玻璃拉边机控制系统改进与设计

引言

随着我国浮法玻璃技术的不断发展,生产浮法玻璃的厚度已发展至3m~12mm。传统的浮法玻璃拉边机已不能满足生产的需要,所以,研制新型浮法玻璃拉边机已成为当务之急。

本文在介绍现有拉边机工作原理的基础上,对已有拉边机功能的缺陷进行分析,提出了解决方案并加以改进实施。

1玻璃拉边机的结构组成及工作原理

拉边机是用于浮法玻璃生产线锡槽内生产平板玻璃时控制玻璃成型过程的专用设备。在玻璃成型过程中,对玻璃板起到节流、拉薄或积厚、控制玻璃厚度和走向的作用。浮法生产线上现在使用的设备一般都为手动或者半自动式的简易拉边机,主要是凭借工人的经验来操作,稳定性差,精度低,这些缺点已经严重制约了玻璃产量和质量的提高。

图1是玻璃拉边机的结构示意图。

单台拉边机的设计原理:拉边机采用一个主机,主机的安装位置在拉边机机身轨道上,安放的模式为小车模式,机身的前端进行了位置固定,固定在回转轴与锡槽的钢结构上,机身可沿锡槽方向运动。拉边轮的进伸运动主要依靠齿轮、齿条传动来实现。升降机构被安装在小车下面,依靠蜗轮蜗杆传动、导柱完成垂直升降运动。平面倾角机构被安装在升降机构下方,为了更好地实现平面倾角运动,该机构主要通过蜗轮蜗杆及丝杆丝母来操作。拉边机后端被安装在钢结构轨道中,为了更好地实现拉边轮的左右摆角运动,该部分主要通过齿轮、齿条传动来操作。电控系统采用嵌入式触摸屏控制技术,可编程序控制器作控制中枢,配以~ProfBus总线技术,其控制方式有远程和本地。

浮法玻璃生产对拉边机的工艺要求:速度无级可调,调节范围广,能满足生产多种规格厚度玻璃的要求:速度波动小:拉边轮不侵蚀玻璃,不粘玻璃,对玻璃带的啮合效率高,拉边轮与玻璃带的啮合点可根据生产玻璃宽度、速度和拉边机位置的不同,在一定范围内任意调节。

图2、图3分别为生产厚、薄玻璃时的拉边机放置示意图。

2拉边机的控制要求分析

玻璃拉边机的触摸屏控制系统硬件组成简图如图4所示,主要由被控对象拉边机、测量装置、执行机构、输入/输出通道和带操作系统的触摸屏微机组成。

在大型的玻璃生产线上,浮法玻璃拉边机控制系统要求能够实现拉边机正常工作所需要的信号检测、动作执行、故障诊断与处理能力,并且具有友好的人机交互界面,能够实现本地和远程控制,满足单控和群控对控制系统的要求,并且至少能够保证两台(一对)拉边机之间协同工作。

玻璃拉边机的控制要求如下:

(1)机杆径向跳动不高于0.2mm:

(2)调速范围较大:

(3)水平进伸机构移动范围较大:

(4)两台拉边机支持对称定位操作:

(5)各种操作都能本地和远程数字显示。

2.1拉边机控制方案

使用同步电机(图5)成对控制拉边机,每对拉边机由一台变频器拖动控制,为了检测拉边机头轮的转速是否在规定范围内,在拉边杆的末端设有一个测速编码器,用于检测拉边杆的转速。

2.2厚度控制

玻璃拉薄的原理:首先,需要使得玻璃液产生速度差,产生速度差的方法是要求锡槽内的主传动和拉边机转速不一致,然后,按照标准要求给玻璃带横断面拉力,最后就可以获得所需要的玻璃拉薄效果。

压力和厚度是呈反比例的关系,压力越大,玻璃厚度越薄:反之,玻璃厚度越厚。调节压力的方法有:

(1)调整拉边机机头轮转速:

