铺网机中电机正反转控制本科毕业设计论文.docx
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铺网机中电机正反转控制本科毕业设计论文
密级：
JINGGANGSHANUNIVERSITY
本科毕业论文（设计）
题目铺网机中电机正反转控制
学院机电工程学院
专业电气工程及其自动化
班级08电气本
（1）
教务处印制
铺网机中电机正反转的控制
[摘要]非织造布工业被誉为纺织工业中的“朝阳工业”，近几年我国的非织造布行业发展迅速，但是我国非织造布生产的关键设备交叉铺网机的水平却远远低于世界先进水平，已经成为我国非织造布行业发展的瓶颈。
在深入分析、处理、总结三江无纺布公司无纺布生产系统实际应用中的经验的基础上，推导建立了交叉铺网机的运动学模型，给出了其运动控制解决方案，为保证产品的质量，小车采用S曲线加减速，为其高速平稳运行提供保障。
选定交叉铺网这部分进行深入探讨，从满足生产要求和产品质量这一基本点出发，提出控制正反转策略，通过PLC控制改变电机正反转，从而提高生产效率，改善产品质量。
[关键词]无纺布；交叉铺网机；电正反转控制；PLC
DesignofMotor’sReversionControlUsedin
CrossLapperMachine
Candidate：
LiangLuo
Supervisor：
JiehuiZou
[Abstract]Nonwovensindustryisknownasthetextileindustryinthe"sunnyindustry",inlastfewyearsofChinanonwovensindustrydevelopmentisrapid,butChinanonwovensproductionofkeyequipmentoflevelisfarlowerthantheadvancedlevelintheworld,Chinahasbecomethebottleneckofthedevelopmentofnonwovenindustry.Indepthanalysis,processing,summarySanjiangnon-wovennon-wovenproductioncompanysystempracticalapplicationbasedontheexperience,thispaperestablishescross-layingmachinekinematicsmodel,andgivesitsmotioncontrolsolutions,toensurethequalityoftheproducts,carusestheScurveaccelerationanddeceleration,foritshighspeedandstableoperationofprotection.Theselectedcrosslapperthispartcarriesonthethoroughdiscussion,fromthemeettherequirementsofproductionandproductqualityinthebasicstartingpoint,putforwardpositivecontrolstrategy,throughthePLCcontroltochangethemotorrotating,therebyimprovingtheproductionefficiency,improveproductquality.
[Keywords]Nonwovens;Crosslapper;motor’sreversioncontrol;PLC
1课题来源及目标
1.1课题来源
本课题来源于作者2011年暑假实习所在的吉安市三江超纤无纺有限公司。
1.1.1吉安三江超纤无纺有限公司简介
吉安市三江超纤无纺有限公司位于江西省吉安市高新技术产业开发区，是浙江三江企业（集团）旗下的一家高科技企业。
公司拥有独特的无纺布水刺工艺，所生产的双组份中空桔瓣超细长纤维纺粘水刺无纺布，达到世界领先的水平，目前正广泛应用于擦拭材料、工业吸水吸油擦拭材料、家纺防螨材料、气液体过滤材料、高级印花壁材、服装材料、美容卸妆材料、高档防护材料PU与PVC皮革材料、超纤革材料、轿车内饰顶篷材料及卫生材料等。
1.1.2水刺无纺布全自动生产线
无纺布生产流水线主要由开松机、加药机、混棉仓、精开松、梳理机、交叉铺网机、牵伸机、合并帘、水刺机、烘干机和卷绕机组成，如图1-1所示。
图1-1无纺布生产线的总体示意图
各个模块的主要功能如下：
（1）开松机：
主要是松解纤维、棉、纺织品等材质，通过撕扯使大块的纠结纤维松解变成小块或束状，同时在松解过程中伴有混和、除杂作用。
