基于PLC和變頻器的包裝印刷機控制系統(tǒng)的設計

1、 基于PLC和變頻器為核心的包裝印刷機控制系統(tǒng)的設計姓 名 系 名 專 業(yè) 指導老師 2015年 5月 6日摘 要利用模擬或數(shù)字載體將媒質(zhì)（如色料）轉(zhuǎn)移到承印物上的過程，叫做印刷。印刷是獲得高質(zhì)量，大批量印刷品的最重要的復制過程，卷筒紙膠印機主要用來印刷雜志，報紙等印刷品，它的產(chǎn)品質(zhì)量取決于張力控制?，F(xiàn)代印刷機幾乎無一例外地采用了變頻器張力控制系統(tǒng)，這種控制方式的特點是：運行可靠、機械磨損小、控制精度高，適用于高速多套色凹版印刷機。通過本人在日邦印刷廠實習經(jīng)歷和對凹版印刷機的接觸與了解，理論結(jié)合實踐， PLC，變頻器，通信技術(shù)構(gòu)建一個以PLC和變頻器為核心的完整的卷筒紙膠印機張力控制系統(tǒng)論文主

2、要內(nèi)容如下：1概述了變頻器與PLC的工作原理和性能；2推導了浮輥檢測系統(tǒng)模型、變頻器交流異步電動機傳動模型，完善了收放料裝置的動力學模型、張力模型、收料張力控制模型；3在數(shù)學模型的基礎上，開發(fā)了系統(tǒng)控制應用程序。4編寫出PLC與變頻器自由口通信協(xié)議，得出新型的控制方案。關鍵詞：印刷機；張力控制；變頻器；PLCAbstractVector using analogue or digital media (eg, pigment) transferred to the substrates on the process, called the printing. Printing is to ob

3、tain high-quality, high-volume printed copy of the most important process, web offset press is mainly used to print magazines, newspapers and other printed matter, it depends on the tension control product quality. Modern web offset press has generally followed the transducer tension control system,

4、 this control method is characterized by: Run a reliable, mechanical wear is small, high control accuracy. Through my internship in the print factory of the contacts and understanding to integrate theory with practice, through plc, converters, communications and other technology to build a PLC and i

5、nverter as the core of a complete web-fed offset press Tension Control System . 1. An overview of inverters and PLC working principle and performance; 2. Derivation of the dancing roller inspection system model, and improved dynamic model Unwinding tension model; 3. In the mathematical model develop

6、ed on the basis of the system control applications. First, PID control algorithm is used for the control strategy to verify the model is reasonable.Through the completion of the above paper in order to achieve constant tension control, the purpose of improving print quality to meet production needs.

7、Key Words：Tension control; inverter; PLC目錄摘 要IVAbstractV第1章 緒論31.11.1課題背景31.1.1 凹版印刷機工藝以及印刷原理31.1.2 凹版印刷機的發(fā)展歷史31.2 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.2.1 三電機張力控制系統(tǒng)介紹31.2.2 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)41.3 論文的研究目的和內(nèi)容41.4 論文結(jié)構(gòu)5第2章 系統(tǒng)總體設計方案62.1 印刷機控制系統(tǒng)的基本設計步驟和設計功能62.1.1 基本設計步驟62.1.2 印刷機變頻器控制系統(tǒng)的基本設計功能62.2 基本工作流程72.3 系統(tǒng)的組成方案7第3章 系統(tǒng)的硬件選擇及接線原理1

8、01.23.1硬件選擇103.1.1 電動機103.1.2 張力傳感器103.1.3 變頻器113.1.4 PLC的選取123.1.5 熱繼電器的選擇123.2 系統(tǒng)的硬件接線123.2.1 系統(tǒng)主電路接線圖133.2.2 PLC的I/O分配表133.2.3 PLC外部I/O連接143.2.4 收卷、放卷變頻器(前后牽引變頻器)端子接線圖143.2.5 主牽引變頻器端子接線圖16第4章 系統(tǒng)軟件設計174.1 系統(tǒng)的軟件設計174.1.1 系統(tǒng)總流程圖174.1.2 三菱PLC的PID設定184.2 系統(tǒng)梯形圖22結(jié)論25參考文獻26附錄一27附錄二42附錄三43致謝46不要刪除行尾的分節(jié)符，

9、此行不會被打印千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- 44 -附錄第1章 緒論1.1 1.1課題背景本文來源于對外包裝印刷機生產(chǎn)設計實例的研究，目的是進一步完善一套基于可編程控制器(PLC)技術(shù)與變頻器技術(shù)的電機張力控制系統(tǒng)。1.1.1 凹版印刷機工藝以及印刷原理 凹版印刷方式作為包裝印刷市場上最好的印刷方式泛的被應用，因為對于被用為包裝材料的的薄膜、紙、鋁箔和除此之外的其他材料，都可以使用該類型的印刷機對其進行印制。此種印刷方式具有以下優(yōu)點: 1印刷油墨層厚實，圖像色澤好，層次豐富

