张力控制系统的研制资料

基于PLC的张力控制系统的研制
——任胜乐，卢华，王永章，富宏亚摘要：
纤维卷绕张力是在这影响直接卷绕产品的质量复合材料的模制技术的一个重要因素，并且张力控制是在纤维缠绕技术的关键技术。

本文介绍了一种闭环张力控制系统与可编程逻辑控制器（PLC）与功能模块作为控制核心，将交流电（AC）伺服电机作为执行元件和半径，下面的设备来完成实时半径赔偿。

张力控制系统的机理进行了分析和数值模型建立。

涡旋的半径的补偿技术是分析。

实验结果表明，该系统可以很好地胜任具有控制精度高，反应速度快。

关键字：张力控制，PLC，数控绕线机;交流数字伺服电机复合材料纤维的组件绕组具有某些优点如低体重，高强度和高耐腐蚀性，并且它们被广泛应用于航空，航天业。

许多研究表明，不适当的或不稳定的紧张导致的强度损失20％-30％的纤维缠绕组件。

一个理想的张力控制系统应提供稳定，在卷绕过程中张力可调。

与卷绕机的发展，张力控制器有，到目前为止，经历了三个发展阶段，即机械张力控制器，电气张力控制器和电脑张力控制器。

与发展电子技术和的外观微处理器较高的性价比，电脑张力控制器投入使用。

微处理器成为控制系统的核心从而减少了的电路的数目电子控制系统，这大大简化了系统，提高了它的可靠性，并使得有可能先进的控制方法的应用。

因此，这种类型的控制器被广泛使用。

张力控制技术日趋成熟和规范在一些发达国家得到改善。

然而，中国的纤维缠绕产业起步晚，而且与西方国家相比仍然落后。

机械张紧器，具有精度低，响应速度慢，占国产应用张紧器的主要部分，并不能满足张力的要求。

因此，本文提出了一种基于PLC的张力控制系统。

1设置了该系统计划
1.1建设系统
卷绕张力控制系统一般包括三个主要部分，即退绕，处理器和卷绕器，它也可以包括测量和控制部件，辅助输送装置和一个载荷传感器。

开卷的络筒机和类型可能是其中的两个驱动器类型，表面驱动器或中心的车程。

面的驱动装置，一个涡旋件或皮带被设置卷绕材料的表面上，驱动力通过摩擦产生的。

中心驱动器，是在涡管的中心轴，其中的线速度与卷绕纤维的拉伸力随涡旋的半径，从而导致所谓的“滚动厚”设置的驱动机构。

“滚动厚”的现象，使张力控制非常复杂，但中心驱动模式被广泛由于其广泛的适用性适用。

1.2张力控制方案设计
该系统采用了一个中心驱动器和向外绘制光纤配置方案。

由于AC数字伺服电机的输出扭矩与纤维张力和滚动半径成正比，输出扭矩应该减小，涡形管半径减小到获得恒定的纤维张力。

滚动半径的变化可以通过一个半径以下设备进行测量和取样的半径变化，然后通过模拟数字转换器传递并且被发送到PLC。

通过阅读张力的期望值，半径和张力的计算与预设计算算法。

速度指令和转矩限制指令发出和数
字- 模拟转换成输出的模拟电压信号来控制伺服驱动器。

伺服驱动器控制旋转速度和输出转矩来控制纤维的张力。

伺服电机的速度和扭矩由脉冲编码器和霍尔元件测量并反馈到PLC系统以构成一个闭环系统。

在该系统的主要部件包括
（1）松下可编程控制器（FP0-C10RS），一个12位FP0-A80和
FP0-A04V附设的转换模块。

（2）松下交流数字伺服驱动器和伺服电机。

（3）半径以下的设备，包括一个半径下面的手臂和旋转电位器。

2数学模型
有效控制纤维张力是必需的纤维缠绕。

由于在芯模的形状和卷绕形状的通用性，纤维的线速度很难保持恒定且变化的原则是极其复杂的。

因此，在速度上的张力的影响，应考虑到在控制对象的力学分析。

与功能模块作为控制系统的控制核心，以及所需要的张力PLC可以从人机界面，通过PLC与上位机之间的串行通信制定。

半径值，扭矩反馈和速度反馈的输入，预置计算算法的运行情况，并且系统的输出由PLC与功能模块完成。

当退绕机被认为是，动态转矩平衡方程式可表示如下：M(t)=J(t)ω(t ) + J(t)ω(t)+TR(t)+Mf + M0 (1) 其中T是纱线张力，R（t）是实时滚动半径，M（t）是交流伺服电机的耐力矩，MF是粘滞摩擦力矩，ω（t）是该角速度的滚动，J（t）是在滚动和纱辊的转动惯量，和M0是干摩擦力矩。

