1、 .密級：JINGGANGSHANUNIVERSITY本科畢業論文（設計）題目鋪網機中電機正反轉控制學院 機電工程學院專業電氣工程與其自動化班級 08電氣本（1） 教務處印制19 / 23鋪網機中電機正反轉的控制摘要非織造布工業被譽為紡織工業中的“工業”，近幾年我國的非織造布行業發展迅速，但是我國非織造布生產的關鍵設備交叉鋪網機的水平卻遠遠低于世界先進水平，已經成為我國非織造布行業發展的瓶頸。在深入分析、處理、總結三江無紡布公司無紡布生產系統實際應用中的經驗的基礎上，推導建立了交叉鋪網機的運動學模型，給出了其運動控制解決方案，為保證產品的質量，小車采用S曲線加減速，為其高速平穩運行提供保障。選

2、定交叉鋪網這部分進行深入探討，從滿足生產要求和產品質量這一基本點出發，提出控制正反轉策略，通過PLC控制改變電機正反轉，從而提高生產效率，改善產品質量。關鍵詞無紡布；交叉鋪網機；電正反轉控制；PLCDesign of Motors Reversion Control Used in Cross Lapper MachineCandidate：Liang LuoSupervisor：Jiehui ZouAbstractNonwovens industry is known as the textile industry in the "sunny industry", in

3、last few years of China nonwovens industry development is rapid, but China nonwovens production of key equipment of level is far lower than the advanced level in the world, China has become the bottleneck of the development of nonwoven industry. In depth analysis, processing, summary Sanjiang non-wo

4、ven non-woven production company system practical application based on the experience, this paper establishes cross-laying machine kinematics model, and gives its motion control solutions, to ensure the quality of the products, car uses the S curve acceleration and deceleration, for its high speed a

5、nd stable operation of protection. The selected cross lapper this part carries on the thorough discussion, from the meet the requirements of production and product quality in the basic starting point, put forward positive control strategy, through the PLC control to change the motor rotating, thereb

6、y improving the production efficiency, improve product quality.KeywordsNonwovens; Cross lapper; motors reversion control; PLC目錄1 課題來源與目標11.1 課題來源11.1.1 三江超纖無紡簡介11.1.2 水刺無紡布全自動生產線11.1.3 控制對象31.2 設計目標與任務51.2.1 設計目標51.2.2 設計任務62 總體方案83 硬件設計103.1 設計思路103.2 主電路設計114 軟件設計134.1 PLC組成部分134.2 PLC程序整體結構144.3編

7、程與調試154.3.1 程序編程154.3.2 程序分析184.3.3 軟件調試195 總結211 課題來源與目標1.1 課題來源本課題來源于作者2011年暑假實習所在的市三江超纖無紡。1.1.1 三江超纖無紡簡介市三江超纖無紡位于省市高新技術產業開發區，是三江企業（集團）旗下的一家高科技企業。公司擁有獨特的無紡布水刺工藝，所生產的雙組份中空桔瓣超細長纖維紡粘水刺無紡布，達到世界領先的水平，目前正廣泛應用于擦拭材料、工業吸水吸油擦拭材料、家紡防螨材料、氣液體過濾材料、高級印花壁材、服裝材料、美容卸妝材料、高檔防護材料PU與 PVC皮革材料、超纖革材料、轎車飾頂篷材料與衛生材料等。1.1.2 水

8、刺無紡布全自動生產線無紡布生產流水線主要由開松機、加藥機、混棉倉、精開松、梳理機、交叉鋪網機、牽伸機、合并簾、水刺機、烘干機和卷繞機組成，如圖1-1所示。圖1-1無紡布生產線的總體示意圖各個模塊的主要功能如下：(1)開松機：主要是松解纖維、棉、紡織品等材質，通過撕扯使大塊的糾結纖維松解變成小塊或束狀，同時在松解過程中伴有混和、除雜作用。開松機一般是由一對喂入輥或喂入羅拉與一個開松錫林組成，開松錫林上裝有角釘或梳針或針布或豪豬打手，為開松更徹底。(2)加藥機：使得兩種棉更容易纏結。(3)混棉倉：混棉倉的作用有兩個： 使不同的棉進入倉有更充分的，更均勻的混在一起； 混棉倉的體積較大，能夠存儲一些棉

