塑料薄膜分切机控制系统设计论文

中华人民共和国教育部
东北林业大学
毕业设计
设计题目：塑料薄膜分切机控制系统设计
学生：王尚东
指导教师：朱海教授
学院：机电工程学院
专业：机械设计制造及其自动化（机械电子工程）08级1班
2012年6月
东北林业大学
毕业设计任务书
设计题目塑料薄膜分切机控制系统设计指导教师朱海教授
专业机械电子工程2008级1班学生王尚东
2011年12月2日
塑料薄膜分切机控制系统设计
摘要
随着电力电子技术以及计算机控制技术的发展，使得PLC在机械自动化领域得到了广泛的应用。

由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常被用来作为现代自动化设备的控制核心。

在本设计中，为了提高薄膜分切机的自动化程度，分析了普通薄膜分切机的机械、电气控制原理，采用PLC作为薄膜分切机控制系统的核心，实现对分切机的收卷、牵引、吹边电机的同步控制，保留主电路，由PLC取代复杂的电气连线控制，设计出PLC 控制电路。

大大简化了电路，从而降低了机床的故障，更加便于控制，也降低了维修的难度。

另外，在张力检测与控制方面，采用压力探头与张力自动控制仪构成闭合的回路，控制放卷速度，属于闭环控制方式。

相对于缺少反馈环节的开环控制，闭环控制更加有助于提高分切机控制系统的精度与稳定性，保证薄膜分切始终处于一个稳定的张力环境中，对提高薄膜质量以及生产效率具有很大的意义。

关键词：可编程控制器；张力控制；分切机；闭环控制
The Control System Design of Film Slitter Machine
Abstract
With the development of the power electronics technology and the computer control technology,the PLC has been widely applied in the field of machine automation.PLC is very powerful,easy to use,and has high reliability.It is often used as the control core of the modern automation equipment. In this design,to improve the degree of automation of Film Slitter,analyzing the machinical and electrical principle of the ordinary Film Slitter,using the PLC as the core of the control system,achieving the synchronical control of the traction,winding,blowding side of the Film Slitter.We should retain the main circuit,use the PLC replace the complex electrical connections,design the control cicuit of the PLC.This design simplifies the circuit greatly and reduces the fault of the machanine.It is very easy to control and can reduce the diffculty of repairment.On the other hand,Using the pressure probe and the automatic tension control device can control the speed of unwinding in the area of the tension detection and control.All of this are the closed-loop control method.Relative to the open-loop control which lacks the feedback loops,the closed-loop link can help improve the accuracy and the stability of the control system in the Flim Slitter.This can guarantee that the Flim Slitter always is in a stable environment and has the great significance of improving the quality and the efficiency.
Key words：PLC; Tension Control; Slitter Machine; Closed-loop Control
目录
摘要
Abstract
1绪论 (1)
1.1 塑料薄膜分切机概述及现状 (1)
1.2 薄膜分切机未来的发展趋势 (2)
2塑料薄膜分切机控制系统整体方案设计 (3)
2.1 薄膜分切机的基本结构 (3)
2.1.1 薄膜分切机放卷机构 (4)
2.1.2 磁粉制动器 (5)
2.1.3 张力检测系统 (5)
2.1.4 薄膜分切机的收卷机构 (7)
2.2 塑料薄膜分切机的整体方案设计 (7)
2.2.1 塑料薄膜分切机的工作过程 (7)
2.2.2 薄膜分切机总体控制方案的设计 (8)
3塑料薄膜分切机控制系统硬件设计及实现 (9)
3.1 电动机电气控制线路设计 (9)
3.2 张力自动检测控制部分设计 (11)
3.3 液压控制系统设计 (12)
3.4 PLC控制部分设计 (13)
4塑料薄膜分切机控制系统软件设计及实现 (18)
4.1 PLC梯形图整体方案设计 (18)
4.2 PLC程序语句表 (20)
5结论 (22)
参考文献
致谢
塑料薄膜分切机控制系统的设计
1 绪论
1.１塑料薄膜分切机概述及现状
分切机是一种将纸张、塑料薄膜、等多种材料分切成按照制造需要规格尺寸的一种机械装置。

