Development of PLC-based Tension Control System
REN Sheng-le*, LU Hua, WANG Yong-zhang, FU Hong-ya
Department of Mechanical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China
Received 22 May 2006; accepted 22 November 2006
Abstract
Fiber winding tension is an important factor in the molding techniques of composite material which influences the quality of winding product directly, and the tension control is a key technique in fiber winding techniques. This paper introduces a closed-loop tension control system with the programmable logic controller (PLC) with function modules as its control kernel, the alternating current (AC) servo motor as execute element and the radius-following device to accomplish the real-time radius compensation. The mechanism of the tension control system is analyzed and the numerical model is set up. The compensation technique of the radius of the scroll is analyzed. Experimental results show that the system is well qualified with high control precision and high reaction speed.
Keywords: tension control; PLC; numerical control winding machine; AC digital servo motor
The components of composite material fiber winding possess such advantages as low weight, high strength, and high corrosion resistance, and they are widely applied in aviation and aerospace industry. Many researches have shown that improper or unstable tension leads to a strength loss of 20%-30% of the fiber wound components. An ideal tension control system should provide stable and adjustable tension during the winding process [1-3].
With the development of the winding machine, tension controllers have, so far, undergone three stages of development, i.e., mechanical tension controller, electrical tension controller and computerized tension controller[4-5]. With the development of electronic technology and the appearance of the microprocessor of higher cost performance, computerized tension controller came into use. Micro-processor becomes the kernel of the control system and thus cuts down the number of circuits of the electronic control system, which greatly simplifies the system, improves its reliability and makes possible the application of advanced control methods. Therefore, this type of controllers is widely used[6-7].
The tension control techniques are becoming mature and the specifications are being improved in some developed countries. However, the fiber winding industry of China started up late and still drops behind compared with the western countries.
Mechanical tensioners, with low precision and slow response, account for the main part of domes-tically-applied tensioners, and cannot meet the tension requirements. Therefore, this paper presents a PLC-based tension control system.
- Construction of the system
A winding tension control system generally consists of three main parts, namely the unwinder, the processer and the winder, and it may also include the measuring and control parts, ancillary transport apparatus, and a load cell. The type of the winder and that of the unwinder may be one of the two drive types, surface drive or center drive. The surface drive means that a scroll or belt is set on the surface of the winding material and the drive force is generated through friction. The center drive is to set a drive mechanism on the center shaft of the scroll, where the linear speed and the tension force of the winding fiber vary with the radius of the scroll, leading to the so-called “scroll thick”[8]. The phenomenon of “scroll thick” makes the tension control very complex, but the center drive mode is widely applied due to its wide applicability.
1.2 Design of tension control scheme
This system adopts a scheme with a center drive and outward-draw fiber configuration. Since the output torque of the AC digital servo motor is in direct proportion to the fiber tension force and the scroll radius, the output torque should decrease as the scroll radius decreases to acquire a constant fiber tension. The change of the scroll radius can be measured by a radius following device and the sampled radius change then passes through an analog-digital converter and is sent to the PLC. By reading the desired value of the tension force, the radius and tension force are calculated with the preset calculating algorithm. The speed instruction and torque limit instruction are issued and digital-to-analog converted to output the analog voltage signal to control the servo driver. The servo driver controls the rotating speed and output torque to control the fiber tension. The servo motorrsquo;s speed and torque are measured by the pulse encoder and the Hall element and fed back to the PLC system to compose a closed loop system.
The main components in the system include
(1) A Panasonic programmable controller (FP0-C10RS), a 12-bit FP0-A80 and an FP0-A04V ancilliary conversion module.
- A Panasonic AC digital servo driver and servo motor.
- A radius-following device including a radius following arm and a rotary potentiometer.