9、。(4)精開松機：對混棉倉的棉進行再開松送入到梳理機中。(5)梳理機：把經過初步加工的原料梳理成單纖維狀態，組成網狀纖維薄層，再集合成纖維條的機器。由于纖維的種類和工藝要求不同，梳理機也有各種不同的結構，如梳棉機、梳毛機、梳麻機等。經過梳理后的纖維條，許多雜質和疵點已被排除，不同品質和色澤的纖維得到較充分的混和，纖維初步伸直，且具有方向性。這些都是生產品質優良紗線的重要條件。但纖維大多仍帶有彎鉤，有待后續工序理直。(6)交叉鋪網機：作用有改變布料的寬度，和厚度，提高布匹的橫向拉力。(7)牽伸機：根據客戶的不同需求，調整布匹的厚度，產出不同的產品。(8)合并簾：增加一層棉，提高布料的縱向拉力。(

10、9)水刺機：對料進行加固。(10)烘干機：使布料干燥，不易臟。(11)卷繞機：對成型的布料進行整理，便于記錄產品的數量。1.1.3 控制對象交叉鋪網是目前在非織造生產中利用最多的機械成網方法，因此交叉鋪網的設備交叉鋪網機也就成為非織造生產中的關鍵設備，也是本文選擇研究的對象。交叉鋪網機是非織造布生產線的關鍵設備，直接影響產品的質量。隨著非織造布行業的快速發展，傳統的鋪網機缺乏對纖維網鋪放的控制，造成纖網均勻度差，邊緣增重嚴重，產品質量不高，人機界面不靈活等缺點日益顯現，這已經成為我國非織造布行業發展的瓶頸。因此，對鋪網機實現自動化控制，獲得一種對鋪網機運動過程實行在線調整和控制的方法是非常必要

11、的。在利用機械式交叉鋪網機鋪疊成網的非織造布生產過程中，纖網經過開松、混合、梳理之后進入交叉鋪網關鍵工序，將梳理機輸送過來的合格纖網鋪疊成所需厚度的纖網層。因纖網鋪疊的平整度、均勻度直接影響到非織造布的質量和使用性能，所以鋪疊成網是非織造布生產工藝過程中最重要的加工工序之一。三江超纖無紡使用的是法國阿斯蘭公司（Asselin）的Profile交叉鋪網機，圖1-2為現場拍得的實物圖片。圖1-2 現場實物圖取某瞬間，小車自左往右運動的，其運動原理如圖1-3所示。圖1-3 交叉鋪網機工作示意圖就圖1-3分析鋪網機的運動過程：各部位運動速度圖中以標明，梳理機的出網速度即為交叉鋪網機的入網速度，這個速度

12、在整個運行期間是穩定的，也就是說纖網一恒定的速度源源不斷地鋪到輸出簾上。小車A和補償輥C固定在同步帶上由M1電機拖動共同運動。小車B和補償輥D固定在同步帶上由M2電機拖動共同運動。兩小車在導軌上高速度做往復運動（由圖可知，小車A的平均速度是小車B的兩倍），把梳理機送來的纖網源源不斷地經過A小車的下出網簾交叉鋪到輸出簾上，輸出簾由電機M3驅動，它的速度與鋪網速度、幅寬和層數有關。卷簾電機M4和M5分別隨補償輥C和補償輥D一同運行，輔助M1、M2帶動鋼絲和皮帶運動，并補償小車運動中前后簾的位置差。在各小車和補償輥運動邊緣均有限位線圈，為PLC提供正反轉信號。高速鋪網機運行速度高，運動部件質量大，慣