大多数是用于机械生产中的分切部分的包装机械。

塑料薄膜分切机只能用来分切塑料薄膜，通常由放卷机构、收卷机构、牵引机构、制动机构、刀具、电动机、张力控制系统及相关液压传动控制系统等组成。

目前，我国国内的分切机发展水平还比较落后，无论是外形、功能、还有性价比上都落后于发达国家的水平。

国内的分切机生产商主要集中在浙江杭州、无锡、苏州、还有北京、广州等地，这些都是都是机械行业比较发达的区域。

而在其他机械行业相对落后的地域，分切机生产和制造还是很有发展潜力的。

目前，国内对分切机的使用可以分为多个阶段：第一阶段一般大部分用于一次分切，也就是指主要是对宽幅原材料的分切。

一次分切主要提供给供应链生产下一方，加工企业客户的分切为二次分切，或三次分切。

近几年来，随着市场竞争的越演越烈，竞争达到了白热化，为给下游客户提供更好、更完善的加工服务，制膜生产厂商也加入了二次分切的竞争之中。

随着近几年由于国家对制造业的大力支持，国内制造业得到了迅速的发展，国产分切机在一次分切中也有了很大的进步。

虽然国内分切机的价钱比较便宜，一般在60万--120万左右，但是其性能无法满足加工要求。

以前，国内所使用的高精度、高速分切机的分切设备主要是从国外花很高的价钱进口，而且从国外所引进的高精度、高速度分切机等高档的分切设备是不具备知识产权的，这就意味着即使研究出高档的分切机的组成，也不能大量的生产用于国内的分切设备。

在早期国内的分切机结构比较简单，分切速度大约只能在100m/min左右，在收卷张力的控制还为手动控制，这样就大大的降低了分切的精度。

在这种落后的水平下，对分切工艺和对分切材料的特性要求上，都达不到高精度的分切要求。

特别是在控制分切系统和分切物的特性上，无法达到工艺上的结合，从而降低了生产工艺的严密性和合理性。

后来，国内的分切机加以改进，收卷系统用离合器控制，电机控制传动和收卷，速度可以上升到200m/min，可以说比早期的分切机有了很大的进步。

现在，国内已经生产出全自动高度分切机，运用模拟电子控制和数字电子控制相结合的控制方式，速度至少可以达到300mm/min。

国内的分切机设备技术经过不断的研究与开发，已经在速度、宽幅、控制、稳定性等方面有了显著的提高，数字化控制方向已成为国内高精度、高速分切机的发展方向。

虽然国内的分切机较早期有了很大的进步，但是还是有几点主要的缺点：首先，实际分切速度低，都在200m/min以下；其次，在收卷系统中，表面中心收卷方式为主要的收卷方式，这样就分切机的分切范围就受到了限制。

另外，收卷质量不稳定，大部分机器都没有自动追踪收卷装置，这样就导致了对工人的技能依赖性高，在收卷时无法脱离工人的控制即手动控制；对于那些高速的分切机，价格又高、零件的替换性不强、导致维修成本增大、保养费用增大。

反观国外的分切机设备，第一套薄膜分切机是美国的杜森百瑞（DUSENBERY）在
20世纪50年代制造出来。

目前的技术已经颇为成熟，性能高，基本上能够满足所有的加工要求。

相对国内比较落后的一次分切技术，国外的技术已经领先国内。

在一次分切中使用最多的是德国康普，德国康普的控制系统是集程序控制，硬件组态和交流调速于一体的。

英国的埃特拉斯采用三台西门子PLC（主PLC、内部收卷PLC、外部收卷PLC）控制，自动化程度相对较高；日本的分切机在一次分切中使用的很少。

但是价格相对较高。

国外这些在分切机领域中发展较快的生产商，就是利用了中国没有这样在性能和指标能达到他们的高精端的分切机设备，才高价卖到中国，赚取巨大的商业利益。

德国康普（KAMPF）公司在分切机领域中已经处于领先地位，他们已经生产了宽幅为10m，分切速度达到1200m/min大型分切机,是国内先进分切机分切材料速度的3-4倍。

