摘要：采用横向涂胶、纵向切割、纸芯连续的蜂窝纸板生产工艺可提高生产效率，并实现全自动生产。基于PLC具有PID调节的变频调速和张力调节闭环控制系统设计方案，能满足纸芯连续全自动生产的控制要求。

关键词：蜂窝纸板生产线；纸芯连续；PLC；速度同步；张力；控制系统设计

0 引 言

蜂窝纸板是包装行业新兴的以纸代木的环保、经济型包装材料。目前国内外基本采用纵向涂胶、横向切割的纸芯不连续生产工艺进行生产。由于该工艺本身的原因，使其生产设备在自动化程度、纸芯宽度及生产效率等方面受到了限制。如果采用横向涂胶、纵向切割、纸芯连续的生产工艺，则可克服传统生产工艺的诸多缺点，但却需要解决多层纸馈人过程中张力变化、胶条位置涂胶偏差以及生产线各分段设备速度链的同步等过程控制方面的问题。如果这些问题得不到解决，则很难实现纸芯连续的生产工艺。本文介绍的电气控制系统方案较好地解决了上述问题，并成功地实现了纸芯连续的全自动生产。

1 生产工序及控制要求

纸芯连续全自动蜂窝纸板生产线的生产工序为：

(1)送纸 6层纸送纸机构；(2)横向涂胶 按照形成蜂窝状的胶条间隔分层进行涂胶；(3)叠合处理将涂胶后的6层纸压合在一起；(4)分切涂胶 按蜂窝纸板产品厚度的要求分切为相同尺寸的6层纸条，并将分切后的每个纸条涂上形成蜂窝位置的胶条；(5)纸条聚合将分切涂胶后的蜂窝纸条粘合在一起，形成多层蜂窝纸芯；(6)纸芯拉伸 将纸芯拉开形成蜂窝状并定型；(7)纸芯复面 将定型拉开后的蜂窝纸芯复盖纸面；(8)辊压成型 给复盖纸面后的蜂窝纸板加压定型；(9)裁板按蜂窝纸板产品尺寸要求进行裁切等。以上每个工序均由一台独立的专用设备完成，其中：(1)～(5)道工序为连续纸芯的生产设备，(6)～(9)为纸板生产设备。生产线各工序设备既要实现本段工序的动作要求，又要与前后工序段设备协调工作。因此，电气控制系统需具备：(1)自动控制及单台手动调节的功能；(2)运行／停止、运行速度的升速／降速控制及数字显示速度的功能；(3)跟踪速度链的同步功能；(4)张力自动调节功能；(5)自动裁板及人机界面监控功能。

2 控制系统方案及硬件配置

为了满足工艺要求，本着操作简单、设计合理、运行可靠和维修方便的原则，依照上述生产工序对控制系统的要求，系统选用了以松下电工生产的中规模FP10s型可编程控制器作为主控单元的电气控制系统，如图1所示。图1中，控制系统硬件从功能上可分为以下5部分。

2．1 自动控制及手动控制
控制系统分为集中控制和手动控制2部分。自动控制时由总控台实现全线控制，总控台由触摸屏和总启动、总停止、运行等按钮开关构成。1 ～9 分控制屏为1 ～9 工艺段设备的操作盘，分别安装在相应工艺段的设备上，用于手动控制和调节本段设备的运行以及显示本段设备的状态，如速度调节、自动手动转换、启动、停止、急停、速度显示、故障报警等。

2．2 变频调速系统

　　全线共有9台设备构成。设备1～8为变频电机驱动，设备9为裁板设备。由于生产工艺的要求，1 ～5纸芯生产设备为一速度同步段，6 ～9 纸板生产设备为另一速度同步段，并且要求分段设备分别具有同步升速和同步降速的功能，因此采用了具有PID调节功能的闭环控制变频调速方案[1-3 ]。