2 Mathematical Model
Effective control of the fiber tension is required in fiber winding. Due to the versatility of the core mold shape and winding shape, the linear speed of the fiber is difficult to be kept constant and the variation principle is extremely complex. There-fore, the influence of the speed on the tension force should be taken into consideration in the mechanical analysis of the controlled object. The PLC with function modules as the control systemrsquo;s control kernel, and the needed tension can be enacted from man-machine interface through the serial communication between PLC and upper computer. The input of the radius value, the torque feedback and the velocity feedb
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基于PLC的张力控制系统的研制
REN Sheng-le*, LU Hua, WANG Yong-zhang, FU Hong-ya
哈尔滨理工大学机械工程系，哈尔滨150001
2006年5月22日收到；2006年11月22日接收
摘要
纤维缠绕张力是复合材料成型工艺中的一个重要因素，直接影响缠绕产品的质量，张力控制是纤维缠绕成型的关键技术之一。 本文介绍了一种以可编程控制器(PLC)为控制核心的交流交流式张力闭环控制系统。 伺服电机作为执行元件和半径跟踪装置实现实时半径补偿.。分析了张力控制系统的机理，建立了张力控制系统的数值模型。 分析了涡旋半径的补偿技术。实验结果表明，该系统具有良好的控制精度和较高的反应速度。
关键词：张力控制；PLC；数控卷绕机；交流数字伺服电机
复合材料纤维缠绕件具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，在航空航天工业中有着广泛的应用。 大量研究表明，不合理或不稳定的张力会导致纤维缠绕构件强度损失20%~30%。理想的张力控制系统应该在缠绕过程中的提供稳定和可调的张力。
随着卷绕机的发展，张力控制器经历了机械张力控制器、电气张力控制器和计算机化三个发展阶段。随着电子技术的发展和高性价比微处理器的出现，计算机张力控制器开始投入使用。微过程成为控制系统的核心，从而减少了电子控制系统的电路数目，大大简化了系统，提高了系统的可靠性，使控制系统成为可能。 介绍先进控制方法的应用。因此，这种控制器被广泛使用。
一些发达国家的张力控制技术日趋成熟，规范也在不断完善。然而，与西方国家相比我国的纤维缠绕业起步较晚，而且仍在下降。
机械拉力器，精度低，响应慢，占穹顶应用张力器的主要部分，不能满足张力要求.。因此，本文提出了一个基于PLC的张力控制系统。
1系统结构
卷绕张力控制系统一般由三个主要部件组成，即开卷机、加工机和卷取机，也可包括测控部分、辅助运输部分。 设备和负载传感器。卷绕机和开卷机的类型可以是两种驱动类型之一，表面驱动或中心驱动。表面驱动是指卷轴或皮带设置在卷绕材料的表面，并通过摩擦产生驱动力。中心传动是在卷轴的中心轴上设置一个驱动机构，其中的直线速度和缠绕纤维的力随卷轴半径的变化而变化，导致所谓的“卷轴厚”。卷厚现象使张力控制变得非常复杂，但是，中心驱动方式由于其广泛的适用性而得到了广泛的应用。
2张力控制方案设计
该系统采用中心驱动和外拉光纤配置方案.。由于交流数字伺服电机的输出转矩与光纤张力和s成正比。 克罗尔半径，输出力矩应为滚动半径减小获得恒定的张力降低。滚动半径的变化可由半径跟踪装置测量，采样半径的变化通过模拟数字转换器发送给PLC。通过读取期望的张力值，用预先计算的算法计算出半径和张力。 发出速度指令和转矩限制指令，并将数模转换为输出模拟电压信号，以控制伺服驱动器。伺服驱动器控制转速和输出扭矩以控制光纤张力。伺服电机的转速和转矩由脉冲编码器和霍尔元件测量，并反馈给t。 可编程序控制器(PLC)系统组成一个闭环系统。
系统的主要组件包括：
（1）松下可编程控制器(FP0-C10RS)、12位FP0-A80和FP0-A04V辅助转换模块。
（2）松下交流数字伺服驱动器及伺服电机。
（3）一种半径跟踪装置，包括半径跟踪臂和旋转电位器.