10、，效果高清。 2印刷品無縫隙，廣泛應用于印制連續(xù)圖印刷品的工業(yè)生產(chǎn)中。 3印刷系統(tǒng)使用周期長，并且具有故障報警維修的特性。 4此種印刷方法對油品要求較低，所以可以對多種材質(zhì)的印刷物進行印刷。1.1.2 凹版印刷機的發(fā)展歷史20世紀五十年代在中國上海建業(yè)義華機器制造股份有限公司制成了第一臺凹版印刷機。20世紀七十年代上海人民機器廠制成單張紙單色凹印機，二十世紀八十年代北京人民機器廠制成卷筒紙四色凹印機。隨后一些工廠也制成了印刷塑料薄膜的卷筒材料凹印機。凹印機在中國的生產(chǎn)數(shù)量不是太多，品種相對也較少，在印刷工業(yè)中凹版印刷這種印制方式占的比重也比較小。1.2 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19世紀以來，凹版印

11、刷機的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個發(fā)展階段。無論在生產(chǎn)率方面還是在操作自動化方面，都在不斷的提高和改進。體現(xiàn)在張力控制方面表現(xiàn)為經(jīng)歷了磁粉張力系統(tǒng)交流電動機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)伺服電動機無軸控制系統(tǒng)幾個發(fā)展階段。在我國，變頻驅(qū)動系統(tǒng)才起步不久，在伺服電機無軸驅(qū)動方面的研究也不多，本文基于這種原因，以變頻驅(qū)動的凹版印刷機為研究對象，基于三電機張力控制系統(tǒng)進行理論研究工作，為以后的五軸驅(qū)動開發(fā)打下堅實的基礎。1.2.1 三電機張力控制系統(tǒng)介紹凹版印刷機控制系統(tǒng)主要是由可編程控制器與三臺變頻器(分別控制放卷電機、收卷電機和主電機)組成的，這種控制方式簡稱為三電機同步控制方式。實際應用中采用PC機或者可編程控制器作

12、為上位機，以一臺或多臺PLC作為下位機，每臺下位機通過PLC擴展模塊與若干臺智能設備進行通信，從而實現(xiàn)分布式控制，可以實現(xiàn)復雜的控制功能。目前最為領先的控制系統(tǒng)當屬使用單臺可編程控制器，通過數(shù)字量輸出控制三個變頻器的啟動或者停止，通過模擬量輸出擴展模塊EM232調(diào)整變頻器的運轉(zhuǎn)速度指令。這樣就節(jié)約了可編程控制器通信網(wǎng)絡的自身成本，但是PLC的輸入輸出點數(shù)是有限制的，使用擴展模塊控制變頻器影響了整機的功能擴展并且由于模塊的模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換影響系統(tǒng)的運行速度。1.2.2 PLC控制變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器、電機和可編程控制器組成的印刷機控制系統(tǒng)，通過控制驅(qū)動印刷版筒的主電機以及放卷和收卷兩個個電機的線

13、速度同步來達到張力的穩(wěn)定，具有影響反應速度的特點，并且可以提供良好的設定功能，以滿足各種材料的工藝特性。最近幾年，因為變頻器的應用范圍越來越寬，并且各個廠家生產(chǎn)的變頻器所具有的技術(shù)也在日益完善，所以使用變頻器對電動機的電源進行改造已經(jīng)成為提高能源利用率，進一步節(jié)約能源的主要方法。n60 f(1s)/p (1-1)表1-1 式1-1中各量含義式中變量所代表的含義(單位)n電動機的轉(zhuǎn)速(rad/min)f電動機的頻率(Hz)s電動機的轉(zhuǎn)差率P電動機的極對數(shù) 表1-1為式(1-1)各變量的物理意義。轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，頻率f的改變會導致電機速度的變換，當頻率f在050Hz變化的通用范圍內(nèi)

14、時，轉(zhuǎn)速的變換將會有著很大的幅度和范圍。而我們通常所用的變頻調(diào)速的原理就是通過頻率在電源上的改變實現(xiàn)的。交流與直流的轉(zhuǎn)換是變頻器的特點，首先通過轉(zhuǎn)換我們平常用的50Hz頻率的交流電變成方向不改變的直流電，然后通過逆變再變回交流電，其電壓與頻率均可控制。1.3 論文的研究目的和內(nèi)容凹版印刷機是一個復雜的控制對象，主要表現(xiàn)在幾個方面：首先，幾個環(huán)節(jié)彼此相關性強，其中一個環(huán)節(jié)的張力發(fā)生變化，其它環(huán)節(jié)的張力也會隨之產(chǎn)生變化；其次，因為印刷材料的材質(zhì)不同，紙卷不圓或紙張的不均勻，印刷滾筒的凹槽或其他因素都會引起紙帶張力的波動；最后，各種外界因素(例如機器拖動不穩(wěn)定)也可能影響到整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。所以說

