PLC在恒张力控制系统中的应用_王鸿博

第５卷第２期２００７年６月

顺德职业技术学院学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｕｎｄｅＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ

Ｖｏｌ．５Ｎｏ．２

Ｊｕｎｅ２００７

科技与应用

ＰＬＣ在恒张力控制系统中的应用

王鸿博

（顺德职业技术学院机电工程系，广东

佛山

５２８３３３）

摘要：介绍了ＰＬＣ在恒张力控制系统中的应用，通过分析系统的硬件及软件设计，给出

了一种实用的ＰＬＣ控制方案。关键词：ＰＬＣ；恒张力控制中图分类号：ＴＰ２３

文献标志码：Ａ

文章编号：１６７２－６１３８（２００７）０２－００２０－０３

张力控制技术应用于多种场合，控制方法也有很多种。本文提出一种以松下ＦＰ０ＰＬＣ为控制核心，以转速检测为反馈测定张力，以电磁粉末制动器为执行元件的张力控制模型；给出张力的算法以及张力控制系统硬件、软件的构成。该控制系统目前已经应用于包装、印刷、造纸、纺织、电线电缆生产等行业。

１ＰＬＣ恒张力控制硬件系统

１．１ＰＬＣ恒张力系统模型及特点

ＰＬＣ控制的自动恒张力控制系统实际模型如图１所

示（以放卷工艺为例）。系统的输入量是以霍尔传感器为检测元件的信号１和信号２，属于数字量可直接输入

ＰＬＣ；信号１检测过辊处转速，信号２检测放卷轴处转

速。系统的输出是经ＰＬＣ处理运算由ＰＷＭ控制指令发出占空比可变的脉冲信号，此脉冲信号经由系统内部电压放大元件输出控制电磁粉末制动器工作。

由于系统采用抗干扰功能强，响应速度快的ＰＬＣ控制装置，信号的采样采用全数字装置，从而根除了由于设备传动，配合公差，振荡所产生的干扰因素，克服了使用普通传感器检测信号波动造成控制的失真现象。

图２

ＰＬＣ恒张力控制器硬件示意图

１．２ＰＬＣ张力控制系统硬件组成

ＰＬＣ张力控制系统硬件示意图如图２所示。

（１）

控制装置：以松下ＦＰ０Ｃ３２Ｔ为核心的控制装

置，该型号ＰＬＣ具有高速脉冲计数功能，可对两路输入

脉冲进行计数，最高计数频率可达１０ＫＨＺ。还具有输出脉宽调制波的功能，由Ｆ１７０（ＰＷＭ）

指令完成，该

指令可在指定的输出端输出幅值、频率不变，占空比变

收稿日期：作者简介：

２００７－０３－１１

王鸿博（１９７３－），男，陕西华阴人，讲师，硕士，研究方向：机电控制。

第２期王鸿博：ＰＬＣ

在恒张力控制系统中的应用

化的信号［１］。张力信号检测及控制算法均由ＰＬＣ完成。

（２）

执行装置：直流２４Ｖ，电流０￣３Ａ的电磁粉

末制动器，形成阻力矩用于形成张力。电磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件，它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的［２］。激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小。

（３）检测装置：检测放卷轴转速以及检测过辊转速的电感式霍尔传感器，其输出开关量信号，可直接输入到控制装置。传感器１、２分别经ＰＬＣ高速计数输入端口Ｘ０和Ｘ１输入至ＰＬＣ内部。

（４）

在图３中，Ｒ１为过轮半径，Ｒ０为放卷轴半径，Ｒｘ

为放卷的带材半径，Ｖ为带运行的线速度。根据电磁粉末制动器工作原理可知，磁粉制动器产生的制动力矩是与励磁电流的大小成正比的［４］，即：

Ｍ＝ＫＩ（１）

其中Ｍ：制动力矩；Ｋ：电磁力矩因数；Ｉ：励磁电流。

在系统稳定运行的情况下，忽略由摩擦、转动惯量等因素引起的转矩，可得到放卷轴产生的张力力矩与电磁粉末制动器的制动力矩相等，即：

Ｍ＝ＴＴ＝ＦＲｘ

由式（１）、（２）、（３）可得出：

（２）（３）

ＰＷＭ电压驱动装置：电磁粉末制动器是由Ｔ：张力力矩；Ｆ：张力；Ｒｘ：带材放卷时实际半径。

ＫＩ＝ＦＲｘ

从式（４）可以看出：（１）（２）

要使张力Ｆ恒定，必须使电磁粉末制动器的若保持带材张力恒定，只要得知带材实际半

励磁电流与带材的半径Ｒｘ呈线性变化。

径，即可通过控制电磁粉末制动器的励磁电流实现张力

（４）

ＰＬＣ的ＰＷＭ方式实现电流的调节，由于电磁粉末制动

器是感性负载，所以经ＰＬＣ输出的ＰＷＭ信号经电压驱动装置要进行放大。

（５）按钮：按钮１定义为手动张力递增按钮，按钮

２定义为手动张力递减按钮，按钮３为系统暂停，用于

控制系统短暂停止功能。

（６）

输出显示：由ＰＩＣ１６Ｃ５７单片机完成动态数据

显示４位ＬＥＤ数码管显示。

Ｆ恒定。

（３）

放卷轴半径Ｒｘ随时间而变化，但根据恒张力

控制特点，要保持张力恒定，必须使得带材的线速度Ｖ恒定如图３所示。因此，过轮处带材线速度Ｖ１等于放卷轴带材线速度Ｖ２。根据线速度计算办法Ｖ＝２πＲＮ／６０，其中Ｒ为半径，Ｎ为转速，则下列等式成立：