目前，国际上主要的高精度、高速分切机制造商集中在欧美及日本等地区。

已经生产出2m以上独立臂中心收卷分切机。

像英国阿托拉斯（ATLAS）、德国康普（KAMPF）等这些公司都可以生产出上述的高端的分切机设备。

他们是世界上高精度、高速、高端分切机的代表制造厂商，代表了在世界上分切机领域先进的生产力。

他们主要采用FPC（灵活方式控制系统）、对话式键盘操作及数据化现实卷取数据、高性能的废边卷绕机构、高质量的摩擦传动轴、操作更加便捷、更加人性化、外形上也在不影响工艺生产制造的基础上，尽量考虑采用美观大方的外形等方面提高产品的质量和性能。

国外的分切机主要有以下几个优点：首先，在控制系统中多采用数字化自动化控制，这样就节省了人力的资源，也大大的提高了分切的精度；其次，在分切过程中，分切机考虑了对于材料的特性与机器的工艺相结合的重要步骤，对于材料的分切结果，有了重大的提高；在稳定性上，也有高质量的保障。

分切机能够在高速、高精度的分切基础上保障稳定的运行；最后，在外观上，也作出了重大的改进，使得机器外形简洁、结构简单。

1.2薄膜分切机未来的发展趋势
我国近些年来，软包装发展迅速，虽然只有20多年的时间，但是在软包装上的发展丝毫不逊色于国际平均水平。

它的迅速发展主要基于运用国际上先进包装设备。

目前，广东、江苏无锡、浙江温州、海宁等地都有了较大规模的软包装加工基地。

他们所生产的机械设备性能稳定、价格适中，能够满足基本的加工要求。

这些先进的设备使得国内的软包装业迅速发展。

但是由于最近的20年是国际加工制造业发展最为迅速的20年，使得国际上很多的大型制造设备更新换代，技术不断创新。

反观国内，发展的比较缓慢，没有跟上国际创新的步伐，致使国内软包装行业落后于国际水平。

国内不得不重新进口软包装设备，这就意味着软包装成本的增加，以及一系列相关费用的增加。

因此，我们必须制造出高效、高速、高精度、自动化的先进包装设备，缩小与国际先进水平的差距，降低国内软包装业的成本，拥有自主产权的领先国际水平的包装技术。

在未来分切机设备的设计上，一是高效、高速、高性能是未来发展的主要方向。

“三高”原则是在当今竞争激烈的机械市场上有一席之地的必须因素。

另外，降低制造成本，使大型的设备更加简洁、方便、稳定，也是重要的发展设计方向。

同时，分切设备与前道工序的衔接，省去人力或者机械搬运环节，使得整个生产线的生产加工、分切、包装、运输成为一体化的加工设备。

二是分切设备要具有灵活性和简洁性，用于设备的搬运与组装。

三是在控制系统中采用PLC人机界面电脑可控的自动化，也就是数字自动化控制，这样的操作系统可以方便设备的操作和故障的排查，在输入需要的加工程序后，控制系统可自行检测故障，并诊断排除故障。