13、性力大，在往復鋪網過程中，上下小車和前簾驅動電機與后簾驅動電機頻繁起停，為減少兩端換向時的纖網超喂的影響，應盡量縮短加減速時間，在輸網簾速度為80m/min時，一般加減速時間應控制在400ms以。但加減速時間短，動態沖擊力大，運行不平穩，這將影響鋪網速度的提高。為減少的沖擊，一是減徑運動部件質量，為此運動輥子采用碳纖維材料；另外從運動控制角度著手，如何保證在機器運動平穩的前提下，實現以加減速時間最短為目標的最優加減速控制規律，使機器具有滿足高速加工要求的加減速特性。常見的加減速方式有：直線加減速、指數加減速和S曲線加減速，其中S曲線可以實現勻加加速度(加速度的變化率)，加減速在任何一點的加速度

14、都是連續變化的，從而避免了沖擊，速度的平滑性很好，運動精度高，但是算法比較復雜。本控制系統可采用S曲線加減速，如圖2-3所示。圖1-4 輸出簾上纖維運動路徑俯視圖1.2 設計目標與任務1.2.1 設計目標對于縱橫向強度比有一定要求，克重較重的產品，在梳理機后還要經過交叉鋪網機與牽伸機。傳統的交叉鋪網機有三大弊端：（1）由于纖網的力，使纖網產生橫向收縮；（2）鋪網小車變換方向時，由于存在死點(鋪網速度為0)，與梳理機以恒速輸出之間產生差異，在纖網邊緣部分產生超喂，致使邊網部分的重量大于中間；（3）當后續固結時，產品橫向進一步收縮，使兩邊偏重的問題更加突出。此外，高速鋪網機在非織造布生產線中占有舉

15、足輕重的低位，它直接影響整條生產線的生產效率和廠品質量，圍繞這些問題，國外主要生產交叉鋪網機的廠家都采取了各種措施，并使鋪網機鋪網速度越來越向均勻、高速方向改進，生產出高性能的交叉鋪網機。目前高性能的交叉鋪網機均為國外廠家產品，主要有德國奧特法(AUTEFA)公司CL2003和CL4000鋪網機，法國阿斯蘭公司(Asselin)的Profile交叉鋪網，纖維網喂入速度已高達150r/min。國企業的交叉鋪網機相對比較落后，其中以紡機為代表的新型交叉鋪網機最高速度己經達到80n/min，但同國外的交叉鋪網機相比差距仍比較大，而這類國產新型交叉鋪網機目前并沒有在際生產中得到應用。國外鋪網機性能對比

16、如表1-1所示。表1-1 國外各種鋪網機性能對比項目AsselinAUTEFA紡機喂入幅寬/mm250025002500喂出幅寬/mm180070001800700018007000喂入速度m/nin可達150可達150可達80纖維網喂入克重/(g/m2)580580580纖維網喂入克重/(g/m2)204000204000204000均勻度CV值/%小于3%小于3%小于3%小車數量/個244電機數量/個355主傳動驅動方式伺服控制伺服控制伺服控制通過與國外鋪網機的性能對比可知，不同產品對鋪網機要求不盡一樣，越是復雜精美的產品，鋪網機的電機數量越多，控制精度越高，只有在各個電機高度、有效配合下

17、才能實現。本文的設計目標就是采用PLC控制電機的快速正反轉，解決傳統鋪網機的各種弊端，滿足生產需求。1.2.2 設計任務交叉鋪網機在工作過程中需要進行頻繁的正反轉，并且要求能快速、高效、穩定的實現其生產過程。這就需要對鋪網機的控制電機提出嚴格要求，我們可以通過PLC控制直鋪網機異步電機系統的快速正反轉。隨著生產的發展，調速性能成了電氣傳動設備的一項基本要求，除了滿足一定的調速圍以與速度連續可調之外，還必須具有良好的動態性能和魯棒性。異步電機由于結構簡單、維護容易、價格便宜、對環境要求低等優點，已廣泛運用于工農業生產之中。但由于異步電機的磁鏈和電流的強禍合性、時變性與非線性，其調速難度很大。在一