　　按照PID闭环控制的特点要求，每段设备的变频调速系统硬件配置均由旋转编码器、高速计数模块、数模转换模块和公用的FPIOs CPU 所组成，系统结构如图2所示。

　　速度同步的控制原理为：第一道工序控制是由触摸屏上或1 分控制屏上手动速度调节得到的速度设定值与电机的实际转速相比较进行控制；在其后的工序中，监测前一道工序与当前工序的电机转速之间的速度差，利用PID控制进行修正，使2者速度差变小。通过这种控制方式可实现各工序之间的平滑联动，满足了工艺需要速度同步的要求，达到了提高产品质量的目的。
2．3 张力调节在送纸机构中，为了实现在6层纸上涂的胶条均匀到位，要求6层纸的馈入张力必须一致，这样才能保证蜂窝纸芯的形成质量。系统中张力调节系统由张力传感器、张力变送器、ADC模块、DAC模块、功率放大器、磁粉离合器等构成[4 ,5]，如图3所示。

　　磁粉离合器作阻尼器用，安装在纸卷托架轴上。工作时，张力传感器测得的张力信号，经张力变送器送往PLC的A／D模块，CPU 将测量得到的张力数据与设定值进行比较，经PID计算后完成张力反馈的PID调节(见图4)，再经PI C的D／A模块输出4～20mA电流信号，又经功率放大器放大后，控制磁粉离合器进行调节，从而控制转轴的转矩，达到控制馈入纸的张力的目的。

2．4 裁板

　　裁板是生产线的最后一道工序。在此工序中，要求按照产品尺寸进行切割、输出并且要求统计产量。裁板系统的基本配置为：旋转编码器、高速计数模块、气动执行机构和输出控制单元等。裁板系统的工作原理如下：当测量长度和触摸屏上设定的产品尺寸相等时，裁切驱动气缸动作，进行裁板，同时驱动控制单元动作，将产品移去，并统计产量一次。

2．5 人机界面

　　系统选用了松下SV52型触摸屏作为人机界面，安装于总控台上，操作人员可通过触摸屏监控整条线的工作状态。在人机界面中，设计了多幅画面，包括整体图形、故障显示、各点速度显示、产量统计显示以及
各种参数设定等监控画面。

3 系统软件

控制软件主要由初始化模块、模拟量采集模块、滤波模块、PID运算模块及开关量控制输入、输出模块等组成。

3．1 初始化模块

　　在初始化中，程序主要对有关变量赋初值，如设置定时器的时间常数，PID参数等。

3．2 速度测量与调节模块

　　系统共有8个旋转编码器，分别接在高速计数模块的8个输入通道上，由PLC计算出前段电机转子转速V1/r· min-1和当前电机转子转速V2/r· min-1。按下式计算出各自传动辊的线速度V线=kvπD／m ·min-1，式中k为电机转子转速的传动比，D为传动辊的直径／m。前段传动辊的线速度作为当前段传动辊的线速度设定值(SP)，当前段传动辊的线速度作为测量值(PV)，进而由FPIOS提供的PID指令进行运算，经D／A模块输出4～20 mA电流信号，送给变频器的输入端进行调节。

3．3 模拟量的采集、滤波及张力调节模块本系统有6路张力变送器输入的模拟量测量反馈信号，均为4～20 mA，由2块4路模数转换模块进行A／D转换。采样中采取了数字滤波的方法，去掉一个最大值和一个最小值，然后求平均值作为滤波结果(PV)。为改善系统的动态和稳态性能，控制调节采用了不灵敏区的PID算法[6]。该算法对标准PID控制输出作了如下的限制值，SV为设定值，e为设定值(SV)与测量值(PV)得差值，D 为不灵敏区的带宽。当D 为零时，即为标准的PID算法；当D不为零时，若lel>D，则执行PID算法，若le l≤D，则控制输出值U0为设定值SV。本控制系统中，D的大小由稳定生产时6路馈人纸的张力的最大偏差所决定。

4 结束语
纸芯连续全自动蜂窝纸板生产线的电气控制系统较为庞大，开关量I／0有300多点，但只有解决好多层纸馈人过程中张力的变化以及生产线各分段设备速度链同步的问题，才能实现纸芯连续的全自动生产[6]。上述电气控制系统方案已成功地用于纸芯连续的全自动蜂窝纸板生产线，达到了设计要求。

参考文献：
[1] 田 云．戚道南．贾恩凯，等．工业控制机原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，1989．
[2] 番新民．微型计算机控制技术[M]．北京：人民邮电出版社．1991．
[3] 孙传有．测控系统原理与设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2002．
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[6] 李安伏。王保吉，李晓红．闸门定位自动控制系统设计[J]．电力自动化设备，2005(8)：94—95．
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转载自：安阳工学院电气工程系