment module design and PID control algorithms were mainly analyzed. The control system has been applied to the type ME776ASF sanding machine, the results show that the system is stable and reliable, fast response, a
5、nd achieve automatic control of overall machines and the constant tension control of fabric, greatly increasing the value-added fabrics. KEYWORDS: Tension control; Sanding machine; Working principle; PLC; PID 1 前 言 织物的张力是织物与磨毛辊接触松紧度的表现。 在磨毛过程中,布面张力越大,布面与磨毛辊接触越紧密,磨毛效果越好。 但张力不能过大,否则织物强力下降也越多,影响织物性能,使磨
6、毛效果变差,出现布面发花、 绒毛不均匀,导致磨柳等疵品。 织物保持恒定的张力可避免出现表面绒毛出现裂缝等瑕疵， 所以在高速运行的磨毛机上， 实现织物的实时张力保持恒定非常关键1。 张力控制技术目前已经被广泛应用于多种场合， 控制方法也有很多种。 张力控制的好坏直接影响着产品的质量。几种常见的张力控制方式如表1.1所示。 774表1.1 几种常见张力控制方式比较 表1.1 几种常见张力控制方式比较 张力控制方式 优点 缺点 适用场合 力矩电机及驱 动控制器 设备简单，价格便宜，可 正反转 张力控制不稳定、线性 不好 适用于张力精度 要求不高的场合 磁粉制动器/磁 粉离合器张力 控制 张力稳定性比
7、力矩电机 稍强，张力及速度可调 性价比不高，线性不够 好，精度差，故障率高适用范围比力矩 电机广 舞蹈棍控制器 张力控制平稳，有张力贮 能功能，电气调速单元要 求响应快 张力调节麻烦，机械设 备较复杂 局限于线材，不适 合于片材 直接张力闭环 控制 张力控制平稳，电气调速 单元要求响应快，张力可 视 系统易振荡，电气设备 复杂，需要调速单元、 张力控制仪及张力传 感器，性价比不高 不适用于大张力 控制场合 全新的间接张 力控制系统 只需调速器直接带动电 机就可实现恒张力控制。 性价比高，维护方便 调试较复杂，需要专业 的调试工具及调试软 件 适用于大部分张 力控制场合 2 国内外磨毛机张力控制
8、系统技术现状 随着电子技术的迅猛发展， 国内磨毛机技术的进步也相当的快， 到今天已经形成了广泛应用计算机控制等高新技术的发展趋势。 新一代磨毛机研发于21世纪初， 但到目前为止其技术水平和国际最先进磨毛机尚有一定差距。 国内外磨毛机产品张力控制系统技术现状对比分析如表2.1所示。 表 2.1：国内外磨毛机张力控制系统技术的研究现状对比 表 2.1：国内外磨毛机张力控制系统技术的研究现状对比 类 别 意大利 Lafer、 Crosta 公司国内磨毛机 本项目 触摸屏、PLC、变频控制 是 少量 是 用通讯方式实现同步 是 否 是 织物张力控制系统 伺服控制系统 变频控制系统 伺服控制系统织物张力
9、控制方式 闭环 开环 闭环 3 ME776ASF 型磨毛机工作原理 磨毛机的主要构成单元如图 3.1 所示。 775图 3.1 磨毛机主要工作单元 图 3.1 磨毛机主要工作单元 (1)进布辊(2) 前导辊(3) 后导辊(4) 上导辊(5) 出布辊 (6)锡林(7) 左磨辊(8) 右磨辊(9) 可调速扩幅辊(10) 不可调速扩幅辊 (11)进布张力传感器(12) 磨毛张力传感器(13) 上导张力传感器(14) 出布张力传感器 图中，进布辊、前导辊、后导辊、上导辊和出布辊是由伺服系统控制，和锡林组成导布系统。 织物运行过程中随着导布系统一起运动。 锡林、 左右磨辊和可调速扩幅辊由变频控制。不可调
10、速扩幅辊跟随可调速扩幅辊启动、 停止。 进布张力传感器检测进布辊与前导辊之间的张力， 磨毛张力传感器检测前导辊与后导辊之间的张力， 上导张力传感器检测后导辊与上导辊之间的张力，出布张力传感器检测上导辊与出布辊之间的张力。在运行过程中，各段的张力将发生变化，就形成了多轴传动张力控制系统。 4 基于 PLC 的张力控制系统硬件结构设计 本设计的硬件电气控制系统主要由触摸屏、欧姆龙 CP1H PLC、张力传感器、伺服控制系统、变频控制系统这 5 个部分组成2。其系统控制框图如图 4.1 所示。 71098 65 3 24 1右磨辊 锡林 左磨辊 可调速扩幅辊 不可调速扩幅辊 进布辊 进布张力传感器