18、般性能的節能調速系統中，過去大量的所謂不變速交流傳動，如風機、水泵等總容量幾乎占工業電氣傳動總容量的一半，其中有不少場合不得不依賴擋板和閥門來調節送風和供水的流量，因而對能源造成了很大的浪費。若采用交流調速系統，節省消耗在擋板和閥門上的能量，可明顯提高經濟效益。隨著電力電子技術、微電子技術的發展和現代控制理論、計算機控制技術的廣泛應用，交流調速技術發展十分迅速，理論上取得了突破性的進展，獲得了許多創造性的成果，并廣泛應用于實際調速系統中。電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術己成為發展趨勢。異步電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以與

19、提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種重要手段。交流變頻調速結合PLC控制系統，有優異的調速和起制動性能，高效率和節能效果，廣泛的適用圍與其它許多優點而被國外公認為最有發展前途的調速方式。2 總體方案PLC是活躍在現代工業控制領域的生力軍，它可靠性高，抗干擾能力強，編程簡單易學，具有很高的性價比。因此，應用PLC技術改進電機的正反轉控制，在現代工業控制領域中具有非常重要的實用價值和現實意義，本文就是用嘗試運用PLC控制交叉鋪網機中各個伺服電機的正反轉。伺服系統的電氣控制部分總體方案如圖2-1所示，主要由PLC、人機界面、伺服部分三部分組成。圖2-1 總體方案示意圖交叉鋪網機中使用的伺服系統

20、是由施耐德公司的Lexium組成。它是一種高端的伺服，可實現力矩、速度和位置的精確控制。具體實現方法是由PLC提供的電子凸輪功能進行編寫5個電機的運行軌跡曲線，并存儲在PLC的CPU中，具體數學計算由計算機模塊來完成。計算機模塊通過光纖環把一些如力矩、速度和位置等命令傳入伺服驅動器中，將伺服驅動器和電機編碼器反饋回來的信號進行比較，確定電機要完成的動作并加以實現。該光纖環具有高等級的抗干擾性，通信速率達到4Mbps，能很好地解決了高速數據交換的要求，并且很容易實現5個電機的速度同步問題。本文在實際分析過程，只需取其中一個電機分析其控制原理，設計PLC程序控制其正反轉，運用到各個電機，再調整各電

21、機啟動時間，相互配合便可實現復雜的整體運動要求，滿足不同的生產需求。三江無紡公司使用的鋪網機采用了觸摸屏和PLC進行控制（如圖2-1所示），它具有多參數設定的功能，所有與鋪網有關的參數都可通過觸摸屏進行設定，如網面寬度、輸入牽伸率、鋪網層數、交疊寬度、牽伸機牽伸率等。設定后鋪網機就可自動地按照設定的參數進行運轉，輸出合乎要求的纖網，從而省去了由計算、調整到測量的這一循環往復的過程。該人機控制界面可直接在屏幕上輸入各參數，通過PLC控制系統，實現對鋪網機電機運動控制，可滿足各種生產需求。圖2-1 觸摸屏控制界面圖3 硬件設計3.1 設計思路取鋪網機中小車A的運動過程具體分析，小車循環運動示意圖如

22、圖3-1所示，將小車在一個周期的運動分成4段，設小車最初在最左端，當按下啟動按鈕，則小車自動循環地工作，若按下停止按鈕，小車完成本次循環工作后停止在初始位置。圖3-1 小車A循環運動示意圖由于小車分四段不同的往返運動，現設定行程開關SQ1在最左端即為初始位置，行程開關SQ1, SQ2, SQ3, SQ4的分布和小車的運動軌跡都如圖3-1所示。按下啟動按鈕，小車就由最左端的初始位置向右運動，運動過程中經過SQ2,但SQ2不能改變小車的停止和轉向，小車繼續向右運；當碰到SQ3時，小車結束向右運動改向向左運動；當碰到SQ2時，小車結束向左運動改向向右運動；在向右運動的過程中碰到SQ3，但SQ3不會影