15、印刷機系統(tǒng)是一個復雜的控制系統(tǒng)，本文著重敘述了凹版印刷機的工作過程，工作原理，控制系統(tǒng)設計等針對基于PLC的變頻器控制凹版印刷機電機轉(zhuǎn)動，從而達到令張力恒定的目的。以便獲得更高品質(zhì)的印刷制品。本論文的主要工作如下：本系統(tǒng)將 PLC與變頻器有機地結(jié)合起來，采用以被印刷材料的張力數(shù)值為主控參數(shù)，實現(xiàn)對印刷機的張力的有效控制，使印刷機制品達到理想的效果。PLC控制系統(tǒng)具有對印刷機的電機過熱保護、故障報警等功能特點，為印刷機控制系統(tǒng)提供一條新途徑。在介紹印刷機基本結(jié)構(gòu)的基礎上，深入分析了印刷機的工作原理，闡述了PLC的優(yōu)點及特點，重點分析了印刷機的硬件設計和軟件設計，研究并提出了基于PLC凹版印刷機變

16、頻器控制系統(tǒng)設計的實現(xiàn)方案。1.4 論文結(jié)構(gòu)論文主要分為個部分：第一章為緒論，主要介紹了凹版印刷機的發(fā)展歷史，論文的主要研究目的，論文的研究意義。第二章介紹了印刷機控制系統(tǒng)的總體設計方案，整個系統(tǒng)需要完成的設計功能。第三章闡述了系統(tǒng)各部分的硬件構(gòu)成及原理。第四章著重介紹了PID模塊的軟件編寫，及部分軟件設計。第2章 系統(tǒng)總體設計方案2.1 印刷機控制系統(tǒng)的基本設計步驟和設計功能2.1.1 基本設計步驟基于PLC的設計，首先要確定控制對象及其控制范圍，接下來，要對PLC的型號進行選定，針對控制對象的要求，分配I/O點數(shù)。下面分為兩個部分，分別為軟件設計和硬件電路的設計，首先進行硬件設計，包括外部

17、電路的設計和對PLC的安裝配線。軟件設計包括對程序的設計和程序編完成以后對程序的調(diào)試，如果程序調(diào)試沒有通過，那么就會回到程序編寫上來。當硬件和軟件編寫工作完成之后，進行工控現(xiàn)場的調(diào)試，根據(jù)設計是否符合要求，調(diào)整硬件或者軟件，依次來完成設計要求?；赑LC系統(tǒng)的設計步驟圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)的設計步驟2.1.2 印刷機變頻器控制系統(tǒng)的基本設計功能本設計為滿足凹版印刷機張力恒定的要求，系統(tǒng)的具體設計要求如下：1本系統(tǒng)的控制對象為對凹版印刷機的變頻器進行控制，進而對整個印刷機各環(huán)節(jié)的張力進行控制。2本系統(tǒng)為手動和自動兩種工作模式，具有故障報警、運行指示燈、控制電機的加速、減速等功能。3運用

18、張力傳感器測定運行系統(tǒng)的張力，當張力數(shù)值超過設定報警上限時，發(fā)出報警信號。當張力數(shù)值介于設定數(shù)值之間時，將張力信號轉(zhuǎn)化為電信號輸入經(jīng)PID運算后，輸出給變頻器，控制電動機的運行。2.2 基本工作流程 1在整個系統(tǒng)開始工作之前先按下警鈴按鈕，此時是為了避免出現(xiàn)不必要的意外事故。2按下啟動按鈕，此時控制凹版印刷機印刷部分的主電機還不開始運行，而控制前牽引和后牽引的將根據(jù)張力傳感器所測的張力值大小，通過張力傳感器將張力變化的大小轉(zhuǎn)換為電信號反饋到PLC當中進行比例、積分、微分運算后，再輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器，通過編碼器，對張力進行進一步的調(diào)節(jié)。3當印制品的前牽引和后牽引處的張力都達到穩(wěn)定時

19、，主牽引才開始運轉(zhuǎn)。4按下加速按鈕，此時主牽引才進行啟動加速。5當線速度達到10-15米/分鐘的時候，才對主牽引停止加速，當人工調(diào)節(jié)印刷套準之后達到套準要求，再次按下加速按鈕繼續(xù)加速運行。6前牽引和后牽引初的張力傳感器在整個控制過程都檢測所在處的張力值是否發(fā)生變化，目的將張力的大小調(diào)節(jié)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。2.3 系統(tǒng)的組成方案整機控制采用三菱FX2N-16MR系列PLC、變頻器以及張力傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。張力傳感器將當前的張力轉(zhuǎn)化為電信號，以模擬信號反饋給可編程控制器；此時，PLC根據(jù)任務要求以及自身程序，計算出相應輸出，通過自由口通信讀取變頻器工作狀態(tài)，并向變頻器發(fā)出指令，保證各個電機工

