基于西門子PLC的復合機剝離座改進

1 引言

　　貼紙鋁箔是香煙包裝行業的主要包裝材料，由鋁箔和紙料貼合而成。用于香煙盒的鋁箔要分布均勻并且貼涂輕薄，但由于鋁箔的柔韌性不強，易折斷，所以不能直接把鋁箔裝在鋁料輥上，只能先把鋁箔粘貼在不易扯斷的塑料膜上，然后再與原料座上的紙張貼合。這樣一來，卷取座上卷取的成品就是紙、鋁箔和塑料膜三者的合成。但是用于香煙盒中的鋁紙卻不能含有塑料膜，因為塑料膜是用聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他樹脂制成的，它不易腐爛，難以分解，并且對人體有害。所以，必須要在復合機后面再接上一個獨立的塑料膜剝離機，從而使原料紙和鋁箔粘合在一起。工人要先把卷取座上的產品取下來，再運送到獨立的剝離機上。這樣一來，就會影響產品的生產效率，占用生產車間的空間，增加企業的投入成本。

2 系統方案及策略

　　2.1 系統方案

　　針對上述問題，我們提出這樣一種解決方法：將剝離機直接添加在復合機后面，使從烘箱里出來的次成品經過剝離機，在此階段剝離，從而使塑料膜平整地卷取在剝離座上，便于下次使用；紙料和鋁箔的貼合物直接卷取在卷取座；并且使剝離機的控制系統與復合機的控制系統相集成，使其成為一個整體，從而節約成本、提高產品的生產效率。因此，改進后的復合機工作結構圖如圖1所示。

圖1 改進的復合機工作結構圖

　　2.2 控制策略

復合機的放、收卷是一個典型的大時變非線性系統，而且中間經過的生產環節較多，各機組間的張力又相互耦合，因此，若不對生產線的張力進行嚴格控制，會導致走料的不穩、跳動甚至斷料，貼合時的皺褶、拉伸變形，印刷時的不準或重影，卷取時的不平整，影響后續使用等現象的發生從而直接影響到煙箔產品的質量。因此，如何使生產線實現恒張力控制一直是設計人員所關注的重要課題。

從烘箱出來的次成品經過剝離機后，要將塑料薄膜均勻地卷取在剝離座的剝離輥上，而紙和鋁箔要均勻地卷取在成品卷取座上，這就要求塑料膜和成品二者的速度保持一致，并且兩者的張力要求恒定。因此，我們需要采用精度較高的變頻器和編碼器構成一個閉環控制，從而保證卷膜速度與成品卷取速度一致；還需要采用一個精度較高、抗干擾較強的張力傳感器構成一個閉環控制，從而保證剝離輥卷膜張力恒定，工作原理如圖2所示。

2.3 張力模型分析

卷膜輥卷繞系統簡圖如圖3所示，設塑料膜張力為f，卷膜輥直徑為d0，前一單元m1m2運行中塑料膜線速度為v1，后一單元n1n2運行的線速度變為v2。如果v2>v1，則塑料膜被拉伸，張力f變大；如果v2<v1，則塑料膜將收縮，張力f變小，塑料膜變得松弛。所以，速度v1和v2與張力有密切關系，根據胡克定律，塑料膜張力f為：

　　式中：ε為塑料膜的彈性模量；σ為塑料膜的截面積；l為傳動點之間的距離；t1為工作起始時間，t2為工作當前時間[2]。

　　由上式可見，塑料膜在作為張力調節對象時，是一個積分環節。控制張力實際就是在控制線速度差v2-v1，所以，從某種意義上來說，張力控制系統實際上就是一種線速度跟蹤系統。在啟動過程中，假定v1恒定，應該總是控制在v2>v1，以使塑料膜內產生一定的張力，當張力達到合適值時，應該及時調節異步電機使v2穩定，這樣，塑料膜就在此張力下穩定運行了[3]。