开松机一般是由一对喂入辊或喂入罗拉及一个开松锡林组成，开松锡林上装有角钉或梳针或针布或豪猪打手，为开松更彻底。
（2）加药机：
使得两种棉更容易缠结。
（3）混棉仓：
混棉仓的作用有两个：
使不同的棉进入仓内有更充分的，更均匀的混在一起；
混棉仓的体积较大，能够存储一些棉。
（4）精开松机：
对混棉仓的棉进行再开松送入到梳理机中。
（5）梳理机：
把经过初步加工的原料梳理成单纤维状态，组成网状纤维薄层，再集合成纤维条的机器。
由于纤维的种类和工艺要求不同，梳理机也有各种不同的结构，如梳棉机、梳毛机、梳麻机等。
经过梳理后的纤维条，许多杂质和疵点已被排除，不同品质和色泽的纤维得到较充分的混和，纤维初步伸直，且具有方向性。
这些都是生产品质优良纱线的重要条件。
但纤维大多仍带有弯钩，有待后续工序理直。
（6）交叉铺网机：
作用有改变布料的宽度，和厚度，提高布匹的横向拉力。
（7）牵伸机：
根据客户的不同需求，调整布匹的厚度，产出不同的产品。
（8）合并帘：
增加一层棉，提高布料的纵向拉力。
（9）水刺机：
对料进行加固。
（10）烘干机：
使布料干燥，不易脏。
（11）卷绕机：
对成型的布料进行整理，便于记录产品的数量。
1.1.3控制对象
交叉铺网是目前在非织造生产中利用最多的机械成网方法，因此交叉铺网的设备交叉铺网机也就成为非织造生产中的关键设备，也是本文选择研究的对象。
交叉铺网机是非织造布生产线的关键设备，直接影响产品的质量。
随着非织造布行业的快速发展，传统的铺网机缺乏对纤维网铺放的控制，造成纤网均匀度差，边缘增重严重，产品质量不高，人机界面不灵活等缺点日益显现，这已经成为我国非织造布行业发展的瓶颈。
因此，对铺网机实现自动化控制，获得一种对铺网机运动过程实行在线调整和控制的方法是非常必要的。
在利用机械式交叉铺网机铺叠成网的非织造布生产过程中，纤网经过开松、混合、梳理之后进入交叉铺网关键工序，将梳理机输送过来的合格纤网铺叠成所需厚度的纤网层。
因纤网铺叠的平整度、均匀度直接影响到非织造布的质量和使用性能，所以铺叠成网是非织造布生产工艺过程中最重要的加工工序之一。
吉安三江超纤无纺有限公司使用的是法国阿斯兰公司（Asselin）的Profile交叉铺网机，图1-2为现场拍得的实物图片。
图1-2现场实物图
取某瞬间，小车自左往右运动的，其运动原理如图1-3所示。
图1-3交叉铺网机工作示意图
就图1-3分析铺网机的运动过程：
各部位运动速度图中以标明，梳理机的出网速度即为交叉铺网机的入网速度，这个速度在整个运行期间是稳定的，也就是说纤网一恒定的速度源源不断地铺到输出帘上。
小车A和补偿辊C固定在同步带上由M1电机拖动共同运动。
小车B和补偿辊D固定在同步带上由M2电机拖动共同运动。
两小车在导轨上高速度做往复运动（由图可知，小车A的平均速度是小车B的两倍），把梳理机送来的纤网源源不断地经过A小车的下出网帘交叉铺到输出帘上，输出帘由电机M3驱动，它的速度与铺网速度、幅宽和层数有关。
卷帘电机M4和M5分别随补偿辊C和补偿辊D一同运行，辅助M1、M2带动钢丝和皮带运动，并补偿小车运动中前后帘的位置差。
在各小车和补偿辊运动边缘均有限位线圈，为PLC提供正反转信号。
高速铺网机运行速度高，运动部件质量大，惯性力大，在往复铺网过程中，上下小车和前帘驱动电机与后帘驱动电机频繁起停，为减少两端换向时的纤网超喂的影响，应尽量缩短加减速时间，在输网帘速度为80m/min时，一般加减速时间应控制在400ms以内。
但加减速时间短，动态冲击力大，运行不平稳，这将影响铺网速度的提高。
为减少的冲击，一是减径运动部件质量，为此运动辊子采用碳纤维材料；另外从运动控制角度着手，如何保证在机器运动平稳的前提下，实现以加减速时间最短为目标的最优加减速控制规律，使机器具有满足高速加工要求的加减速特性。
常见的加减速方式有：
直线加减速、指数加减速和S曲线加减速，其中S曲线可以实现匀加加速度（加速度的变化率），加减速在任何一点的加速度都是连续变化的，从而避免了冲击，速度的平滑性很好，运动精度高，但是算法比较复杂。
本控制系统可采用S曲线加减速，如图2-3所示。
图1-4输出帘上纤维运动路径俯视图
1.2设计目标及任务
1.2.1设计目标
对于纵横向强度比有一定要求，克重较重的产品，在梳理机后还要经过交叉铺网机及牵伸机。
传统的交叉铺网机有三大弊端：
（1）由于纤网的张力，使纤网产生横向收缩；
（2）铺网小车变换方向时，由于存在死点（铺网速度为0），与梳理机以恒速输出之间产生差异，在纤网边缘部分产生超喂，致使边网部分的重量大于中间；
（3）当后续固结时，产品横向进一步收缩，使两边偏重的问题更加突出。
此外，高速铺网机在非织造布生产线中占有举足轻重的低位，它直接影响整条生产线的生产效率和厂品质量，