四是分切机要降低能耗、节能环保、减少污染，必要时需要对废料进行回收，加工及再次利用。

2 薄膜分切机控制系统整体方案设计
2.1薄膜分切机的基本结构
如图2-1所示是所需要设计的薄膜分切机立体示意图：
图2-1 塑料薄膜分切机立体示意图该薄膜分切机所要求达到的主要技术参数如下：
放卷最大直径φ1800mm
收卷最大直径φ1800mm
放卷宽度范围500~2000mm
收放卷用纸管直径内径φ76mm外径φ92mm
分切宽度50mm~1800mm
最高机械速度450m/min
最高分切速度400 m/min
张力设定范围3~30kg
张力控制精度±0.30kg
牵引电机功率 3.00kw
油泵电机功率 1.50kw
吹边风机功率0.55kw
机器总功率 5.05kw
机器外形尺寸2500×1000×1000mm
机器重量2500kg
分切材料0.015~0.2mm薄膜
薄膜分切机的主要基本机械部分主要是由放卷辊、制动结构、分切刀架、两个收卷辊、牵引辊、定位辊以及由几个需要保持张力的棍子构成的张力检测装置和液压传动系统组成，如图2-1所示。

牵引电机采用的是福建闽东电机有限公司生产的Y100L2-4型3kw的三相交流异步电动机驱动大包角双收卷辊；吹边风机采用的是霸州市光华机械有限公司生产的YZA7122型550W三相异步电动机；油泵电机采用的是台湾SHEN YU 3-PHASE INDUCTION MOTOR，功率为1.5kw；收卷采用的是佛山市顺德区大良帖威机械厂生产的上下气胀轴；变频器采用的是欧瑞传动电气有限公司生产的E1000-0037T3型设备进行对牵引电机变频；液压传动装置中所使用的行程阀是上海东升仪器仪表有限公司生产的LXW5-11N1型限位开关；液压传动装置中使用的电磁换向阀是由上海杰和有限公司生产的MFB12-37型电磁换向阀，作用是通过电磁铁的通断电来控制执行元件的动作；张力控制中用到的张力自动控制仪上海张力自动化设备有限公司生产的US-60MTA型仪器来进行对加工过程中薄膜张力的自动控制，便于分切的同时可以提高加工精度及加工质量；磁粉制动器采用的是南通市海安县磁力机有限公司生产的磁粉制动器，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点；照明灯采用的家庭用的一般普通用的照明等即可，用于夜间加工时使用方便。

图2-1 薄膜分切机基本结构及走料图
2.1.1薄膜分切机放卷机构
分切机的放卷机构一般可分为主动放卷和被动放卷两种方式。

本薄膜分切机的放卷机构采用的是被动放卷方式。

方法是磁粉制动器与自动张力控制仪及张力检测传感器配套，组成自动闭环张力控制系统，通过采用张力控制仪控制磁粉制动器，从而达到控制放卷辊的运行速度，以免发生放卷辊发生飞车现象，造成不必要的损失。

这种控制模式是比较简单的开环张力控制。

而且磁粉制动器具有结构简单、执行单元成本低、容易控制的特点，特别是在实际的操作过程中，当实际张力的大小通过电流直接调节，使得操作简单、准确，
有利于进一步提高产品质量。

2.1.2磁粉制动器
磁粉制动器以磁粉作为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动转矩或传递转矩的目的。

磁粉制动器的输出转矩与激磁电流线性关系良好，与转速无关，具有响应速度快、结构简单等优点。

首先可以用于张力自动控制系统，磁粉制动器与自动张力控制仪及张力检测传感器配套，可组成自动闭环张力控制系统，广泛应用于印刷、包装、造纸及纸品加工等设备；其次可用于转矩转速功率测试系统，磁粉制动器与转矩转速传感器、转矩转速功率测量配套，可组成成套转矩转速功率测试系统，广泛应用于动力机械、传动机械输入、输出的转矩、转速、功率、效率的动态和静态检测。

磁粉制动器具有以下几个特点：
1）可以进行大范围的控制；
2）可以达到连续滑动运转；
3）可以得到安定的扭力；
4）无鸣叫声，动作面的滞滑现象会发生于摩擦方式，但是在此不会出现，而且也不会发出连接声，所以运转相当安静；
5）热容量很大，由于使用了耐热性能优越的磁粉以及运用了理想的冷却方法，即使是过于严酷的连续滑动运转，也可以安心使用；
6）可以达到平顺的连续及驱动状态，由于静摩擦系数和动摩擦系数几乎一样，所以完全连接时不会产生震荡，可以因应负载加减速度；
2.1.3张力检测系统
张力控制分为手动、半自动、全自动控制三种。