3数学模型
纤维缠绕过程中需要对纤维张力进行有效的控制。由于芯模形状和缠绕形状的通用性，纤维的线速度很难保持恒定。 变分原理极其复杂。因此，在对被控对象进行力学分析时，应考虑速度对拉力的影响。以功能模块为控制核心的PLC，通过PLC与上位机的串行通信，从人机界面上实现所需的张力。系统的半径值输入、转矩反馈和速度反馈、预置计算算法的运行和系统输出由PLC完成，具有功能模块。
当考虑开卷机时，动态转矩平衡方程可表示如下：
M (t ) = J (t )omega; ( t ) J(t ) omega; ( t ) TR ( t ) M f M 0 (1)
其中T是纱线张力，R(T)是实时滚动半径，M(T)是交流伺服电机的阻力力矩，MF是粘滞摩擦力矩，omega;(T)是涡旋的角速度， J(T)是卷轴和纱线的转动惯量，M0是摩擦力矩。
如方程式(1)所示，卷轴半径、阻力力矩、卷绕机角速度和涡旋转动惯量都是时间的函数，因此系统是一个复杂的机械臂。
采用经典控制理论对转矩平衡方程进行了适当的简化，其基本规律如下：
（1）摩擦力矩和粘性摩擦力矩很小，可以忽略。
（2）由于瞬时惯量变化很小，可以忽略J(T)omega;(T)对张力的影响。
（3）滚动半径由半径跟踪装置实时测量和反馈。
公式(1)然后被简化为
TR (t ) = M (t ) J ( t ) omega; ( t ) (2)
因此，涡旋直径和卷轴角速度的变化是影响纱线张力的主要因素。
4涡旋半径的补偿
涡旋半径的变化引起滚动力矩的变化，即方程中TR(t)的变化。半径的一端跟随臂接触卷轴，另一端通过齿轮放大结构连接到旋转电位器，从而将主轴半径的变化转化为电压变化。
因为Lgt;gt;AB，有以下几个
tantheta; = BC/OB
BC asymp; Rmax minus; R ( t )
OB = L
化简成
tantheta; = (Rmax minus; R ( t ))/L
其中L是跟随臂的半径长度，Rmax是滚动的最大半径，Rt是最大半径。
假设齿轮传动比为i，则小齿轮的角为phi;=itheta;。
换为电位：
U =US/phi;S*phi;
其中U是旋转电位器的输出电压，Us是电位器的旋转电源电压，phi;S是旋转电位器的总角。
5系统的软件开发
软件开发充分利用了FP0-C10RS的功能、数字模拟I/O模块、PC机的硬件和软件资源。
模拟-数字或数模转换的精度取决于模拟-数字转换器和数模转换器的位数。FP0-A80和FP0-A04V均为12位，t 当输出和输入范围为-10V-10V时，分辨率为1/4000，而FP0为16位，从而保证了系统的控制分辨率。每条基本指令的运算速度为0.9mu;s/阶，500步程序只需0.5 ms，fp0-a80和fp 0-a40v的转换速度均为1 ms/通道，因此控制系统的速度得以实现。利用PLC梯形图开发了整个控制程序.。然而，参数的输入并不直观，实时显示也不直观。 张力和滚动半径。为了解决这一问题，开发了一个上位机控制程序，在上位机上进行实时张力，速度和滚动半径的参数输入。 所有FP PLC支持的编程端口开放MEWTOCOL协议。上位机以ASCLL字符串的形式向PLC发送命令。然后PLC根据命令自动返回响应。
该系统的输入受半径跟踪装置反馈的电压、交流数字伺服电机的转矩反馈和速度反馈的影响。系统输出为交流数字伺服电机转矩和速度电压.张力控制系统的软件控制整个流程。
6仿真和实验结果
通过对实际工作环境的仿真，对实际绕组状态下的张力控制进行了实验研究，验证了其可行性和控制精度。当张力设定为10 N时，在模拟和实验条件下，可以得到近似恒定张力的恒张力曲线，如图4和图5所示。为了了解交流伺服电机在张力变化时的工作状态，张力从5N变化到10N，其变化曲线如图6和图7所示。 在超调和波动较小，响应时间小于0.3 s的实验条件下。
张力波动率是否满足要求是评价所设计张力控制系统性能的关键指标。在补偿后，制定了初始纱线张力。然后对实际张力进行测试，找出最大张力和最小张力。张力波动率delta;lsquo;的计算公式如下：
delta;#39; =（Tmax minus; Tmin）/T*100%
7 结论
仿真和实验结果表明，该系统以PLC为核心，以交流数字伺服电机作为执行元件，采用半径跟踪装置进行半径补偿的方法是可行的。系统的特点包括：