　　為了使塑料膜卷取的均勻平整，我們要求塑料膜的卷取線速度和系統的工作速度保持一致，設系統的工作速度為v，所以變頻器接收的控制電壓的一部分u1可由以下公式得到：

u1=kv×v

　　其中，kv為比例系數。

　　在收卷過程中假定v2恒定，則線速度v2=π×d2×n2，v2將隨卷徑d2的增大成正比例增大，張力f也成正比例增大，這樣很容易引起卷繞過程中塑料膜的過度拉伸而導致變形甚至斷裂。所示，在工作過程中，為了使張力保持恒定，則要求卷膜線速度并不完全與系統工作速度一致，變頻器接收的控制電壓的另一部分u2可由以下公式得到：

　　u2=kx×upid

　　其中，kx為pid輸出限副比例，upid為pid輸出電壓值[4]。

　　卷徑公式d2如下：

　　d2=n×d×2+d0

　　其中，n為計數器計數個數，d為塑料膜厚度，d0為初始卷徑。

　　即可得到變頻器接受的控制電壓為：

　　u=u1+u2=kv×v+kx×upid

3 系統實現

　　3.1 系統硬件配置

　　由于原復合機的控制器采用siemens公司的s7-300 plc cpu313c完成較復雜的控制，tp27觸摸屏作為人機界面，方便地實時觀測系統的運行情況，設置各種參數。所以，對于后續的剝離機我們也選擇相同型號的控制器，從而簡化通信程序，提高程序的可靠性。由于s7-300 plc cpu313c自帶有24di、16do、5ai和2ao，而剝離座的控制i/o比較少，故不需要添加額外的輸入輸出模塊，此外，還包括控制器電源模塊ps307。鑒于本系統對通信的速率要求不高，同時通信數據量也不大，我們采用簡單經濟的mpi通信，實現剝離座plc與原系統plc之間，剝離座plc與原系統觸摸屏之間的通信[5]，其網絡結構如圖4所示。帶動卷膜輥的電機，我們選擇西門子公司的基本異步電機；變頻器選擇西門子通用的micromaster440變頻器。

3.2 軟件設計

　　系統的編程采用siemens公司的step7 v5.3實現，編程語言用到了梯形圖(lad)和語句表(stl)兩種，分別完成邏輯控制和數值處理功能；觸摸屏采用siemens公司的protool v6.0進行組態。剝離座控制系統流程圖如圖5所示。

圖2 剝離座工作原理圖

圖3卷膜輥卷繞系統簡圖

圖4 系統網絡結構圖

圖5 程序流程圖

　　該系統主要的軟件模塊有：pid算法、張力微調功能、自動控制功能、通信功能、電機運行功能、張力濾波功能、角速度電壓功能等。其中，把pid算法和張力濾波功能都放在了ob35中斷功能塊中，這樣可以實時獲得pid輸出電壓值和實際張力值；對于通信功能，我們使用step7 v5.3中自帶的系統功能sfc67和sfc68，這樣可以使通信功能更加方便，編程更加簡潔；在求卷膜輥的角速度電壓時，要用到塑料膜的實時卷徑，于是我們使用了step7 v5.3中自帶的高數計數模塊sfb47，對當前的卷膜次數進行計數，進而計算出當前的卷徑。

　　pid算法是這個控制系統的核心，它直接決定這個系統的精度高低甚至穩定與否，本系統采用應用工業上廣泛而成熟的積分分離pi控制算法。它的控制思想為：為了減少積分校正對控制系統動態性能的影響，需要在控制開始階段或是大幅值變化時，取消積分校正；而當實際張力值與設定值的誤差小于一定值時，恢復積分校正作用，以消除穩態誤差。積分分離式算法可以保持積分的作用，同時減小超調量，改善控制系統的性能。

4 結束語

　　本文是一個實際項目完成后的一些總結和提煉，從濕式復合機的生產工藝流程入手，針對當前復合機在印刷行業中的不足，對其進行了部分改進，從而大大提高了生產效率，減少企業投入成本。本文中所畫出的一些原理示意圖和結構流程圖是實際系統的簡化，而并非實際系統的真實結構。本系統采用siemens s7-313c型plc作為控制器，實現了塑料膜與成品協調一致地均勻卷取。軟件設計采用模塊化設計思想，程序結構清晰，為以后的維護和改進帶來了方便。pid算法控制是剝離座運行的核心，也是影響塑料膜是否平整的主要因素。運行結果表明，改進后的復合機控制系統運行正常，性能良好，塑料膜和成品能夠均勻平整地收卷，與未改進之前相比，能夠節省大量時間，提高了產品的生產效率。