本薄膜分切机采用的是全自动控制方式，当薄膜材料在受到拉伸力的时候，会发生一定的张紧力，薄膜材料在张紧力的作用下会发生一定的变形，如果这种变形在弹性范围内，那么在张紧力撤销以后材料可以自行恢复；一旦超过了变形范围，材料则会发生皮坏，不会恢复成原样。

这样就可以知道不同的薄膜材料的张力需要设定在一定的张力范围才可以，可以保证走料平稳，易于分切。

张力产生的机理可以用图2-2所示说明。

图2-2 张力产生原理图
如上图所示，料膜从前一送料辊输出，薄膜的线速度为V1，第二辊子的线速度为V2，当料膜卷入第二辊子时张力为T，薄膜的弹性模量为E，薄膜横截面积为A，第一辊子和
第二辊子间的长度为L ，则薄膜由第一辊子到第二辊子需要的时间为t=V1/L ，根据力学胡克定律可得： T=L EA dt V V t )12(0-⎰
根据上述公式我们可以知道，若需要对薄膜分切过程中的张力进行控制，就必须要控制（V2-V1），也就是要控制两个辊子之间的速度差才可以，所以在薄膜分切过程中张力控制系统来实时控制薄膜所产生的张力。

在分切过程中，有很多的原因，都会导致塑料薄膜的张力发生变化。

主要原因有如下几种：（1）塑料薄膜在收卷和放卷的过程中，由于放卷直径是在不断的减小，而收卷直径是在不断的增大，收卷和放卷过程中直径的不断变化当然会造成塑料薄膜的张紧力也随之不断的变化，放卷过程中薄膜直径不断减少，在制动力矩不变的前提下，薄膜所产生的张力将不断增大；收卷则完全相反。

（2）薄膜分切机的底座、各导辊等制造精度肯定存在一定程度的偏差，这就使得薄膜分切机在机械加工时产生一定程度上的振动，从而会造成塑料薄膜的张力产生一定的波动；另外，机械各零件在进行装配时产生的装配误差同样会对塑料薄膜的张力产生一定的影响。

（3）在分切机工作的过程中，当某一环节的速度突然发生变化时，势必会造成薄膜的张力也随之产生突变，从而影响塑料薄膜的分切质量。

（4）任何物体在运动的过程中，都会有一定的惯性，当要想改变物体的运动状态时，系统会变得不稳定，需要进行相应的能量补偿；同样在薄膜分切机的张力发生变化时，张力系统会发生变化，需要对张力进行补偿。

为了克服上述问题，本张力检测系统采用张力传感器进行张力检测，张力传感器如图2-3所示安装。

图2-3 张力检测器受力分析简图
进行分切时，材料张力F （N ）与检测负荷Gd 之间有如下关系（检测辊质量设为M ）：
Gd=K 0×F+KMg
K 0=（sin θ1+sin θ2）/cos α0
K=cos β/cos α0 g=10m/s 2
K0是根据通薄膜角θ1、θ2的变化而随之相应变化的系数，如果向拉伸负荷方向送薄膜时，应为负值；K是根据基准角β的变化而变化的比例常数。

2.1.4 薄膜分切机的收卷机构
该薄膜分切机的收卷机构采用主电机通过带动牵引辊连续转动，同时将已经缠绕好薄膜的前后压辊通过液压控制回路，压在牵引辊上，利用牵引辊和收卷压辊之间的摩擦力带动前后收卷辊连续转动，从而将已经通过分切刀分切好的定尺寸薄膜整齐的缠绕在收卷辊上，直到放卷薄膜分切完成为止。