（1）以松下FP系列PLC和功能模块为控制核心.。该系统体积小、集成度高、可靠性高、控制性能好、成本低等优点。 结构紧凑，可靠性高，精度高。
（2）由于伺服电机具有相同的功能，可以省去收纱装置。
（3）模块化软件设计有利于客户的拓展和二次开发。
（4）松下FPWIN_GR软件的友好编程环境封装了在线编程的能力.。参数可以在线改变，控制效果也可以看到。
可编程控制器技术
引言
PLC（可编程逻辑控制器）实际是一个工业控制系统（近来我们看到更多的是用处理器来取代微控制器），在软件和硬件都配备的条件下，适合应用于工业环境。PLC的发明是相当必要的，它代替了传统的依靠由继电接触器电路来控制电机。PLC的工作原理是根据它的输入信号和工作状态来确定输出。用户通常是通过软件或编程输入一个程序，来输出所需要的结果。
如图8-1所示，PLC是由典型的黑色构件组成。特别需要注意的是它的输入和输出，因为在这些模块上，工业环境会给CPU一个输入线，所以很有必要将CPU模块隔离以保护其免遭有害的影响。程序单元通常是用计算机来编写程序（一般是梯形图）。
1.1 CPU的中央处理单元
中央处理单元（CPU）是一个PLC的主控制器。一般CPU本身是一个微控制器。通常这些都是8位微控制器，如8051 ，现在的这些是16位和32位微控制器。潜规则是，你会发现用在PLC控制器上的微控制器多数是由日本生产的日立和富士通，欧洲的西门子控制器，和美国的摩托罗拉微控制器。CPU也负责通讯，与PLC控制器的其它部分相互联系，如程序执行，内存操作，监督输入和设置输出。PLC控制器拥有复杂的程序用于内存检查，以确保PLC内存不被损坏（内存检查是为了安全原因而作出的）。一般来说，CPU单元多数用来检查PLC控制器本身，所以有可能出现的错误很早就会被发现。你可以简单地看任何PLC控制器,查看错误信号在发光二极管上的种种指示形式。
1.2 内存
系统内存（今天主要是在FLASH技术上实现）用于一台PLC的过程控制系统。除了这个操作系统它还包含用户程序将梯形图翻译成二进制的形式。 FLASH存储器的内容仅在用户程序改变下可以改变。PLC控制器较早被用来代替闪存，EPROM存储器代替了那些只能依靠紫外线灯等擦除内存并依靠程序员来编程的FLASH存储器。在FLASH技术的作用下这个过程被大大的缩短了。重组程序内存通过程序中的串行通讯用于应用程序开发。使用内存被划分成多个具有特殊功能的模块。存储器某些部分用来存储输入状态和输出状态。一个输入信号的实际状态是用1或0存储在一个特定的存储位。每一个输入信号和输出信号在内存里都有一个位与之相对应。内存的其他部分用来存储用户程序中使用的变量以及变量的内容。例如，定时器的值和计数器的值都将被存储在这部分内存里。
1.3 PLC控制器的编程
PLC控制器可以通过计算机（常用的方式）进行编程，还可以通过手动编程器（控制台）编程。这实际上意味着如果你有需要的编程软件那么每个PLC控制器都可以通过计算机进行编程。今天的传输计算机是非常适合在工厂对PLC控制器进行编程的。这对工业有着非常重要的意义。一旦系统被刷新，重新读取正确的程序到PLC就很重要。还可以定期检查PLC中的程序是否改变了。这有助于避免在工厂车间发生危险状况（部分汽车制造商建立了通信网络，定期检查项目中的PLC控制器，以确保执行的程序是正确的）。几乎每一个编程PLC控制器的程序都具备各种有用的选项，如：强制开关系统的输入/输出（I / O线），程序实时跟踪和记录图。这个记录对于理解，检查错误和故障都是很有必要的。程序员可以添加标记，输入或输出设备名称，当发生故障或者系统维护时，注解都很有帮助。添加注释和标记可以使技术人员（不仅仅是开发人员）马上明白梯形图。如果需要更换零件，注释和标记甚至可以准确地引用零件号码。这将加快由于损坏零件而引起的任何问题的修理速度。传统方式中，开发系统的人必须保护这个程序，除了这个人没有人能理解它是如何完成的，所以正确记录的梯形图可使任何技术人员都能彻底理解系统的功能。
1.4 电源
供电是将电能供给中央处理单元。大部分PLC控制器是在24V直流或220V交流电下工作。某一些PLC控制器，它的电源是作为独立的模块。这些通常是更大的PLC控制器，而中小型系列已经包含电源模块。用户必须确定I/O模
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