23、響小車的運行方向和狀態，小車會繼續向右動；當碰到SQ4時，小車結束向右運動改向向左運動，在向左運動的過程中小車會依次碰到SQ3、SQ2，但SQ3、SQ2都不會影響小車的運動方向和運動狀態，直到小車碰到SQl，小車會結束向左運動即這一次的循環運動結束開始新的循環運動。在小車的運動過程中無論在哪一時刻，按下停止按鈕都不能使小車立即結束運動而停止。在按下停止按鈕后小車會繼續運動直到完成才本次循環碰到初始位置的行程開關SQ1，才能夠結束循環，小車停止運動最后停在初始位置上。3.2 主電路設計鋪網機中小車循環運動控制系統設計中可采用西門子S7-200系列，所以對于/O端口的連線是非常重要的，是控制小車循

24、環運動的關鍵環節。在本設計中采用PLC處理器型號為CPU224，有輸入和輸出顯示端口，把開關信號轉換成控制信號，進而完成控制要求。這就是體現了PLC設計的簡單和御用方便之處，也是人們為什么選擇利用PLC來設計的主要原因，因此做好I/O接線是非常重要的。I/O接線圖如圖3-2所示。圖3-2 控制原理接線圖對于小車的循環運動控制系統上的設計，我們通常都是通過采用控制電機的正反轉再又經過設備與小車的連接，來控制小車的左右運動。在本設計中就是通過控制三相異步電動機的正反轉來控制小車的左右循環運動。當三相異步電機正轉時，小車向右運動；當三相異步電動機反轉時，小車向左運動。在主電路中采用兩個接觸器的動作來

25、控制三相異步電動機的正反轉進而來控制小車的循環作用運動。執行電路如圖3-3所示。閉合低壓斷路器QF，由于控制器件的作用當使KM1閉合時，三相異步電動機正轉，通過器件連接帶動小車向右運動；當KM2閉合時，三相異步電動機反轉，通過器件連接帶動小車向左運動。通過可編程控制器件的控制，最后來完成設計的要求。圖3-3 執行電路圖4 軟件設計4.1 PLC組成部分可編程控制器的結構多種多樣，但其組成的一般原理基本一樣，都是以微處理器為核心的結構。通常由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）、電源和編程器等幾個部分組成。（1）中央處理單元(CPU)CPU作為整個PLC的核心

26、，起著總指揮的作用。CPU一般由控制電路、運算器和寄存器組成。這些電路通常都被封裝在一個集成電路的芯片上。CPU通過地址總線、數據總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。CPU的功能有以下一些：從存儲器中讀取指令，執行指令，取下一條指令，處理中斷。（2）存儲器（RAM、ROM）存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序與工作數據。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為程序存儲器；存放數據的存儲器稱為數據存儲器。常用的存儲器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一種可進行讀寫操作的隨機存儲器存放用戶程序，生成用戶數據區，存放在RAM中的用戶程序可方便地修改。RA

27、M存儲器是一種高密度、低功耗、價格便宜的半導體存儲器，可用鋰電池備用電源。掉電時，可有效地保持存儲的信息。EPROM、EEPROM都是只讀存儲器。用這些類型存儲器固化系統管理程序和應用程序。（3）輸入輸出單元（I/O單元）I/O單元實際上是PLC與被控對象間傳遞輸入輸出信號的接口部件。I/O單元有良好的電隔離和濾波作用。接到PLC輸入接口的輸入器件是各種開關、按鈕、傳感器等。PLC的各輸出控制器件往往是電磁閥、接觸器、繼電器，而繼電器有交流和直流型，高電壓型和低電壓型，電壓型和電流型。（4）電源PLC電源單元包括系統的電源與備用電池，電源單元的作用是吧外部電源轉換成部工作電壓。PLC有一個穩壓

28、電源用于對PLC的CPU單元和I/O單元供電。（5）編程器編程器是PLC的最重要的外圍設備。利用編程器將用戶程序送入PLC的存儲器，還可以用編程器檢查程序，修改程序，監視PLC的工作狀態。除此以外，在個人計算機上添加適當的硬件接口和軟件包，即可用個人計算機對PLC編程。利用微機作為編程器，可以用字節編制并顯示梯形圖。4.2 PLC程序整體結構PLC控制程序軟件按對實時要求的重要性分為快速任務、主任務以與三級定時執行次任務，這樣就可以確保CPU最有效的工作，實時性要求高的任務每2ms執行1次，實時性要求不高的子任務最慢在500ms執行1次，小車受控運動示意圖如圖4-1所示。圖4-1 PLC程序結