在分切之前，需要在前后收卷压辊上安装好与生产薄膜相对应的纸管。

通过向气胀轴中通入高压空气，使气胀轴对纸管进行定位，防止在分切加工的过程中，发生移动和错位，造成不必要的损失。

在收卷过程中所用到的气胀轴（如图2-4所示）就是一种特殊制作的收卷轴，也就是当通过高压充气之后，表面的键条可以凸起，放气后表面的键条又可以迅速的回收；在收卷的过程中，只需要自己配备气源即可，使用极为方便。

而且充气时间短，效率高，一般只需要3秒钟就可以完成充气和放气。

图2-4 收卷压辊上气胀轴示意图
2.2 塑料薄膜分切机的整体方案设计
2.2.1塑料薄膜分切机的工作过程
1）在接通电源之前需要做好以下几个方面的准备工作：（1）将待分切的料膜通过叉车安装固定在分切机的放卷轴上，用顶块固定加紧；（2）根据所要求薄膜分切具体尺寸将分切刀的位置固定在相应的位置，用来切取合格的料膜；（3）把卷取分切好薄膜的纸管套在前后收卷辊的气胀轴上，用气泵向前后收卷辊中的气胀轴里打入高压空气，使得键条和
纸管的内壁紧密的咬合（4）将薄膜料卷的引头按照走料图所示的路线缠绕好，并且用胶带粘在前后收卷辊上；（5）按下控制面板上的前后收卷辊控制按钮，使前后收卷辊与牵引辊紧密压合（6）手动使得牵引辊慢速转动，这样收卷辊就考牵引辊与收卷辊之间的摩擦力转动，试运行一段时间，使得薄膜走料平滑，薄膜表面平整无褶；
2）准备工作完成之后，先通过按下控制面板上电源控制按钮接通电源，然后按下吹边风机按钮，使吹风机开始工作；
3）首先让牵引辊的电机在比较低速的情况下运行，一段时间后，如果薄膜没有发生很大的褶皱，表面光滑平整，而且张力自动监测仪上所设定的张力值与张力传感器所检测出的数值相差无几，则可以通过旋转控制面板上的主机调速按钮，让牵引电机在高速情况运行，直到完成改卷薄膜的分切工作为止；否则，需要重新调整塑料薄膜的位置，这样通过反复调整，以保证分切后塑料薄膜能够达到所需要的要求；
4）当放卷辊上的塑料薄膜完成分切后，首先要将牵引电机速度减小，等到速度下降之后，关闭电源按钮即可；然后通过按下前后收卷辊气胀轴的泄气按钮，释放出原来通入的高压气体，使得键条与纸管的内壁完全分离，便于卸下分切好的薄膜，进行下一步的包装与运送；
2.2.2薄膜分切机总体控制方案的设计
薄膜分切机采用PLC控制方案，控制系统的示意图如图2-5所示：
图2-5 薄膜分切机控制系统示意图
该塑料薄膜分切机需要用电机带动以下电机：用三角带与牵引辊连接的主电机、用于吹边机构中的风机、液压控制中的油泵电机。

在控制系统中，若是按照以往的经验，采用一定数量的继电器、接触器控制，势必会增大控制系统的安装、接线工作量，降低控制系统的工作可靠性，增大故障率和维修工作量。

而采用微机控制方案或者PLC控制方案来控制的话，则不需要采用硬件继电器，可以克服以上所有的缺点。

由于牵引电机有调速的要求，因此在牵引电机电路中应该连入一个变频器，实现变频要求，其余的电机直接连接PLC的输出端子，通过程序完成对三台电机的启动与停止控制；为了能够准确控制前后收卷辊子的位置，该薄膜分切机采用液压控制系统完成对收卷辊动作的控制，使用三个电磁换向阀配合，而且采用限位开关最为动作转换信号，液压缸外接一段齿条，通过齿轮齿条的啮合，将液压执行元件的直线运动转换成收卷辊子的反复回转，这种控制方法结构简单、易于控制、定位精确。