２ＰＬＣ恒张力控制系统软件分析

张力控制程序算法的主要特点是如何实时检测运动过程带材的实际张力变化，通过ＰＬＣ控制装置及时修正和控制执行装置从而保持带材运动过程中张力的恒定。下面给出ＰＬＣ恒张力控制系统软件的数学模型和程序流程。

２π×Ｒ１×Ｎ１／６０＝２π×Ｒｘ×Ｎｘ／６０

由式（５）可得：

（５）（６）

２．１恒张力控制数学模型

下面以放卷为例给出张力控制数学模型，张力形成如图３所示。当带材放卷时，制品轴在电动机的驱动下带动带材运动，带材经过辊带动放卷轴放料。在放卷端，放料的张力是依据放料组的电磁粉末制动器的扭矩而定。由于放卷过程中卷料轴的直径逐渐变小，带材的线速度逐渐增大，影响带材的张力［３］。为了保持固定的张力，必须按卷径的大小来增大或减小传递转矩。

Ｒｘ＝Ｒ１×Ｎ１／Ｎｘ

放卷轴转速。

综合式（４）、（６）可得：

Ｒ１：过轮半径；Ｎ１：过轮转速；Ｒｘ：带材放卷半径；Ｎｘ：

Ｉ＝（１／ｋ）×Ｆ×（Ｒ１×Ｎ１／Ｎｘ）

由式（７）

（７）

可知，若保持张力Ｆ恒定，只要检测出

过轮处转速、放卷轴实际转速以及过轮半径就可以实时控制电磁粉末制动器的电流，从而保持带材的张力恒定。在过轮和放卷轴上分别做一个８个齿的码盘（可以根据检测精度高低码盘的齿数自定），分别安装霍尔接近开关，输出开关量通过高速计数输入端至ＰＬＣ处理，即可得到转速。

２．２ＰＬＣ恒张力控制系统软件设计

软件设计主要包括两方面：信号的检测，张力数据处理及信号的输出；信号的输出显示。ＰＬＣ控制软件设计流程如图４所示。

２１

顺德职业技术学院学报第５卷

心是计算占空比，从而根据张力变化输出可调的脉冲。

张力控制系统的数据显示是通过Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的

ＰＩＣ１６Ｃ５７单片机接受ＰＬＣ发出信号经过处理，使用四

位共阴极ＬＥＤ数码管完成数据的动态显示。

３结束语

讨论了ＰＬＣ控制的恒张力控制系统，与其他恒张力控制系统相比，本系统的应用具有下列特点：

（１）系统可靠，软件、硬件设计简单实用；（２）采用数字信号采集，消除信号的干扰；（３）卷经测定算法能够实现张力补偿功能，可在卷经变化过程中实时保持张恒力；

（４）

电磁粉末制动器作为张力调节装置，调节方

便，精度易于控制。

本张力控制系统方案成功应用于某公司ＳＺＫ－Ⅲ型张力控制器当中，经过多种场合的应用，实际效果良好。参考文献：

［１］李全利．可编程序控制器及其网络系统的综合应用技术

程序设计中应用松下ＦＰ０ＰＷＭ（Ｆ１７０）

［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５：４７－４８．

脉宽调制

［２］张光荣．磁粉离合器和磁粉制动器的结构、性能及选用［Ｊ］．

机电工程技术，２００４，３３（１０）：７７－７９．

波输出指令，可指定输出端Ｙ０和Ｙ１为ＰＷＭ输出端，可以输出的脉冲频率在０．１５～３８之间可调，其占空比在

［３］王锁弘，张永．基于半径反馈的恒张力控制系统的设计与实

现［Ｊ］．山东电子，２００３，（１）：３７－３８．

０．１％～９９．９﹪之间可调。根据上述数学模型，经过检测

转速，计算放卷轴实际半径，计算实际张力值。由于张力的实际计算是通过电压来实现，所以本程序设计的核

［４］伍义，徐振越，李俊强．基于ＰＬＣ的收排线机恒张力控制系

统的设计［Ｊ］．工业控制与计算机，２００６，１９（１２）：７０－７１．

ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＬＣｉｎＣｏｎｓｔａｎｔＴｅｎｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ

ＷＡＮＧＨｏｎｇ－ｂｏ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｕｎｄｅＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，ＦｏｓｈａｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５２８３３３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＬＣｉｎｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｎｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＡｐｒａｃｔｉｃａｌＰＬＣｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｉｓｇｉｖｅｎｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰＬＣ；ｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｎｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

［责任编辑：陈礼

］