29、構圖這些程序主要執行下面幾個方面的任務。（1）快速任務：快速讀取各個伺服電機的速度和位置并與時地進行校正和控制。（2）主任務：對設備的輸入數據進行采集分析，將控制數據的結果和CSY84模塊進行數據交換，以便隨時掌握各個伺服傳動的位置和速度狀況。（3）各子任務：接受人機界面觸摸屏輸入的參數數據，進行分析計算后自動對工藝參數進行調整；對設備的數字信號進行分析判斷，然后進行輸出調整控制；對設備運轉狀態進行掃描檢測判斷，發現故障立即進行相應的處理。在設計之前了解到鋪網機整個工作過程后，寫出小車運動示意圖，如圖4-2所示。圖4-2 小車受控運動示意圖4.3編程與調試4.3.1 程序編程從電機的正反轉控制

30、項目結果分析（硬件接線中必須實現互鎖），在PLC 的梯形圖中也要實現互鎖后，可以利用下一個狀態來封閉前一個狀態。使其兩個線圈不會同時動作，同時把行程開關作為一個狀態的轉換條件，電氣接線如圖4-2所示，按照小車運動流程圖中的思路來進行程序編寫。首先進行I/O口的分配，根據要求，I/O口的分配如表4-1所示。表4-1 小車循環運動I/O地址分配表輸入輸出地址功能地址功能I0.0啟動按鈕SB1Q0.0接觸器KM1電機正轉小車右行I0.1停止按鈕SB2Q0.1接觸器KM2電機正轉小車左行I0.2行程開關SQ1I0.3行程開關SQ2I0.4行程開關SQ3I0.5行程開關SQ4I/O口分配好后，根據小車運

31、動要求在編程軟件V4.0 STEP 7 MicroWIN SP6中編寫程序如圖4-3所示，并用S7_200漢化版軟件進行仿真。圖4-3 PLC梯形圖4.3.2 程序分析在上述的I/O分配可以知道在該程序中，起始開關用I0.0表示，停止開關用I0.1表示，在4個位置的行程開關分別用I0.2-I0.5來表示。在這里對程序進行分析：按下I0.0，由于中間繼電器的自鎖作用，會使M0.0一直帶電，與小車會一直處于帶電狀態，當按下I0.2時（行程開關SQ1得電），M0.6，M0.7得電，接觸器KM1線圈帶電，由于M0.1的自鎖作用，Q0.0一直處于輸出狀態，使電機一直正轉，小車向右運動；按下I0.3（行程

32、開關SQ2得電）不影響小車運動方向和狀態；按下I0.4(行程開關SQ3得電)M0.3常閉斷開。M0.1失電電機停止向右運動，M0.3常開閉合，由于M02的自鎖作用，使電機一直反轉，Q0.1一直處于輸出狀態，小車向左運動，M0.6失電；按下I0.3（行程開關SQ2得電）M0.5常閉斷開，M0.2失電小車停止向左運動，M0.5常開閉合，由于M0.1的自鎖作用，Q0.0一直處于輸出狀態，使電機一直正轉，小車向右運動；按下I0.4（行程開關SQ3得電）由于M0.6失電，不影響小車運動方向和狀態；按下I0.5（行程開關SQ4得電）由干M1.2自鎖作用，M1.2一直得電，M1.2常閉斷開，M0.1失電電機停止向右運動，M0.4得電，M0.4常開閉合與傳送到中間繼電器M0.0，依次類推當小車在I0.5站時，行程開關SQ4得電，與傳送到中間繼電器M0.1。小車從開始到停止到初始位置是由于M0.2的自鎖作用。使電機一直反轉，Q0.1一直處于輸出狀態，小車向左運動，M1.2常閉一直斷開，按下I0.4、I0.3不影響小車運動方