【摘要】本文介紹了卷取機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)。采用了三菱變頻器，三菱PLC，三菱張力控制設(shè)備等三菱FA產(chǎn)品在卷取機(jī)設(shè)備改造上進(jìn)行應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：卷取機(jī)、FX3UPLC、LX-050TD、FR-A700變頻器、LM-10PD、RS485通訊。
引言 ：某家薄膜生產(chǎn)廠家使用的卷取機(jī)因設(shè)備老化，經(jīng)常出現(xiàn)元器件損壞狀況，影響正常生產(chǎn)。現(xiàn)決定使用三菱FA產(chǎn)品對(duì)該機(jī)器的卷曲機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面的改造。
1.卷取機(jī)工作原理
1.1普通卷取機(jī)工作流程。

從材料的傳遞方向?qū)⑾到y(tǒng)分為牽引機(jī)構(gòu)A，牽引機(jī)構(gòu)B，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，偏心機(jī)構(gòu)，卷取機(jī)構(gòu)，卷軸切換機(jī)構(gòu)，座臺(tái)進(jìn)退機(jī)構(gòu)，推料機(jī)構(gòu)共8個(gè)部分。
　　首先將材料粘貼在A卷取軸上，設(shè)置牽引機(jī)構(gòu)橡膠輪A的轉(zhuǎn)速、材料的張力之后，按下啟動(dòng)按鈕，材料依次經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能器，牽引軸B，偏心機(jī)構(gòu)后被卷取軸卷取。當(dāng)一卷即將結(jié)束收卷時(shí)，需要換卷。此時(shí)卷軸切換機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，A、B兩軸位置對(duì)調(diào)。待收卷結(jié)束后按下A軸停止按鈕，此時(shí)A軸停止卷取。此時(shí)儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)的提升架開(kāi)始上升（到上止點(diǎn)后提升架停止上升），始終保持材料一定的張力。這時(shí)將材料裁斷，重新粘貼在B軸上。按下B軸啟動(dòng)按鈕后，B軸開(kāi)始收卷。牽引軸B以快于橡膠軸A的速度將提升架降至下基準(zhǔn)點(diǎn)。進(jìn)入下基準(zhǔn)點(diǎn)后，牽引軸B與張力檢測(cè)單元A配合保證材料在前段傳輸過(guò)程中張力恒定。
　　一卷收卷完成后，按下推料前進(jìn)按鈕，推料機(jī)構(gòu)將材料推出卷取軸。此時(shí)使用搬運(yùn)機(jī)械手將材料搬運(yùn)到合適的存放處。
材料收卷過(guò)程中可能需要座臺(tái)前進(jìn)后退，這時(shí)按下前進(jìn)后退按鈕，電磁閥會(huì)通電，切換油路的導(dǎo)通與斷開(kāi)，控制座臺(tái)的前進(jìn)后退。
當(dāng)需要調(diào)整各段材料之間的間隙時(shí)，調(diào)節(jié)偏心機(jī)構(gòu)的偏心輥直到間隙達(dá)到要求。
1.2卷取機(jī)的詳細(xì)介紹
牽引機(jī)構(gòu)A。牽引機(jī)構(gòu)A 即橡膠軸A。橡膠軸A軸由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)牽引材料由流延機(jī)進(jìn)入儲(chǔ)能器。    
2）牽引機(jī)構(gòu)B。牽引機(jī)構(gòu)B 由PID控制板，B軸驅(qū)動(dòng)器，B軸牽引電機(jī)，氣壓閥以及壓輥構(gòu)成。
牽引軸B同樣由B軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)始卷取之前，需將調(diào)節(jié)氣壓閥的壓力使?fàn)恳SB與壓輥之間有一定的壓力，保證材料不能被反拖進(jìn)儲(chǔ)能器。當(dāng)按下新卷卷取啟動(dòng)按鈕后，牽引軸B以1.2倍于橡膠軸A的速度牽引材料將提升架拉至下基準(zhǔn)點(diǎn)。至下基準(zhǔn)點(diǎn)之后，牽引軸B會(huì)繼續(xù)根據(jù)儲(chǔ)能架上浮動(dòng)輥電位計(jì)的電壓反饋值在PID控制板上進(jìn)行運(yùn)算，PID控制板輸出一定的補(bǔ)償值來(lái)調(diào)節(jié)變頻器，通過(guò)速度補(bǔ)償來(lái)保證材料恒張力。當(dāng)卷軸切換時(shí)，牽引軸B停止，壓輥與牽引軸B之間材料保持靜止?fàn)顟B(tài)。
