【摘要】本文介紹了卷取機的運行特點。采用了三菱變頻器，三菱PLC，三菱張力控制設備等三菱FA產品在卷取機設備改造上進行應用。
【關鍵詞】：卷取機、FX3UPLC、LX-050TD、FR-A700變頻器、LM-10PD、RS485通訊。
引言 ：某家薄膜生產廠家使用的卷取機因設備老化，經常出現元器件損壞狀況，影響正常生產。現決定使用三菱FA產品對該機器的卷曲機構進行全面的改造。
1.卷取機工作原理
1.1普通卷取機工作流程。

從材料的傳遞方向將系統(tǒng)分為牽引機構A，牽引機構B，儲能機構，偏心機構，卷取機構，卷軸切換機構，座臺進退機構，推料機構共8個部分。
　　首先將材料粘貼在A卷取軸上，設置牽引機構橡膠輪A的轉速、材料的張力之后，按下啟動按鈕，材料依次經過儲能器，牽引軸B，偏心機構后被卷取軸卷取。當一卷即將結束收卷時，需要換卷。此時卷軸切換機構的轉盤旋轉，A、B兩軸位置對調。待收卷結束后按下A軸停止按鈕，此時A軸停止卷取。此時儲能機構的提升架開始上升（到上止點后提升架停止上升），始終保持材料一定的張力。這時將材料裁斷，重新粘貼在B軸上。按下B軸啟動按鈕后，B軸開始收卷。牽引軸B以快于橡膠軸A的速度將提升架降至下基準點。進入下基準點后，牽引軸B與張力檢測單元A配合保證材料在前段傳輸過程中張力恒定。
　　一卷收卷完成后，按下推料前進按鈕，推料機構將材料推出卷取軸。此時使用搬運機械手將材料搬運到合適的存放處。
材料收卷過程中可能需要座臺前進后退，這時按下前進后退按鈕，電磁閥會通電，切換油路的導通與斷開，控制座臺的前進后退。
當需要調整各段材料之間的間隙時，調節(jié)偏心機構的偏心輥直到間隙達到要求。
1.2卷取機的詳細介紹
牽引機構A。牽引機構A 即橡膠軸A。橡膠軸A軸由驅動器驅動電機牽引材料由流延機進入儲能器。    
2）牽引機構B。牽引機構B 由PID控制板，B軸驅動器，B軸牽引電機，氣壓閥以及壓輥構成。
牽引軸B同樣由B軸驅動器驅動電機驅動。開始卷取之前，需將調節(jié)氣壓閥的壓力使牽引軸B與壓輥之間有一定的壓力，保證材料不能被反拖進儲能器。當按下新卷卷取啟動按鈕后，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點。至下基準點之后，牽引軸B會繼續(xù)根據儲能架上浮動輥電位計的電壓反饋值在PID控制板上進行運算，PID控制板輸出一定的補償值來調節(jié)變頻器，通過速度補償來保證材料恒張力。當卷軸切換時，牽引軸B停止，壓輥與牽引軸B之間材料保持靜止狀態(tài)。
3）儲能機構。儲能機構是該卷取機構中相對比較重要的一個機構。
儲能器由儲能架，電位計，力矩控制器，力矩電機，齒輪箱，冷卻系統(tǒng)構成。提升架上安裝2個接近開關，分別為上止點A，下止點B。
力矩控制器驅動力矩電機C，電機C經過減速箱與傳動鏈連接，電機旋轉使傳動鏈產生一個恒定的提升力。當卷軸切換時，提升架為保持張力恒定會上升。如果在儲能架架提升到上止點A之前啟動新卷卷取，提升架會下降。如果提升架到達上止點A后，仍沒有接受到新卷啟動指令請求，提升架會一直保持待新卷啟動指令被觸發(fā)。啟動新卷后，提升架會在20S內勻速拖降至下止點B。到下止點B后，牽引軸B切換控制方式，與浮動輥配合運轉。此外該系統(tǒng)中安裝了一套冷卻系統(tǒng)，專門為力矩電機散熱。
4）偏心機構
偏心機構主要由一個偏心壓輥組成。調節(jié)壓輥的高度，裁切出的材料相對水平產生一定的角度，角度大小由壓輥下壓的程度確定。
5）卷取機構
卷取機構是控制機構的核心，是整個系統(tǒng)的最終目標。卷取的好壞決定產品的質量。所以卷取機構的重要性不言而喻。卷取機構主要組成:PID控制板，浮動輥，電位計，伺服壓力閥，收卷變頻器A，收卷電機A與減速箱，收卷變頻器B，收卷電機B與減速箱。當A軸或B軸啟動按鈕按下后，PID控制板根據浮動輥的位置反饋，輸出一定的電壓值驅動變頻器A或B,從而驅動卷取電機旋轉實現卷取功能。變頻器采用轉矩控制模式，保持材料卷取過程中張力的恒定。收卷過程中要考慮卷徑的變化，該機構采用氣壓閥壓力的變化實現錐度控制功能，
6）卷軸切換機構 卷軸切換機構由轉盤，內嚙合齒輪，多段軸，接近開關，旋轉電機組成。當卷軸切換開關按下后，旋轉電機D旋轉驅動A,B軸齒輪，使圓盤旋轉，待B軸運行到接近開關處，電機D停止旋轉。
2.系統(tǒng)電氣元件的構成以及功能介紹；
1.改造系統(tǒng)示意圖