围绕这些问题，国内外主要生产交叉铺网机的厂家都采取了各种措施，并使铺网机铺网速度越来越向均匀、高速方向改进，生产出高性能的交叉铺网机。
目前高性能的交叉铺网机均为国外厂家产品，主要有德国奥特法（AUTEFA）公司CL2003和CL4000铺网机，法国阿斯兰公司（Asselin）的Profile交叉铺网，纤维网喂入速度已高达150r/min。
国内企业的交叉铺网机相对比较落后，其中以郑州纺机为代表的新型交叉铺网机最高速度己经达到80n/min，但同国外的交叉铺网机相比差距仍比较大，而这类国产新型交叉铺网机目前并没有在际生产中得到应用。
国内外铺网机性能对比如表1-1所示。
表1-1国内外各种铺网机性能对比
项目
Asselin
AUTEFA
郑州纺机
喂入幅宽/mm
2500
2500
2500
喂出幅宽/mm
1800~7000
1800~7000
1800~7000
喂入速度m/nin
可达150
可达150
可达80
纤维网喂入克重/（g/m2）
5~80
5~80
5~80
纤维网喂入克重/（g/m2）
20~4000
20~4000
20~4000
均匀度CV值/%
小于3%
小于3%
小于3%
小车数量/个
2
4
4
电机数量/个
3
5
5
主传动驱动方式
伺服控制
伺服控制
伺服控制
通过与国外铺网机的性能对比可知，不同产品对铺网机要求不尽相同，越是复杂精美的产品，铺网机的电机数量越多，控制精度越高，只有在各个电机高度、有效配合下才能实现。
本文的设计目标就是采用PLC控制电机的快速正反转，解决传统铺网机的各种弊端，满足生产需求。
1.2.2设计任务
交叉铺网机在工作过程中需要进行频繁的正反转，并且要求能快速、高效、稳定的实现其生产过程。
这就需要对铺网机的控制电机提出严格要求，我们可以通过PLC控制直铺网机异步电机系统的快速正反转。
随着生产的发展，调速性能成了电气传动设备的一项基本要求，除了满足一定的调速范围以及速度连续可调之外，还必须具有良好的动态性能和鲁棒性。
异步电机由于结构简单、维护容易、价格便宜、对环境要求低等优点，已广泛运用于工农业生产之中。
但由于异步电机的磁链和电流的强祸合性、时变性与非线性，其调速难度很大。
在一般性能的节能调速系统中，过去大量的所谓不变速交流传动，如风机、水泵等总容量几乎占工业电气传动总容量的一半，其中有不少场合不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而对能源造成了很大的浪费。
若采用交流调速系统，节省消耗在挡板和阀门上的能量，可明显提高经济效益。
随着电力电子技术、微电子技术的发展和现代控制理论、计算机控制技术的广泛应用，交流调速技术发展十分迅速，理论上取得了突破性的进展，获得了许多创造性的成果，并广泛应用于实际调速系统中。
电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术己成为发展趋势。
异步电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以及提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种重要手段。
交流变频调速结合PLC控制系统，有优异的调速和起制动性能，高效率和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
2总体方案
PLC是活跃在现代工业控制领域的生力军，它可靠性高，抗干扰能力强，编程简单易学，具有很高的性价比。
因此，应用PLC技术改进电机的正反转控制，在现代工业控制领域中具有非常重要的实用价值和现实意义，本文就是用尝试运用PLC控制交叉铺网机中各个伺服电机的正反转。
伺服系统的电气控制部分总体方案如图2-1所示，主要由PLC、人机界面、伺服部分三部分组成。
图2-1总体方案示意图
交叉铺网机中使用的伺服系统是由施耐德公司的Lexium组成。
它是一种高端的伺服，可实现力矩、速度和位置的精确控制。
具体实现方法是由PLC提供的电子凸轮功能进行编写5个电机的运行轨迹曲线，并存储在PLC的CPU中，具体数学计算由计算机模块来完成。
计算机模块通过光纤环把一些如力矩、速度和位置等命令传入伺服驱动器中，将伺服驱动器和电机编码器反馈回来的信号进行比较，确定电机要完成的动作并加以实现。
该光纤环具有高等级的抗干扰性，通信速率达到4Mbps，能很好地解决了高速数据交换的要求，并且很容易实现5个电机的速度同步问题。
本文在实际分析过程，只需取其中一个电机分析其控制原理，设计PLC程序控制其正反转，运用到各个电机，再调整各电机启动时间，相互配合便可实现复杂的整体运动要求，满足不同的生产需求。