11、出布辊 前导辊 上导辊 后导辊 磨毛张力传感器 上导张力传感器 出布张力传感器 11 1213 14 776图 4.1 ME776ASF 型磨毛机电控系统总体框图 图 4.1 ME776ASF 型磨毛机电控系统总体框图 本设计的核心主要是采用多轴传动张力控制系统， 设计能够反应真实变化的张力采样方式。 张力控制的具体过程为： PLC通过模拟输入端口实时接收4个张力传感器检测回来的值，从而判断各处张力大小， 然后与设定的张力值进行比较， 运用PD控制算法对实际张力进行自动调整， 计算出伺服电机转速变化量， 通过高速脉冲输出端口发送脉冲信号给伺服驱动器驱动电机旋转，保证织物在运行过程中各张力恒定。
12、 5 基于 PLC 的张力控制系统软件设计 由于被控对象的结构和参数不能完全掌握， 得不到精确的数学模型， 必须依靠经验和现场调试来确定， 而且由于各个轴的转动所走过的布速和各个轴之间的张力没有明确的线性关系，所以采用 PID 控制是比较适合的。 5.1 PID 控制 PID控制是根据给定值R(t)与实际输出值u (t)之间的偏差e(t)来进行控制的。将偏差的RS485 RS232 触 摸 屏 变 频 器 张 力 传 感 器 1 张 力 传 感 器 2 变 频 器变 频 器变 频 器 伺 服 驱 动 器 进 布 电 机 伺 服 驱 动 器 伺 服 驱 动 器 前 导 辊 电 机 后 导 辊 电
13、 机 锡 林 电 机左 磨 毛 辊 电 机 右 磨 毛 辊 电 机 扩 幅 棍 电 机伺 服 驱 动 器出 布 辊 电 机张 力 传 感 器 4 张 力 传 感 器 3 伺 服 驱 动 器上 导 电 机主 PLC (OMRON CP1H XA 型) 从 PLC (OMRON CP1H X 型) 777比例 (P)，积分(I)，和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制 3。PID控制系统框图如图5.1所示。 图 5.1 PID 控制系统框图 图 5.1 PID 控制系统框图 图中R为设定的期望值,Y为控制变量,u为实际输出值,e为控制偏差值(e=R-u)。 PID 控制算法的基本运
14、算式为：u(t)=pk(e(t)+1/ik( )tte 0dt+dk*de(t)/dt) 其中pk为比例系数，ik为积分时间常数，dk为微分时间常数。 在很多情况下，PID 调节时并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。而且,PID 参数可以根据过程的动态特性及时整定54。本设计中就采用 PD 调节控制张力变化，按照经典 PID 公式，对上述公式采取离散化处理。 U= pk e(t)+dk (e（t)- e(t-1) Un+1=U+Un，U 为每个采样周期要调整的布速、Un 为当前布速、Un+1 为下一个采样周期初始布速。 在张力控制中， 综合考虑 PL
15、C 的运算速度和伺服控制系统转速以及控制精度的要求， PD调整的采样周期设为 200ms。即每 200ms 读取一个张力的真实值，与张力的设定值进行比较计算出 e(t)，再由前一采样周期计算得到的 e(t)- e(t-1)。e(t)- e(t-1)为当前采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差减去上一个采样周期内张力真实值与张力设定值的偏差，这反映了偏差的趋势，使得U 多加了一个偏差趋势的补偿，使U 更为准确。经过U= pke(t)+dk(e(t)- e(t-1)计算得到U，通过 Un+1=U+Un 计算出本采样周期需要调整达到的布速。通过U 的补偿，张力也会发生变化。张力变化的大小取决于 e(
16、t)的大小，也结合通过pk、dk来调整。pk、dk参数的整定采用工程整定法，主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行。因为采样周期只有 200ms，所以必须在小于 200ms 的时间里加速或减速到 Un+1， 使张力的变化反映出来。 下一个采样周期再做同样的 PD 调整。 如此调整下去，即可得到实时的张力调整值，达到各部分张力恒定的目的。 R 生产过程 比例 P 积分 I 微分 D + u-Yue 7785.2 张力控制程序流程图 张力控制程序流程图如图5.2所示。 图 5.2 张力控制程序流程图 图 5.2 张力控制程序流程图 CP1H PLC有4路模拟量输入口，通过内置模拟量输入输出通道和外部设备进行模拟量通讯。首先张力传感器的值被传送到PLC的模拟输入通道，通过模拟量转换为数字量，之后可以先进行张力预紧， 使运行前各张力达到设定值的70%左右， 以免全机启动后张力立即松掉。 全机启动后， 伺服和变频控制系统由0开始加速运转， 进行加速过程中张力的实时控制。在加速1