如式，滚动半径，耐力矩，角速度的退绕和滚动的转动惯量是时间的所有功能，并且该系统是这样一个复杂的多变量随时间变化的系统。

3滚动半径的补偿
在涡管的半径变化引起的滚动力矩的变化，即对TR（t）的式中的变化。

半径以下臂的一端接触的滚动，而另一端通过齿轮放大连接到旋转电位器结构，从而改变在主轴半径为电压的变化的变化。

4该系统的软件开发
该软件的开发充分利用FP0-C10RS，数字类比I/O模块，PC机的硬件和软件资源的能力。

模拟- 数字或数字- 模拟转换的精确度依赖于模拟- 数字转换器和数字- 模拟转换器的比特数。

FP0 -A80和FP0- A04V都是12位，分辨率为1/ 4 000时，输出和输入范围-10V- 10 V，而FP0为16位，所以该系统的控制的分辨率可以是每个基本指令的assured.The 操作速度是0.9微秒/步骤，从而步骤500的程序仅需要0.5毫秒，并且FP0 -A80和FP0- A40V的转换速度都为1毫秒/通道，所以该系统的控制速度是有保证的。

PLC梯形图应用开发的整个控制程序。

然而，这些参数的输入是不直观的，既不是实时张力和涡半径的显示。

为了解决这个问题，一个控制程序的接口上的主机开发出的操作者可以进行参数的输入和实时张力，速度和滚动半径的显示。

所有FPPLC 的支持OPEN MEWTOCOL协议编程口。

上位机发送命令给PLC作为ASCLL字符串。

则PLC自动返回一个基于命令的响应。

系统的输入是由半径以下器件上的电压的反馈，交替数字伺服电动机的转矩反馈和速度反馈。

系统的输出是交替的数字伺服电动机的转矩和速度电压。

5仿真和实验结果
在实际缠绕状态的张力控制的实验研究进行了通过模拟真实的工作环境下进行测试的可行性和控制精度。

当张力被设定为10 N，在模拟环境下的恒定张力曲线和实验条件可以与附近的恒定的张力来获得的，如图4和图5分别。

为了了解工作状态交流伺服电机时的张力变化时，张力从5N变为10N和它的变化曲线下的模拟示于图6和图7和实验条件，其中，过冲和波动是相当小，响应时间小于0.3s.图4仿真张力随时间的变化（张力= 10N）。

图5实验张力随时间的变化（张力= 10N）。

图6的仿真张力随时间的变化（从5 N到10 N的张力变化）。

5.1静差率分析
静态差异率是用于评价该系统的性能的重要指标。

它可以表示为如下δ=ΔT/TM *100％
其中ΔT=最大张力- 最小张力，Tmax为最大张力，Tmin为最小张力，Tm为平均紧张。

从上面的分析，该系统的静态差值小于4％，满足所要求的性能指标。

5.2波动率分析
无论是张力波动率是否符合要求是评价设计的张力控制系统的
性能的关键指标。

制定一个初始化的纱线张力，补偿计算，输出后。

然后，测试实际张力，并找出最大和最小的紧张局势。

方程计算的张力波动率δ'如下：
6结论
仿真和实验结果表明，该系统是可行的与PLC为核心的数字式交流伺服电机作为执行元件和一个半径为以下设备进行半径补偿。

该系统的特点包括
（1）松下FP系列PLC和功能模块作为控制核心。

小体积，高诚信，高可靠性，出色的控制能力和低成本所有使系统方便，结构紧凑，足够高的可靠性
和精度。

（2）纱线重修设备可以被排除在外，因为伺服马达可以执行相同的功能。

（3）模块化的软件设计有利于建设扩展和客户进行二次开发。

（4）松下FPWIN_GR软件的友好的编程环境中封装了在线编程的能力。

参数可在线改变和控制的效果可以瞬时地看到。