吉安三江无纺公司使用的铺网机采用了触摸屏和PLC进行控制（如图2-1所示），它具有多参数设定的功能，所有与铺网有关的参数都可通过触摸屏进行设定，如网面宽度、输入牵伸率、铺网层数、交叠宽度、牵伸机牵伸率等。
设定后铺网机就可自动地按照设定的参数进行运转，输出合乎要求的纤网，从而省去了由计算、调整到测量的这一循环往复的过程。
该人机控制界面可直接在屏幕上输入各参数，通过PLC控制系统，实现对铺网机电机运动控制，可满足各种生产需求。
图2-1触摸屏控制界面图
3硬件设计
3.1设计思路
取铺网机中小车A的运动过程具体分析，小车循环运动示意图如图3-1所示，将小车在一个周期内的运动分成4段，设小车最初在最左端，当按下启动按钮，则小车自动循环地工作，若按下停止按钮，小车完成本次循环工作后停止在初始位置。
图3-1小车A循环运动示意图
由于小车分四段不同的往返运动，现设定行程开关SQ1在最左端即为初始位置，行程开关SQ1,SQ2,SQ3,SQ4的分布和小车的运动轨迹都如图3-1所示。
按下启动按钮，小车就由最左端的初始位置向右运动，运动过程中经过SQ2,但SQ2不能改变小车的停止和转向，小车继续向右运；当碰到SQ3时，小车结束向右运动改向向左运动；当碰到SQ2时，小车结束向左运动改向向右运动；在向右运动的过程中碰到SQ3，但SQ3不会影响小车的运行方向和状态，小车会继续向右动；当碰到SQ4时，小车结束向右运动改向向左运动，在向左运动的过程中小车会依次碰到SQ3、SQ2，但SQ3、SQ2都不会影响小车的运动方向和运动状态，直到小车碰到SQl，小车会结束向左运动即这一次的循环运动结束开始新的循环运动。
在小车的运动过程中无论在哪一时刻，按下停止按钮都不能使小车立即结束运动而停止。
在按下停止按钮后小车会继续运动直到完成才本次循环碰到初始位置的行程开关SQ1，才能够结束循环，小车停止运动最后停在初始位置上。
3.2主电路设计
铺网机中小车循环运动控制系统设计中可采用西门子S7-200系列，所以对于Ｉ/O端口的连线是非常重要的，是控制小车循环运动的关键环节。
在本设计中采用PLC处理器型号为CPU224，有输入和输出显示端口，把开关信号转换成控制信号，进而完成控制要求。
这就是体现了PLC设计的简单和御用方便之处，也是人们为什么选择利用PLC来设计的主要原因，因此做好I/O接线是非常重要的。
I/O接线图如图3-2所示。
图3-2控制原理接线图
对于小车的循环运动控制系统上的设计，我们通常都是通过采用控制电机的正反转再又经过设备与小车的连接，来控制小车的左右运动。
在本设计中就是通过控制三相异步电动机的正反转来控制小车的左右循环运动。
当三相异步电机正转时，小车向右运动；当三相异步电动机反转时，小车向左运动。
在主电路中采用两个接触器的动作来控制三相异步电动机的正反转进而来控制小车的循环作用运动。
执行电路如图3-3所示。
闭合低压断路器QF，由于控制器件的作用当使KM1闭合时，三相异步电动机正转，通过器件连接带动小车向右运动；当KM2闭合时，三相异步电动机反转，通过器件连接带动小车向左运动。
通过可编程控制器件的控制，最后来完成设计的要求。
图3-3执行电路图
4软件设计
4.1PLC组成部分
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。
通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
（1）中央处理单元（CPU）
CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。
CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。
这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。
CPU的功能有以下一些：
从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。
（2）存储器（RAM、ROM）
存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放应用软件的存储器称为程序存储器；存放数据的存储器称为数据存储器。
常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。
RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。
RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池备用电源。
掉电时，可有效地保持存储的信息。
EPROM、EEPROM都是只读存储器。