20、作在同步狀態(tài)，使張力保持穩(wěn)定。系統(tǒng)示意圖如圖2-2所示，整臺機器的張力控制實際分為三段張力：放卷、收卷、印刷。其中可編程控制器為整個系統(tǒng)組成的核心部分。系統(tǒng)中主要執(zhí)行元件動作均由可編程控制器輸出點控制，PLC根據(jù)設計要求，時刻調(diào)整輸出指令。圖2-2 系統(tǒng)示意圖變頻器的工作原理如圖2-3所示，將動力電源經(jīng)過三相全波整流、直流平滑以后，通過脈寬調(diào)制方式對逆變電路的半導體開關元件進行開啟或者關斷，并且通過調(diào)整輸出脈沖的寬度，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源，來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。圖2-3 變頻器的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)上電之后，可編程控制器即開始掃描各個輸入點的狀態(tài)，并且檢

21、查通信接口是否可用。當連接至PLC 的開關量輸入端的啟動、加速等按鈕依次動作以后,PLC根據(jù)用戶編寫的程序，向變頻器發(fā)送指令。在PLC發(fā)送數(shù)據(jù)包中，速度指令對應著變頻器的模擬量指令輸入，變頻器正是根據(jù)這個指令來調(diào)整PWM控制電路的輸出。當張力發(fā)生變化(如材料松緊程度、機器運行速度、收放卷直徑的大小等影響因素)，張力傳感器作用，通過張力傳感器轉(zhuǎn)化為電信號把引力信號反饋到PLC進行PID運算后，輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器，進行張力調(diào)節(jié)，在主牽引運轉(zhuǎn)前薄膜的張力就達到穩(wěn)定。進而達到張力的穩(wěn)定。如圖2-4所示為基于PLC與變頻器的恒張力控制過程示意圖。圖2-4 基于PLC與變頻器的恒張力控制過程

22、示意圖第3章 系統(tǒng)的硬件選擇及接線原理1.2 3.1硬件選擇基于凹版印刷機系統(tǒng)的特點，需要選擇規(guī)格一定的電動機、傳感器、PLC以及變頻器，本節(jié)主要介紹硬件的選擇過程。3.1.1 電動機本論文中的電動機用于牽引印刷材質(zhì)，達到放入印刷系統(tǒng)和從印刷系統(tǒng)中卷取后取出的目的，同時通過電機的轉(zhuǎn)速達到對整個系統(tǒng)的加速減速的目的，所以采用交流三相異步電動機，選取的交流電動機的規(guī)格為額定電壓為380v、額定功率為3000w、轉(zhuǎn)數(shù)為3000r/min。下面的簡要的介紹一下三相異步交流電動機：1工作原理：當電動機的三項定子繞組(各相差120度電角度)，通入三項交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從

23、而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電流(轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路)，載流的轉(zhuǎn)子導體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同3。圖3-1 三相異步電動機的基本構(gòu)造圖3.1.2 張力傳感器張力傳感器在印刷機變頻器控制系統(tǒng)中的作用為：卷筒紙印刷時，應保證紙帶在印刷過程中張力大小保持恒定不變。原因有三點：首先，張力太小會導致紙帶松弛、褶皺、套印不準等弊病發(fā)生；其次，張力過大，會增加機器的負荷和增加紙帶的應力，且超過其強度極限就會斷裂；最后，張力不穩(wěn)定，紙帶會發(fā)生跳動，以至于會出現(xiàn)套印不準、重影等問題。尤其是機器啟動、停車時，張力不穩(wěn)，會造成斷紙、

24、擁紙等影響印刷質(zhì)量的問題?；谝陨蠁栴}，本文采用的是測量壓力的電位器式壓力傳感器，其原理為當張力發(fā)生改變時將壓力傳遞給彈簧管，此時彈簧管發(fā)生一定的角位移，接著電位器產(chǎn)生一個數(shù)值的變化，電阻值也隨之改變，得到一個電壓信號，傳遞給PLC進行下一步的工作。工作原理如圖3-2。圖3-2 壓力傳感器工作原理根據(jù)系統(tǒng)設計要求選取施密特公司的TSB1,此款傳感器的特點為連續(xù)測量低高張力范圍的膠片、繃帶、塑料薄膜等寬體材料的張力。五個張力范圍可選：從0-100cN到0-2000cN，導線輪的寬度可在下7mm到20mm之間調(diào)節(jié)輪子的寬度應與被測材料的寬度相匹配。3.1.3 變頻器首先通過轉(zhuǎn)換我們平常用的50Hz

25、頻率的交流電變成方向不改變的直流電，然后通過逆變再變回交流電，其電壓與頻率均可控制。本次設計中采用模擬量控制變頻器，三菱PLC有許多的特殊功能模塊，而模擬量模塊則是其中的一種，它包括數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。例如數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊可將一定的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對應的模擬量(電壓或電流)輸出，這種轉(zhuǎn)換具有較高的精度。在設計一個控制系統(tǒng)時，常常會需要對電機的速度進行控制，利用PLC的模擬量控制模塊的輸出來對變頻器實現(xiàn)速度控制則是一個經(jīng)濟而又簡便的方法4。1模擬量模塊輸出信號的選擇：通過對模擬量模塊連接端子的選擇，可以得到兩種信號，010V或05V電壓信號以及420mA電流信號。這里選擇0-10V的信號進行控制