3）儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)。儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)是該卷取機(jī)構(gòu)中相對(duì)比較重要的一個(gè)機(jī)構(gòu)。
儲(chǔ)能器由儲(chǔ)能架，電位計(jì)，力矩控制器，力矩電機(jī)，齒輪箱，冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。提升架上安裝2個(gè)接近開(kāi)關(guān)，分別為上止點(diǎn)A，下止點(diǎn)B。
力矩控制器驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)C，電機(jī)C經(jīng)過(guò)減速箱與傳動(dòng)鏈連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)使傳動(dòng)鏈產(chǎn)生一個(gè)恒定的提升力。當(dāng)卷軸切換時(shí)，提升架為保持張力恒定會(huì)上升。如果在儲(chǔ)能架架提升到上止點(diǎn)A之前啟動(dòng)新卷卷取，提升架會(huì)下降。如果提升架到達(dá)上止點(diǎn)A后，仍沒(méi)有接受到新卷啟動(dòng)指令請(qǐng)求，提升架會(huì)一直保持待新卷啟動(dòng)指令被觸發(fā)。啟動(dòng)新卷后，提升架會(huì)在20S內(nèi)勻速拖降至下止點(diǎn)B。到下止點(diǎn)B后，牽引軸B切換控制方式，與浮動(dòng)輥配合運(yùn)轉(zhuǎn)。此外該系統(tǒng)中安裝了一套冷卻系統(tǒng)，專門為力矩電機(jī)散熱。
4）偏心機(jī)構(gòu)
偏心機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)偏心壓輥組成。調(diào)節(jié)壓輥的高度，裁切出的材料相對(duì)水平產(chǎn)生一定的角度，角度大小由壓輥下壓的程度確定。
5）卷取機(jī)構(gòu)
卷取機(jī)構(gòu)是控制機(jī)構(gòu)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)的最終目標(biāo)。卷取的好壞決定產(chǎn)品的質(zhì)量。所以卷取機(jī)構(gòu)的重要性不言而喻。卷取機(jī)構(gòu)主要組成:PID控制板，浮動(dòng)輥，電位計(jì)，伺服壓力閥，收卷變頻器A，收卷電機(jī)A與減速箱，收卷變頻器B，收卷電機(jī)B與減速箱。當(dāng)A軸或B軸啟動(dòng)按鈕按下后，PID控制板根據(jù)浮動(dòng)輥的位置反饋，輸出一定的電壓值驅(qū)動(dòng)變頻器A或B,從而驅(qū)動(dòng)卷取電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卷取功能。變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制模式，保持材料卷取過(guò)程中張力的恒定。收卷過(guò)程中要考慮卷徑的變化，該機(jī)構(gòu)采用氣壓閥壓力的變化實(shí)現(xiàn)錐度控制功能，
6）卷軸切換機(jī)構(gòu) 卷軸切換機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤，內(nèi)嚙合齒輪，多段軸，接近開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成。當(dāng)卷軸切換開(kāi)關(guān)按下后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)D旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)A,B軸齒輪，使圓盤旋轉(zhuǎn)，待B軸運(yùn)行到接近開(kāi)關(guān)處，電機(jī)D停止旋轉(zhuǎn)。
2.系統(tǒng)電氣元件的構(gòu)成以及功能介紹；
1.改造系統(tǒng)示意圖

2.改造明細(xì)如下：
1）將原先執(zhí)行邏輯控制的GE PLC以及模塊更換，取而代之的是三菱FX3U系列PLC控制系統(tǒng)。
FX3U系列PLC作為FX2N系列的升級(jí)產(chǎn)品，其基本性能大幅提升：1.FX3UCPU處理速度達(dá)到了0.065us/基本指令。2.內(nèi)置了高達(dá)64K步的大容量RAM存儲(chǔ)器。3.大幅增加了內(nèi)部軟元件的數(shù)量。4.強(qiáng)化了指令的功能，提供了多達(dá)209條應(yīng)用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計(jì)算指令，產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)指令等等。2）更換原有的PID控制板，采用FX3UPLC進(jìn)行PID控制。