用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。
（3）输入输出单元（I/O单元）
I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。
接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。
PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。
（4）电源
PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是吧外部电源转换成内部工作电压。
PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。
（5）编程器
编程器是PLC的最重要的外围设备。
利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。
除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。
利用微机作为编程器，可以用字节编制并显示梯形图。
4.2PLC程序整体结构
PLC控制程序软件按对实时要求的重要性分为快速任务、主任务以及三级定时执行次任务，这样就可以确保CPU最有效的工作，实时性要求高的任务每2ms执行1次，实时性要求不高的子任务最慢在500ms执行1次，小车受控运动示意图如图4-1所示。
图4-1PLC程序结构图
这些程序主要执行下面几个方面的任务。
（1）快速任务：
快速读取各个伺服电机的速度和位置并及时地进行校正和控制。
（2）主任务：
对设备的输入数据进行采集分析，将控制数据的结果和CSY84模块进行数据交换，以便随时掌握各个伺服传动的位置和速度状况。
（3）各子任务：
接受人机界面触摸屏输入的参数数据，进行分析计算后自动对工艺参数进行调整；对设备的数字信号进行分析判断，然后进行输出调整控制；对设备运转状态进行扫描检测判断，发现故障立即进行相应的处理。
在设计之前了解到铺网机整个工作过程后，写出小车运动示意图，如图4-2所示。
图4-2小车受控运动示意图
4.3编程及调试
4.3.1程序编程
从电机的正反转控制项目结果分析（硬件接线中必须实现互锁），在PLC的梯形图中也要实现互锁后，可以利用下一个状态来封闭前一个状态。
使其两个线圈不会同时动作，同时把行程开关作为一个状态的转换条件，电气接线如图4-2所示，按照小车运动流程图中的思路来进行程序编写。
首先进行I/O口的分配，根据要求，I/O口的分配如表4-1所示。
表4-1小车循环运动I/O地址分配表
输入
输出
地址
功能
地址
功能
I0.0
启动按钮SB1
Q0.0
接触器KM1电机正转小车右行
I0.1
停止按钮SB2
Q0.1
接触器KM2电机正转小车左行
I0.2
行程开关SQ1
I0.3
行程开关SQ2
I0.4
行程开关SQ3
I0.5
行程开关SQ4
I/O口分配好后，根据小车运动要求在编程软件V4.0STEP7MicroWINSP6中编写程序如图4-3所示，并用S7_200汉化版软件进行仿真。
图4-3PLC梯形图
4.3.2程序分析
在上述的I/O分配可以知道在该程序中，起始开关用I0.0表示，停止开关用I0.1表示，在4个位置的行程开关分别用I0.2-I0.5来表示。
在这里对程序进行分析：
按下I0.0，由于中间继电器的自锁作用，会使M0.0一直带电，及小车会一直处于带电状态，当按下I0.2时（行程开关SQ1得电），M0.6，M0.7得电，接触器KM1线圈带电，由于M0.1的自锁作用，Q0.0一直处于输出状态，使电机一直正转，小车向右运动；按下I0.3（行程开关SQ2得电）不影响小车运动方向和状态；按下I0.4（行程开关SQ3得电）M0.3常闭断开。
M0.1失电电机停止向右运动，M0.3常开闭合，由于M02的自锁作用，使电机一直反转，Q0.1一直处于输出状态，小车向左运动，M0.6失电；按下I0.3（行程开关SQ2得电）M0.5常闭断开，M0.2失电小车停止向左运动，M0.5常开闭合，由于M0.1的自锁作用，Q0.0一直处于输出状态，使电机一直正转，小车向右运动；按下I0.4（行程开关SQ3得电）由于M0.6失电，不影响小车运动方向和状态；按下I0.5（行程开关SQ4得电）由干M1.2自锁作用，M1.2一直得电，M1.2常闭断开，M0.1失电电机停止向右运动，M0.4得电，M0.4常开闭合及传送到中间继电器M0.0，依次类推当小车在I0.5
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