2.改造明細如下：
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系列的升級產品，其基本性能大幅提升：1.FX3UCPU處理速度達到了0.065us/基本指令。2.內置了高達64K步的大容量RAM存儲器。3.大幅增加了內部軟元件的數量。4.強化了指令的功能，提供了多達209條應用指令，包括像與三菱變頻器通訊的指令，CRC計算指令，產生隨機數指令等等。2）更換原有的PID控制板，采用FX3UPLC進行PID控制。
該機器上目前采用的PID張力控制板是一款專門的PID運算放大電路。相比目前的PLC，PID控制器的運算速度較慢，調節(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）拆卸浮動輥與電位計，采用張力檢測器LX-050TD，LM-10PD與PLC組合進行全閉環(huán)恒張力控制。
之前采用的浮動輥與電位計組合，通過浮動輥上電位計的電壓變化來顯示張力的變化。與張力檢測器直接相比，該方式需要經過轉換計算，速度響應性較差。使用檢測輥時易受氣源氣壓，浮動輥自重以及調節(jié)人的人為因素影響。電位計的精度較差，無法實時顯示材料的實際張力。采用張力表與張力檢測器后，以材料張力直接為監(jiān)控對象，實時檢測；檢測輥自重影響可自動消除；材料包角影響自動消除；微張力也可監(jiān)控；
4）使用PLC程序實現錐度控制，拆下伺服氣壓閥。
該機器之前通過控制伺服氣壓閥的壓力來調節(jié)浮動輥的張力。壓力降低，浮動輥回位所需的彈力降低，以此來降低目標張力的設定值。現在PLC內部采用卷徑計算方法，隨著卷徑變化收卷張力線性變化，以此來實現自由設定的錐度控制。 省去原有的壓力裝置，機械結構更加簡單。
5）采用10.4寸GT1275--VNBA人機觸摸屏，替代原有的復雜開關按鈕以及相關的電纜連接線。
該機器之前好多操作由分布在機器四周的開關按鈕執(zhí)行。操作人員往往需要相互協(xié)作才能將機器運轉。更換成觸摸屏后，機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，采用人機界面后客戶可實時操作與監(jiān)控機器的運行狀態(tài)。當機器發(fā)生故障時，通過查看歷史記錄會更方便我們進行故障診斷。
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系列變頻器驅動帶編碼器的電機實現高性能的矢量控制：閉環(huán)矢量控制下，變頻器可達到比無傳感器矢量控制時更高精度和更快速度響應的性能。速度控制范圍1:1500；速度波動率：0.01%；速度響應300rad/s。轉矩控制范圍1:50；并具零速控制和伺服鎖定功能。可低速時連續(xù)輸出100%轉矩，非常適合于放卷/收卷等場合。
之前該機器上的變頻器控制通過與PLC外部接線實現。因為外部干擾問題，在使用模擬量控制變頻器運轉時出現誤差。且無法將變頻器數據傳輸至PLC。該項目采用了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絡。PLC可實時控制變頻器的正轉、反轉、停止，讀取和更改當前變頻器的頻率、轉矩。
7）采用三相普通異步電機加變頻器的控制方式替代原有的力矩電機以及相關冷卻機構。
之前儲能架采用力矩電機加力矩控制器的控制方式保證一定的提升力。由于該電機長時間運行，電機發(fā)熱較嚴重。所有專門配置了一套冷卻系統(tǒng)幫電機散熱。
8）現決定采用3kw普通電機與FR-A740-3.7K變頻器組合，采用扭矩控制方式，外加制動單元，制動電阻，保證電機提供力矩的同時也不會出現過熱現象。
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，空氣開關等。
3.改造工程的實施。
此次改造項目耗時25天。主要實施步驟如下：      
1）拆下機器上原有的浮動輥、電位計，在原先部位安裝張力檢測器LX-050TD。將LM-10PD張力表安裝在醒目位置并與張力檢測器連接。
2）拆下原有的力矩電機以及冷卻系統(tǒng)。更換成普通3.7kw三相異步電機加FR-A740-3.7K變頻器。且將變頻器與制動電阻連接。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,換上相對應的三菱A700變頻器。且將各變頻器采用通訊線連接成網絡、
4）安裝PLC以及相關模塊等，待全部元器件安裝完畢進行程序編寫。
4.機器的現場調試。
1）使用LM-10PD張力表對張力檢測器LX-050TD進行零點校正以及跨距的調整。步驟如下：
A)確定張力檢測器正確安裝。
B)如下圖所示依次設定張力表的最大量程，張力檢測器的類型，張力顯示的單位，張力表輸出電壓范圍，檢測器的個數。