26、變頻器。 2模擬量模塊的增益及偏置調(diào)節(jié)：模塊的增益可設定為任意值。然而如果要得到最大12位的分辨率可使用04000?？蓪δK進行偏置調(diào)節(jié)，例如數(shù)字量04000對應0-10V。本次設計中選取的三個變頻器均為MD320型號的，根據(jù)所帶動電機的適配功率不同，分別選擇了MD320T7.5GB的變頻器和MD320T3.7GB的變頻器。1主牽引變頻器：根據(jù)系統(tǒng)設計要求選用深圳匯川MD320T7.5GB變頻器： 此種變頻器含有一個高速脈沖輸出端子(可選為開路集電極式)，0kHz50kHz的方波信號輸出，可實現(xiàn)設定頻率、輸出頻率等物理量的輸出。一個數(shù)字式輸出端子(可擴展至兩個)一個繼電器輸出端子(可擴展至兩個

27、)一個模擬輸出端子(可擴展至兩個)，分別可選0/4mA20mA或0/2V10V，可實現(xiàn)設定頻率、輸出頻率等物理量的輸出。MD320系列的輸入輸出端子數(shù)：5個DI(雙向輸入，1個高速口)，2個AI，2個DO(1個高速口)，1個AO，1個繼電器(可擴展I/O)。2收卷、放卷變頻器：都選用深圳匯川MD320Y3.7GB變頻器：此種變頻器輸入電壓：單相220V、三相380V、電源容量(KVA)：1.040、輸入電流(A)：5.462、輸出電流(A)：2.369、適配電機(kW)：0.430。3.1.4 PLC的選取選取三菱FX2N-16MR系列，8個模擬量輸入、8個繼電輸出輸出。編程指令很強，運行速度

28、很快，可適用于要求較高的場合。FX2N 是FX系列中功能最強、運行速度最快的PLC?；局噶顖?zhí)行時間高達 0.08s，超過了許多大、中型 PLC，F(xiàn)X2N 的用戶存貯器容量可擴展到16K，F(xiàn)X2N 的I/O點數(shù)最大可擴展到256點，F(xiàn)X2N 有多種模擬量輸入輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RSRS-232C/RS232C/RS-422/RS422/RS-485485串行通信模塊或功能擴展板、模擬定時器擴展板等。當這些特殊功能的模塊和擴展板被使用時，可以實現(xiàn)對模擬量的控制、位置的控制和聯(lián)網(wǎng)通信等功能。3.1.5 熱繼電器的選擇熱繼電器的原理為當流入熱繼電器的電流經(jīng)過繼電器中

29、的熱元件并且產(chǎn)生熱量時，熱繼電器中含有的不同膨脹系數(shù)的金屬片受熱膨脹，發(fā)生變形，當變形到達一定程度時，這種變形程度就會使連桿也發(fā)生相應的變化，造成整個電路中的控制電路斷開，電路的斷開必然導致整個電路沒有通電，從而主電路也就斷開，此時電動機就停止運行，這就是利用繼電器對電動機實現(xiàn)過載保護的基本原理。根據(jù)系統(tǒng)設計要求，當線路發(fā)生故障時，需要切斷電路以保證系統(tǒng)整體不會受到損壞，所以選取熱繼電器起到保護系統(tǒng)的作用。3.2 系統(tǒng)的硬件接線本節(jié)著重介紹了系統(tǒng)主電路、PLC接線圖、AD和DA模塊的接線圖以及變頻器端子接線圖。3.2.1 系統(tǒng)主電路接線圖如圖3-3所示，該印刷機變頻器控制系統(tǒng)有三臺變頻器，分別

30、拖動三臺電動機。合上空氣開關后，當KM1、KM2、KM3主觸點閉合時，電動機為變頻運行模式，此時變頻器控制電動機的動作，從而改變當前的張力情況。三個熱繼電器KR1KR3分別對三臺電動機進行保護，避免電動機在過載時可能產(chǎn)生的過熱損壞。圖3-3 系統(tǒng)主電路圖3.2.2 PLC的I/O分配表本系統(tǒng)中共有三個輸入，分別為啟動按鈕SB1、急停按鈕SB2、加速按鈕SB3、減速按鈕SB4、報警按鈕SB5。同時，具有四個輸出，分別為運行指示燈、警鈴、前牽引變頻器、后牽引變頻器、主牽引變頻器。PLC的I/O分配表如表3-1所示。表3-1 PLC的 I/O接口分配表輸入輸出序號名稱地址序號名稱地址1啟動按鈕SB1

31、X0001運行指示燈Y0012急停按鈕SB2X0012警鈴Y0023加速按鈕SB3X0023主牽引變頻器Y0044減速按鈕SB4X0034后牽引變頻器Y0055報警按鈕SB5X0045前牽引變頻器Y0063.2.3 PLC外部I/O連接根據(jù)設計需求，選取三菱FX2N-16MR CPU 控制核心FX2N系列可編程控制器。控制規(guī)模：16256點內(nèi)置8K容量的EEPROM存儲器,最大可以擴展到16K，CPU運算處理速度0.550.7S/?；局噶睿涸贔X2N系列右側(cè)可連接輸入輸出擴展模塊和特殊功能模塊,基本單元內(nèi)置2軸獨立最高100kHz定(晶體管輸出型)擁有四個模擬量輸入四個模擬量輸出通道。如圖3