該機(jī)器上目前采用的PID張力控制板是一款專門的PID運(yùn)算放大電路。相比目前的PLC，PID控制器的運(yùn)算速度較慢，調(diào)節(jié)范圍較小，體積較大，兼容性較差。而采用三菱FX3U系列PLC后，系統(tǒng)的抗干擾能力也有了很大程度的提高。
3）拆卸浮動(dòng)輥與電位計(jì)，采用張力檢測(cè)器LX-050TD，LM-10PD與PLC組合進(jìn)行全閉環(huán)恒張力控制。
之前采用的浮動(dòng)輥與電位計(jì)組合，通過(guò)浮動(dòng)輥上電位計(jì)的電壓變化來(lái)顯示張力的變化。與張力檢測(cè)器直接相比，該方式需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換計(jì)算，速度響應(yīng)性較差。使用檢測(cè)輥時(shí)易受氣源氣壓，浮動(dòng)輥?zhàn)灾匾约罢{(diào)節(jié)人的人為因素影響。電位計(jì)的精度較差，無(wú)法實(shí)時(shí)顯示材料的實(shí)際張力。采用張力表與張力檢測(cè)器后，以材料張力直接為監(jiān)控對(duì)象，實(shí)時(shí)檢測(cè)；檢測(cè)輥?zhàn)灾赜绊懣勺詣?dòng)消除；材料包角影響自動(dòng)消除；微張力也可監(jiān)控；
4）使用PLC程序?qū)崿F(xiàn)錐度控制，拆下伺服氣壓閥。
該機(jī)器之前通過(guò)控制伺服氣壓閥的壓力來(lái)調(diào)節(jié)浮動(dòng)輥的張力。壓力降低，浮動(dòng)輥回位所需的彈力降低，以此來(lái)降低目標(biāo)張力的設(shè)定值。現(xiàn)在PLC內(nèi)部采用卷徑計(jì)算方法，隨著卷徑變化收卷張力線性變化，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)自由設(shè)定的錐度控制。 省去原有的壓力裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。
5）采用10.4寸GT1275--VNBA人機(jī)觸摸屏，替代原有的復(fù)雜開(kāi)關(guān)按鈕以及相關(guān)的電纜連接線。
該機(jī)器之前好多操作由分布在機(jī)器四周的開(kāi)關(guān)按鈕執(zhí)行。操作人員往往需要相互協(xié)作才能將機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)。更換成觸摸屏后，機(jī)器的集成化程度有所提高，方便用戶的操作。且節(jié)省了原有的很多復(fù)雜繁瑣的配線，取而代之的是一條和PLC的通訊線GT01-C30R4-8P.此方式能盡可能的避免漏電的發(fā)生。此外，采用人機(jī)界面后客戶可實(shí)時(shí)操作與監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)查看歷史記錄會(huì)更方便我們進(jìn)行故障診斷。
6）采用三菱A700系列變頻器替代原有的艾默生SP系列變頻器，并與PLC進(jìn)行485通訊。
A700系列變頻器作為三菱性能最高端變頻器之一，代表目前變頻器發(fā)展水平。采用A700系列變頻器驅(qū)動(dòng)帶編碼器的電機(jī)實(shí)現(xiàn)高性能的矢量控制：閉環(huán)矢量控制下，變頻器可達(dá)到比無(wú)傳感器矢量控制時(shí)更高精度和更快速度響應(yīng)的性能。速度控制范圍1:1500；速度波動(dòng)率：0.01%；速度響應(yīng)300rad/s。轉(zhuǎn)矩控制范圍1:50；并具零速控制和伺服鎖定功能?？傻退贂r(shí)連續(xù)輸出100%轉(zhuǎn)矩，非常適合于放卷/收卷等場(chǎng)合。
之前該機(jī)器上的變頻器控制通過(guò)與PLC外部接線實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥獠扛蓴_問(wèn)題，在使用模擬量控制變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)誤差。且無(wú)法將變頻器數(shù)據(jù)傳輸至PLC。該項(xiàng)目采用了FX3U-485BD通訊模塊，利用RS-485通訊協(xié)議FX3UPLC與各變頻器之間組成一條通訊網(wǎng)絡(luò)。PLC可實(shí)時(shí)控制變頻器的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，讀取和更改當(dāng)前變頻器的頻率、轉(zhuǎn)矩。
7）采用三相普通異步電機(jī)加變頻器的控制方式替代原有的力矩電機(jī)以及相關(guān)冷卻機(jī)構(gòu)。