C)通過張力表，在材料不通過的情況下進行檢測器調零。按下AUTO ZERO鍵后，待數碼顯示管為0時表示檢測器調零完成。
D)調零成功完成后。將一段鐵絲繩按說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。此時按下AUTO DISP按鈕，待顯示管為400N時說明跨距調整成功。

2)變頻器參數的設置。
操作模式：          參數Pr79=0
通訊站號：          參數Pr331=0
通訊速率：          參數Pr332=96
通訊停止位長：      參數Pr333=10
通訊奇偶校驗：      參數Pr334=2
通訊校驗時間間隔：  參數Pr336=9999
通訊等待時間：      參數Pr337=9999
通訊開始模式選擇：參數Pr340=1    網絡運行模式開始
通訊有無CR/LF選擇：參數Pr341=0    有CR
參數寫入選擇：     參數Pr77=2  可以在所有運行模式中寫入參數

5.程序的編寫：
1）邏輯程序的編寫。邏輯程序與之前機器上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。項目中主要使用PLC與變頻器之間RS485通訊來驅動變頻器。程序如下：

6.調試過程中碰到的問題以及解決方案
1）調試中發(fā)現材料張力超出張力檢測器量程。
張力檢測器選用的是三菱最大量程LX-50TD，但在調試過程中發(fā)現LM-10PD過載報警,檢查接線，并使用水平儀重新校正張力檢測器，發(fā)現無故障。后卸掉負載檢查軸承安裝，軸承安裝正常。后測量加載時張力檢測器之間的電壓為160mV，后卸載后電壓為30mV。確定材料的張力的確過大。這時決定將張力檢測器安裝位置旋轉180度。之后重新校正發(fā)現張力表顯示400N,表示材料顯示正常.
2)材料在加速，減速，啟動，停止運行出現跳動。
該機器之前采用的是浮動輥加壓力閥來控制材料的張力，在啟動，停止及加減速時浮動輥可以起到緩沖的作用。但在換成張力檢測器之后，直接檢測張力，無緩沖。此時要求控制的響應速度要快，且PLC與變頻器配合要更恰當。此時在程序中減小變頻器加速與減速時間，重新調整PID控制程序中的P和I。反復的加速和減速，反復的調節(jié)直到材料各個情況下運行正常。
3)在材料收卷過程中，安全踏板踩下后，材料停止收卷。再次啟動收卷，發(fā)現B軸偶爾經常出現滯后現象。檢查機械結構后發(fā)現B軸的減速箱一側的潤滑油液位較低。更換潤滑油后，發(fā)現減速箱工作噪音減小，滯后現象消除。
4)機器運轉過程中，PLC附件出現火花，FX3U-4AD-ADP模塊被燒毀。經觀察發(fā)現，生產現場靜電比較嚴重。之后重新將PLC與其他電器元器件做了專用接地。機器運轉至今3個月，機器運轉正常。
生產過程中發(fā)現，每次暫停后，機器再運轉，料筒上的材料出現橫向偏移，內送外緊。經檢查發(fā)現每次暫停后，卷徑被復位，導致此時收卷時張力為初始張力，張力過大。重新編寫暫停程序，材料收卷正常。
6）調試過程中變頻器亂跳故障碼E7。在起初變頻器單獨調試過程中運轉正常，所有變頻器同時啟動，發(fā)現變頻器開始跳故障碼E7。后參考機器原有的控制柜發(fā)現，其中安裝很多的隔離變壓器。將變頻器輸出側都連接在隔離變壓器，發(fā)現故障碼消除。
7.改造后的效果
　　　該項目采用了直接檢測材料的張力，直接轉矩控制驅動電機旋轉。相比之前的采用浮動棍控制的速度控制，響應速度更快。材料張力的穩(wěn)定性更好。而且采用轉矩控制，材料在啟動之前，要對系統(tǒng)進行預驅動，這樣避免了材料在啟動瞬間的褶皺或材料拉斷等現象。且客戶能實時監(jiān)測各材料的張力，更好的方便生產控制，提高產品質量。
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，避免出現元器件損壞導致系統(tǒng)崩潰的現象。此外采用觸摸屏替代原有的機械開關，簡化系統(tǒng)的控制線路，提高了設備的集成度，方便操作人員的操作，監(jiān)視以及故障查詢。
8.客戶評價。
1.產品質量提高。
機器未改造前，卷取材料厚的膜問題不大，但當卷取材料比較薄的膜時，張力較小時，波動較大，卷出來的材料邊緣不是很整齊。現機器已運作三個月，張力控制比較平穩(wěn)。產品質量由原先的60%提高到80%。且實時檢測材料上的張力，方便客戶在線調整。
2.易操作，減少人力成本。
原先操作人員每次開機需要至少2人以上同時協(xié)作，現在只需將材料粘貼在料筒上，使用人機界面操作1人就可以正常生產。
參考文獻：
1)三菱通用變頻器FR-A700使用手冊（應用篇）
2)LM-10PD產品使用說明書
3)LX-TD產品使用手冊
4)FX3U/FX3UC用戶手冊（模擬量控制篇）
5)FX3U系列微型可編程控制器編程手冊（基本·應用指令說明書）