32、-4為PLC外部接線圖以及模擬量輸入、模擬量輸出模塊接線圖，圖中X0X7為八個輸入繼電器接口，Y0Y7為八個輸出繼電器接口。3.2.4 收卷、放卷變頻器(前后牽引變頻器)端子接線圖本文采用深圳匯川MD320T3.7GB，此變頻器的特點為控制方式：無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制、V/F控制。控制對象：速度控制與轉(zhuǎn)矩控制兩種。通過多種參數(shù)的組合能夠精確實現(xiàn)實時控制。PID算法：先進的PID算法，響應快速且適應性強。十六段速度控制、擺頻控制廣泛應用在拉絲、線纜、紡織、化纖、電梯、印刷包裝機械、健身機械、機床等行業(yè)。圖3-4 PLC外部I/O接線圖MD320系列變頻器有豐富的擴展卡選配件，

33、包括I/O擴展卡、Modbus卡、RTU總線卡、供水擴展卡等。多功能輸入輸出擴展卡有5個(DI6DI10)多功能數(shù)字輸入端子，1個(AI3)模擬量輸入端子。如圖3-5為前牽引變頻器和后牽引變頻器的端子接線圖。圖3-5 前、后牽引變頻器的端子接線圖3.2.5 主牽引變頻器端子接線圖主牽引變頻器的端子接線圖如下圖3-6，主牽引變頻器的作用是控制整個系統(tǒng)運行的主電機，當前后牽引變頻器運行達到穩(wěn)定時，按下啟動按鈕，此時主變頻器才起到控制作用。圖3-6 主牽引變頻器端子接線圖第4章 系統(tǒng)軟件設計GX DEVELOPER是三菱PLC的編程軟件。適用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX等全系列可

34、編程控制器。支持梯形圖、指令表、SFC、 ST及FB、Label語言程序設計，網(wǎng)絡參數(shù)設定，可進行程序的線上更改、監(jiān)控及調(diào)試，具有異地讀寫PLC程序功能。4.1 系統(tǒng)的軟件設計 本系統(tǒng)的軟件部分由GX DEVELOPER VER.7實現(xiàn)，編程界面如圖4-1所示，基于三菱FX2N-16MR的PLC進行了印刷機系統(tǒng)變頻器控制的設計。圖4-1 GX DEVELOPER VER.7編程界面4.1.1 系統(tǒng)總流程圖系統(tǒng)的控制流程為：在整個系統(tǒng)開始工作之前先按下警鈴按鈕，此時是為了避免出現(xiàn)不必要的意外事故。按下啟動按鈕，此時控制凹版印刷機印刷部分的主電機還不開始運行，而控制前牽引和后牽引的將根據(jù)張力傳感器

35、所測的張力值大小，通過張力傳感器將張力變化的大小轉(zhuǎn)換為電信號反饋到PLC當中進行比例、積分、微分運算后，再輸出給前牽引變頻器和后牽引變頻器，通過編碼器，對張力進行進一步的調(diào)節(jié)。當印制品的前牽引和后牽引處的張力都達到穩(wěn)定時，主牽引才開始運轉(zhuǎn)。按下加速按鈕，此時主牽引才進行啟動加速。當線速度達到10-15米/分鐘的時候，才對主牽引停止加速，當人工調(diào)節(jié)印刷套準之后達到套準要求，再次按下加速按鈕繼續(xù)加速運行。前牽引和后牽引初的張力傳感器在整個控制過程都檢測所在處的張力值是否發(fā)生變化，目的將張力的大小調(diào)節(jié)到穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。其控制流程圖如圖4-2。圖4-2 系統(tǒng)流程圖4.1.2 三菱PLC的PID設定1F

36、X2N的PID指令PID指令的編號為FNC88，源操作數(shù)S1、S2、S3和目標操作數(shù)D均為數(shù)據(jù)寄存器D，16位指令，占9個程序步。S1和S2分別用來存放給定值SV和當前測量到的反饋值PV，S3S36用來存放控制參數(shù)的值，運算結(jié)果MV存放在D中。源操作數(shù)S3占用從S3開始的25個數(shù)據(jù)寄存器。 PID指令是用來調(diào)用PID運算程序，在PID運算開始之前，應使用MOV指令d的參數(shù)見表4-1設定值預先寫入對應的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復寫入。如果目標操作數(shù)D有斷電保持功能，應使用初始化脈沖M8002的常開觸點將其復位。PID指令可以同時多次使用，但是用于運算的