之前儲(chǔ)能架采用力矩電機(jī)加力矩控制器的控制方式保證一定的提升力。由于該電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重。所有專門配置了一套冷卻系統(tǒng)幫電機(jī)散熱。
8）現(xiàn)決定采用3kw普通電機(jī)與FR-A740-3.7K變頻器組合，采用扭矩控制方式，外加制動(dòng)單元，制動(dòng)電阻，保證電機(jī)提供力矩的同時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。
更換原有的低壓控制電路元器件。取而代之的是三菱低壓斷路器，空氣開(kāi)關(guān)等。
3.改造工程的實(shí)施。
此次改造項(xiàng)目耗時(shí)25天。主要實(shí)施步驟如下：      
1）拆下機(jī)器上原有的浮動(dòng)輥、電位計(jì)，在原先部位安裝張力檢測(cè)器LX-050TD。將LM-10PD張力表安裝在醒目位置并與張力檢測(cè)器連接。
2）拆下原有的力矩電機(jī)以及冷卻系統(tǒng)。更換成普通3.7kw三相異步電機(jī)加FR-A740-3.7K變頻器。且將變頻器與制動(dòng)電阻連接。之后移除原有的冷卻系統(tǒng)。
3）拆下原有老化的艾默生變頻器,換上相對(duì)應(yīng)的三菱A700變頻器。且將各變頻器采用通訊線連接成網(wǎng)絡(luò)、
4）安裝PLC以及相關(guān)模塊等，待全部元器件安裝完畢進(jìn)行程序編寫。
4.機(jī)器的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。
1）使用LM-10PD張力表對(duì)張力檢測(cè)器LX-050TD進(jìn)行零點(diǎn)校正以及跨距的調(diào)整。步驟如下：
A)確定張力檢測(cè)器正確安裝。
B)如下圖所示依次設(shè)定張力表的最大量程，張力檢測(cè)器的類型，張力顯示的單位，張力表輸出電壓范圍，檢測(cè)器的個(gè)數(shù)。

C)通過(guò)張力表，在材料不通過(guò)的情況下進(jìn)行檢測(cè)器調(diào)零。按下AUTO ZERO鍵后，待數(shù)碼顯示管為0時(shí)表示檢測(cè)器調(diào)零完成。
D)調(diào)零成功完成后。將一段鐵絲繩按說(shuō)明書所示纏繞在壓輥上。取一只重量為40KG的重物作為砝碼掛在繩的一邊，另一端固定。此時(shí)按下AUTO DISP按鈕，待顯示管為400N時(shí)說(shuō)明跨距調(diào)整成功。

2)變頻器參數(shù)的設(shè)置。
操作模式：          參數(shù)Pr79=0
通訊站號(hào)：          參數(shù)Pr331=0
通訊速率：          參數(shù)Pr332=96
通訊停止位長(zhǎng)：      參數(shù)Pr333=10
通訊奇偶校驗(yàn)：      參數(shù)Pr334=2
通訊校驗(yàn)時(shí)間間隔：  參數(shù)Pr336=9999
通訊等待時(shí)間：      參數(shù)Pr337=9999
通訊開(kāi)始模式選擇：參數(shù)Pr340=1    網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行模式開(kāi)始
通訊有無(wú)CR/LF選擇：參數(shù)Pr341=0    有CR
參數(shù)寫入選擇：     參數(shù)Pr77=2  可以在所有運(yùn)行模式中寫入?yún)?shù)

5.程序的編寫：
1）邏輯程序的編寫。邏輯程序與之前機(jī)器上GEPLC程序相差不大，這里就不再做一一介紹   
2）PID控制程序的編寫。本項(xiàng)目核心程序是兩段PID的控制程序以及模擬量采集程序。程序如下：

3）變頻器通訊程序的編寫。項(xiàng)目中主要使用PLC與變頻器之間RS485通訊來(lái)驅(qū)動(dòng)變頻器。程序如下：

6.調(diào)試過(guò)程中碰到的問(wèn)題以及解決方案
1）調(diào)試中發(fā)現(xiàn)材料張力超出張力檢測(cè)器量程。
張力檢測(cè)器選用的是三菱最大量程LX-50TD，但在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)LM-10PD過(guò)載報(bào)警,檢查接線，并使用水平儀重新校正張力檢測(cè)器，發(fā)現(xiàn)無(wú)故障。后卸掉負(fù)載檢查軸承安裝，軸承安裝正常。后測(cè)量加載時(shí)張力檢測(cè)器之間的電壓為160mV，后卸載后電壓為30mV。確定材料的張力的確過(guò)大。這時(shí)決定將張力檢測(cè)器安裝位置旋轉(zhuǎn)180度。之后重新校正發(fā)現(xiàn)張力表顯示400N,表示材料顯示正常.
