基于plc的缠绕机二轴控制系统的设计

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1、基于PLC的缠绕机二轴控制系统的设计　　摘要：根据企业户外现场施工对缠绕机控制系统可靠性和易维护的要求，从缠绕工艺和缠绕原理出发，结合运动控制型PLC电子齿轮和电子凸轮功能，设计了以PLC为控制核心，触摸屏为人机界面，变频器和伺服系统驱动的二轴玻璃钢缠绕机控制系统。阐述了软硬件系统构成与设计方法。生产实践表明，此系统稳定性好，抗干扰性强，精度高，适于企业推广应用。　　关键词：纤维缠绕；缠绕机；PLC；电子凸轮；控制系统　　引言　　纤维缠绕是纤维增强复合材料成型工艺的一种，玻璃钢管道、贮罐、压力容器等是典型的纤维缠绕制品，在各个行业应用

2、广泛。缠绕机是实现缠绕工艺的主要设备。定长管道和大直径贮罐筒身段的缠绕通常使用二轴缠绕机。　　目前，企业多使用基于运动控制卡加工控机结构的缠绕机控制系统[1-2]，这类系统维护需要由厂商专业技术人员进行。而大直径贮罐和夹砂管道往往需要在客户使用现场进行制备，频繁的设备运输与工作现场恶劣的施工环境对控制系统的维护造成更大的挑战。针对此类问题，本文设计了一种基于PLC的二轴缠绕机控制系统。　　1工艺介绍与缠绕原理　　纤维缠绕是由导丝头和芯模的相对运动实现的，通过导丝小车的往复运动与芯模的旋转，浸有树脂的纤维按照一定的规律缠绕在芯模上，经固

3、化便可行成纤维缠绕复合材料制品[3]。　　环向缠绕时，芯模绕自轴转动一周，导丝头移动近似一个纱片宽度[4]。螺旋缠绕时，芯模绕自轴转动一周，导丝头移动一个螺距。　　参数关系为：　　式中：D-芯模直径；b-纱片宽；α-缠?@角；W-纱片螺距。　　由于导丝小车做往返运动，为了保证端部缠绕时不滑线，导丝小车需有一个减速，停止等待，再反向加速的过程。螺旋缠绕时，导丝小车往返一次，芯轴转过的角度θ为：　　式中：θ-芯模转角；θ1-正向停止角；θ2-返向停止角；L-芯模长度；L1-加减速长度。　　为了使纤维在芯模表面的排布既不重叠又不离缝，芯模转

4、角需满足：　　式中：n为切点数；K/n为最简真分数；N为从0开始的整数；Δθ为导丝头行走一个纱片时的芯模转角。　　2系统硬件选型与设计　　2.1控制系统构成　　缠绕机控制系统的主要控制对象为芯模主轴和导丝小车，主轴由变频器和三相异步电机驱动，小车由伺服系统驱动，以PLC为主控制器，触摸屏为人机界面。　　2.2PLC的选型　　本系统选用台达DVP-20PM运动控制型PLC。一般小型PLC控制伺服电机通常用内置脉冲功能或扩展运动控制模块。有些PLC内置脉冲功能虽能实现伺服定位，直线/圆弧插补等功能，但受PLC程序循环周期影响，CUP处理时

5、间较长，计算量大，难以保证精度[5]。扩展定位模块精度和运算速度能够保证，但往往功能单一，定位和插补功能虽能控制伺服电机，只能用于芯轴/小车双伺服驱动的小直径管道缠绕系统[6]，不能实现本系统伺服导丝小车对大功率变频芯模主轴的随动控制。　　台达DVP-20PM采用高速双CPU结构形式，采用独立CPU处理运动控制算法[5]。作为通用PLC，主机包含16点通用I/O，程序容量64K；内建通讯端口。运动控制功能支持两组手轮脉冲输入，三组500kHz差动脉冲输出；可实现三轴直线/圆弧/螺旋插补运动，电子齿轮功能，电子凸轮等功能。由于具有丰富的

6、接口和运动控制功能，台达DVP-20PM成为本系统控制器的理想选择。　　2.3其他主要部件选型　　小车伺服系统选择台达ASDA-A2驱动器和伺服电机。芯轴变频器选用VFD-B泛用矢量变频器，人机交互选用DOP-B系列10寸触摸屏，芯轴转速检测选用欧姆龙E6B2-CWZ1X编码器。　　2.4硬件系统设计　　根据控制要求和上述控制器型号，设计的缠绕机控制系统如图1所示：　　3软件系统设计　　3.1触摸屏画面设计　　DOP-B10S615型触摸屏采用DOPSoft软件设计。根据系统要求，设计了三个窗口。　　（1）状态显示窗口：包括制品直径、

7、长度，缠绕角，工作模式，小车位置、速度，主轴转速，以及伺服电机转速，变频器频率等参数信息。　　（2）参数设置窗口：包括芯模直径，芯模长度，缠绕角度，纱片宽度，切点数，加减速长度，停止角度等。　　（3）故障诊断窗口：当系统出现运行故障时，触摸屏弹出故障诊断画面，显示故障代码以及含义。　　3.2PLC程序设计　　3.2.1参数初始化　　参数初始化部分主要设置脉冲信号格式，小车最高速度，主轴编码器传动比，使能伺服系统。　　3.2.2用户操作命令　　用户操作命令：用户可通过操作按钮实现主轴正转/反转，手动/螺旋缠绕/环向缠绕模式选择，小车正向

8、/反向运转，小车手动加速/减速。触摸屏可以发出参数计算命令。　　3.2.3工艺参数计算　　根据工艺信息计算环向缠绕和螺旋缠绕所需参数。电子齿轮功能可以实现导丝小车跟随芯轴做等比例运动，完成环向缠绕。设置合适的电子齿轮比例