37、S3、D的數(shù)據(jù)寄存器元件號不能重復。PID指令可以在定時中斷、子程序、步進指令和轉(zhuǎn)移指令內(nèi)使用，但是應將S37清零(采用脈沖執(zhí)行的MOV指令)之后才能使用。 控制參數(shù)的設定和 PID運算中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，“運算錯誤”標志M8067為ON，錯誤代碼存放在D8067中。PID指令采用增量式PID算法，控制算法中還綜合使用了反饋量一階慣性數(shù)字濾波、不完全微分和反饋量微分等措施，使該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。PID控制器有4個主要的參數(shù)Kp、TI、TD和TS需整定，無論哪一個參數(shù)選擇得不合適都會影響控制效果。在整定參數(shù)時應把握住PID參數(shù)與系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能之間的關系。在P

38、(比例)、I(積分)、D(微分)這三種控制作用中，比例部分與誤差信號在時間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產(chǎn)生與誤差成正比的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點。比例系數(shù)Kp越大，比例調(diào)節(jié)作用越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度越高；但是對于大多數(shù)系統(tǒng)，Kp過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分作用與當前誤差的大小和誤差的歷史情況都有關系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會因積分作用而不斷變化，積分部分才不再變化。因此，積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是積分作用的動作緩慢，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數(shù)TI增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)性能(穩(wěn)定性)可能有所改善，但是

39、消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。微分部分是根據(jù)誤差變化的速度，提前給出較大的調(diào)節(jié)作用。微分部分反映了系統(tǒng)變化的趨勢，它較比例調(diào)節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)TD增大時，超調(diào)量減小，動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。選取采樣周期TS時，應使它遠遠小于系統(tǒng)階躍響應的純滯后時間或上升時間。為使采樣值能及時反映模擬量的變化，TS越小越好。但是TS太小會增加CPU的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將TS取得過小。2PID控制說明表4-1  PID控制參數(shù)及設定源操作數(shù)參   數(shù)設定范圍或說明備  

40、  注S3采樣周期(Ts)132767ms不能小于掃描周期S3+ 1動作方向(ACT)Bit0： 0為正作用、為反作用Bit1： 0為無輸入變化量報警1為有輸入變化量報警Bit2：0為無輸出變化量報警1為有輸出變化量報警Bit3 Bit15不用S3+ 2輸入濾波常數(shù)(L)099(%)對反饋量的一階慣性數(shù)字濾波環(huán)節(jié)S3+ 3比例增益(Kp)132767(%)S3+ 4積分時間(TI)032767(×100ms)0與作同樣處理S3+ 5微分增益(KD)0100(%)S3+ 6微分時間(TD)032767(×10ms)0為無微分S3+ 7S3+ 19PID運算占用S3+

41、 20輸入變化量(增方)警報設定值032767由用戶設定ACT(S3+ 1)為K2K7時有效，即ACT的Bit1 和Bit2至少有一個為1時才有效；當ACT的Bit1 和Bit2都為0時，S3+ 20 S3+ 24無效S3+ 21輸入變化量(減方)警報設定值032767S3+ 22輸出變化量(增方)警報設定值032767S3+ 23輸出變化量(減方)警報設定值032767S3+ 24警報輸出Bit0：輸入變化量(增方)超出;Bit1:輸入變化量(減方)超出;Bit2：輸出變化量(增方)超出;Bit3:輸出變化量(減方)超出PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利

42、用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 比例(P)控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。  積分(I)控制 ：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(

43、PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。   微分(D)控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件(環(huán)節(jié))或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前

44、使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。下面是PID控制器參數(shù)整定的一般方法： PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單

45、、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。 3PID參數(shù)的設定靠經(jīng)驗及工藝的熟悉

46、，參考測量值跟蹤與設定值曲線，從而調(diào)整PID的大小。比例I/微分D=2，具體值可根據(jù)儀表定，再調(diào)整比例帶P，P過頭，到達穩(wěn)定的時間長，P太短，會震蕩，永遠也打不到設定要求6。4.2 系統(tǒng)梯形圖本設計主要為針對前牽引和后牽引根據(jù)前牽引擺臂和后牽引擺臂所測張力大小進行調(diào)節(jié)，從而達到平衡，這也是由PLC控制凹版印刷機三電機同步的核心。1整個系統(tǒng)梯形圖：系統(tǒng)警鈴：本條梯形圖中X004常開觸點為報警按鈕，X001常閉觸點在此處代表急停，圖中Y002常開觸點代表警鈴輸出，本條梯形圖，當系統(tǒng)未啟動之前警鈴按鈕按下，即此時X004被接通，系統(tǒng)的警鈴開始鳴響，此時系統(tǒng)警鈴響的目的是防止系統(tǒng)突然啟動，造成意外事故

47、，警鈴響起，起到警醒的作用。 2整個系統(tǒng)啟動的條件：下圖中(X004)為上升沿為有效電平報警按鈕，即當系統(tǒng)警鈴按鈕(X004)被接通一次后，產(chǎn)生一個上升沿此時這條指令開始執(zhí)行，(X001)為急停常閉觸點，M2為輔助繼電器，可以當做一個選擇通道，下圖中當(X004)接通則M2構(gòu)成自鎖，整個系統(tǒng)一直供電，系統(tǒng)啟動過程完成。3啟動整個系統(tǒng)：此時系統(tǒng)按下啟動按鈕，即此時(X000)被接通，M2由于上條語句構(gòu)成自鎖，(Y001)為系統(tǒng)指示燈，當系統(tǒng)啟動按鈕被按下此時系統(tǒng)指示燈被點亮，并且構(gòu)成自鎖，此時系統(tǒng)主變頻運行(Y004)、后變頻運行(Y005)、前變頻運行(Y006)基于通道M2的指示而接通或者斷