2)材料在加速，減速，啟動(dòng)，停止運(yùn)行出現(xiàn)跳動(dòng)。
該機(jī)器之前采用的是浮動(dòng)輥加壓力閥來(lái)控制材料的張力，在啟動(dòng)，停止及加減速時(shí)浮動(dòng)輥可以起到緩沖的作用。但在換成張力檢測(cè)器之后，直接檢測(cè)張力，無(wú)緩沖。此時(shí)要求控制的響應(yīng)速度要快，且PLC與變頻器配合要更恰當(dāng)。此時(shí)在程序中減小變頻器加速與減速時(shí)間，重新調(diào)整PID控制程序中的P和I。反復(fù)的加速和減速，反復(fù)的調(diào)節(jié)直到材料各個(gè)情況下運(yùn)行正常。
3)在材料收卷過(guò)程中，安全踏板踩下后，材料停止收卷。再次啟動(dòng)收卷，發(fā)現(xiàn)B軸偶爾經(jīng)常出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)B軸的減速箱一側(cè)的潤(rùn)滑油液位較低。更換潤(rùn)滑油后，發(fā)現(xiàn)減速箱工作噪音減小，滯后現(xiàn)象消除。
4)機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，PLC附件出現(xiàn)火花，F(xiàn)X3U-4AD-ADP模塊被燒毀。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)靜電比較嚴(yán)重。之后重新將PLC與其他電器元器件做了專用接地。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)至今3個(gè)月，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，每次暫停后，機(jī)器再運(yùn)轉(zhuǎn)，料筒上的材料出現(xiàn)橫向偏移，內(nèi)送外緊。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)每次暫停后，卷徑被復(fù)位，導(dǎo)致此時(shí)收卷時(shí)張力為初始張力，張力過(guò)大。重新編寫暫停程序，材料收卷正常。
6）調(diào)試過(guò)程中變頻器亂跳故障碼E7。在起初變頻器單獨(dú)調(diào)試過(guò)程中運(yùn)轉(zhuǎn)正常，所有變頻器同時(shí)啟動(dòng)，發(fā)現(xiàn)變頻器開(kāi)始跳故障碼E7。后參考機(jī)器原有的控制柜發(fā)現(xiàn)，其中安裝很多的隔離變壓器。將變頻器輸出側(cè)都連接在隔離變壓器，發(fā)現(xiàn)故障碼消除。
7.改造后的效果
　　　該項(xiàng)目采用了直接檢測(cè)材料的張力，直接轉(zhuǎn)矩控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。相比之前的采用浮動(dòng)棍控制的速度控制，響應(yīng)速度更快。材料張力的穩(wěn)定性更好。而且采用轉(zhuǎn)矩控制，材料在啟動(dòng)之前，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)驅(qū)動(dòng)，這樣避免了材料在啟動(dòng)瞬間的褶皺或材料拉斷等現(xiàn)象。且客戶能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各材料的張力，更好的方便生產(chǎn)控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
此次改造除了張力控制方面，主電路也做了一定的優(yōu)化。采用響應(yīng)較快的空氣斷路器，電磁接觸器等元器件，替代原有的老化元器件，避免出現(xiàn)元器件損壞導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。此外采用觸摸屏替代原有的機(jī)械開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制線路，提高了設(shè)備的集成度，方便操作人員的操作，監(jiān)視以及故障查詢。
8.客戶評(píng)價(jià)。
1.產(chǎn)品質(zhì)量提高。
機(jī)器未改造前，卷取材料厚的膜問(wèn)題不大，但當(dāng)卷取材料比較薄的膜時(shí)，張力較小時(shí)，波動(dòng)較大，卷出來(lái)的材料邊緣不是很整齊。現(xiàn)機(jī)器已運(yùn)作三個(gè)月，張力控制比較平穩(wěn)。產(chǎn)品質(zhì)量由原先的60%提高到80%。且實(shí)時(shí)檢測(cè)材料上的張力，方便客戶在線調(diào)整。
2.易操作，減少人力成本。
原先操作人員每次開(kāi)機(jī)需要至少2人以上同時(shí)協(xié)作，現(xiàn)在只需將材料粘貼在料筒上，使用人機(jī)界面操作1人就可以正常生產(chǎn)。
參考文獻(xiàn)：
1)三菱通用變頻器FR-A700使用手冊(cè)（應(yīng)用篇）
2)LM-10PD產(chǎn)品使用說(shuō)明書
3)LX-TD產(chǎn)品使用手冊(cè)
4)FX3U/FX3UC用戶手冊(cè)（模擬量控制篇）
5)FX3U系列微型可編程控制器編程手冊(cè)（基本·應(yīng)用指令說(shuō)明書）