48、開。4系統(tǒng)運行平穩(wěn)后加速過程：當系統(tǒng)加速按鈕SB2被接通時，(X002)此時被接通，啟動后的M2也被接通，此時輸出的變頻器調(diào)速指令存放在通道(M10)中，圖中M0和M11為控制系統(tǒng)加速上限和減速下限的標志，下文會提到。5系統(tǒng)減速過程：當系統(tǒng)減速按鈕SB3被按下時，此時線圈(X003)被閉合，啟動后滿足啟動條件，此時(M11)為存放減速數(shù)據(jù)的通道，圖中(M1)為控制減速下限的通道。6加減速計數(shù)：圖中M10和M11為加速減速數(shù)據(jù)存儲的通道其中之一接通，則該語句生效，當主牽引變頻器開始工作之后，計數(shù)器C200開始計數(shù)，可以計數(shù)600個。7設定加速上限和減速下限：當系統(tǒng)計數(shù)次數(shù)大于等于500次時，M0

49、通道被接通，則常閉觸點(M0)此時動作為關閉，完成對加速過程斷電，此時加速結(jié)束。當系統(tǒng)計數(shù)小于等于0次時，M1被接通，則常閉觸點(M1)此時動作為斷開完成對減速過程斷電，此時減速過程結(jié)束。結(jié)論本文較完整的討論了基于凹版印刷機的變頻器控制系統(tǒng)PLC設計的原理、硬件組成、軟件構(gòu)成。針對凹版印刷機控制系統(tǒng)中的速度控制問題，進行了研究與分析，提出了使用張力傳感器與PLC中的PID模塊組合進行實時監(jiān)測的研究方法，取得的成果如下：1 研究了三菱FX2N-16MR系列可編程邏輯控制器的特點，模塊組成以及編程方法。2 提出了一種采用張力傳感器的力-電轉(zhuǎn)換裝置使比較抽象的張力檢測轉(zhuǎn)變成我們能夠?qū)崟r檢測的電信號。

50、3 利用PLC模塊的PID調(diào)節(jié)原理對整個控制系統(tǒng)進行實時控制運算，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使印刷的質(zhì)量更高。4 基于變頻器調(diào)速原理的廣泛應用，采用變頻器對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。5 在原有控制原理的基礎上對凹版印刷機印刷部分加入主變頻調(diào)速電機使得系統(tǒng)在穩(wěn)定的基礎上能夠加速運行，提高了效率。綜上所述，本文對凹版印刷機的PLC控制系統(tǒng)的設計采用PLC控制變頻器調(diào)速的基本方法，綜合的運用了閉環(huán)控制，反饋調(diào)節(jié)的基本原理，在原有的基礎上實現(xiàn)加入加速裝置的新創(chuàng)意，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，在今后的工作中將會繼續(xù)研究這方面的問題。這次畢業(yè)設計基本的完成了任務書的要求，實現(xiàn)了照度的檢測與顯示，但是由于設計者的設計

51、經(jīng)驗和知識水平有限，系統(tǒng)還存在許多不足和缺陷，應該在今后的學習中繼續(xù)深入研究，進一步完善。參考文獻1 關昭軍等變頻器調(diào)速裝置使用淺析電工文摘，2010，(10)：25422 張錦燊基于PLC和變頻器的印刷機控制系統(tǒng)中山大學碩士學位論文，2007：10303 張靜俠等采用PLC控制凹版印刷機三電機同步職業(yè), 2008，6(32)：884 藍鼎銘可編程序控制器學術(shù)分析華章, 2010,9(31)：9105 孫玉榮等專用三相異步電動機和普通三相異步電動機用于變頻調(diào)速的比較中國市場,2008,5(14)：12136 吳海燕變頻器的諧波干擾和負載的匹配現(xiàn)代企業(yè)教育,2006,5(16)：347 王志強非

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54、 on Industry Applications，2001：1030附錄一ONE、PLC overviewProgrammable controller is the first in the late 1960s in the United States, then called PLC programmable logic controller (Programmable Logic Controller) is used to replace relays. For the implementation of the logical judgment, timing, sequence

55、 number, and other control functions. The concept is presented PLC General Motors Corporation. PLC and the basic design is the computer functional improvements, flexible, generic and other advantages and relay control system simple and easy to operate, such as the advantages of cheap prices combined

56、 controller hardware is standard and overall. According to the practical application of target software in order to control the content of the user procedures memory controller, the controller and connecting the accused convenient target.In the mid-1970s, the PLC has been widely used as a central processing unit microprocessor, import export module and the external circuits are used, large-scale integrated circuits even when the PLC is no longer the only logical (IC) judgment functions