(2)增大或减小拉边机角度。

具体控制机理如图6所示。

玻璃承受的拉力Fc(V一W),当W减小,则拉力F相应提高,玻璃厚度减小,W和玻璃厚度呈现出正比例的关系:而当增大拉边机角度。时,玻璃厚度变薄。

在锡槽中的玻璃液,温度是不同的,中部温度远远高于边部温度,呈现出一种温度差,拉边机先作用于边部,接下来继续作用于中部,但是压力的数值会逐步减小。因此,在实际控制过程中,根据厚度检测系统检测到的玻璃实际厚度数据,经过运算得到应该改变的角度和转速数据,控制装置会自动调整拉边机的角度。和转速,使玻璃板中部与边部的厚薄差变小,从而达到控制玻璃厚度均匀,生产出符合厚度要求的玻璃的目的。

2.3工艺操作和控制优先级

在拉边机生产现场,为确保各项工序的顺利完成,采用了优先级切换的操作单元,同样,这种方法也运用于远程控制室中。在机体上,根据实际工作的需求,安装具有实时数据显示功能的操作按钮箱,同时对其设置一级优先级切换。在远程控制室中,采用功能强大的上位计算机和控制面板。数据传输采用电缆来实现,使得五个可调节运动的检测参数全部被传送至计算机中,控制面板可以调整各参数。

2.4电气控制系统方案

根据设备加工生产工艺的要求和其本身的特点,制定出如下符合要求的电气控制方案:在选择实现电机位置反馈的传感器时,根据实验结果,采用绝对值编码器:对所有拉边机实行网络化管理与控制:所有位置调整的驱动电机都带有电磁制动功能:设置完善的安全保护措施:选用PLC,其主要的功能是管理拉边机的运行。

2.5电气控制系统网络构成

远程控制可以实现设备现场实时数据的反馈监控和指令操作。如图7所示,电气控制系统大致可以分为两个层次:一层是多点传输协议网MPI,用于将设备生产现场控制每对拉边机的各台PLC跟远程控制室的上位计算机相连:另一层是ProfiBus一DP,它是开放式的工业现场总线,其核心作用是管理变频器的运行,主要依靠拉边机的PLC来完成这项操作,同时,还需要动态化监管绝对值编码器的情况,同时反馈给触摸屏上的软件控制应用程序,并接收程序所发出的决策指令。绝对值编码器有断电保护功能,能在下次上电时准确记录上次掉电时各编码器所在的数值状态。

3控制系统硬件选型

伺服电机的选择:本系统单台拉边机需要3台伺服电机来分别控制机杆进伸、机杆压伸和水平摆脚机构的运动。考虑到系统稳定性和控制精度的要求,最终选择了松下伺服电机MADDT1205003。

步进电机的选择:步进电机用来控制机杆的垂直升降运动,由于机头轮的垂直升降应平稳,且不能发生过冲现象,本系统选用的是型号为RK596BC一H50的步进电机。本次控制系统单台整机主要相关硬件选型如表1所示。

4总体模块框架

根据拉边机的控制要求和功能分析,本系统的软件模块结构如图8所示,应用程序界面可分为以下四个模块:参数设置模块、机身调节控制模块、自动运行模块和系统监控模块。

5系统测试

正交脉冲编码(0EP)电路主要用于采集伺服电机的光电编码器检测到的脉冲信号个数,从而确定当前的位置状态。本文所述控制系统所用的伺服电机,分辨率为2000线,即电机主轴转一圈,光电编码器将输出2000个脉冲信号。为了保证0EP电路采集到的光电编码器的脉冲个数能准确反映电机的转动位置,要求采集电路的频率要高于电机产生脉冲的频率。假设电机以2400r/m的高转速运转,那么每秒转动40圈,产生的脉冲数为40x2000=80000个,则0EP电路采集的频率不能低于80kHz,中断采集的周期不大于1/80000=12.5μs。测试表明,0EP读取编码器数据的周期比编码器产生数据的周期短,保证了光电编码器产生的脉冲数据全部都能读到,从而能够精确反馈当前主轴的位置状态。

6结语

本系统的设计没有采用基于触摸屏的软PLC技术,软PLC是一种基于工业控制计算机或嵌入式PC的软逻辑控制软件,它是将PLC功能集成到触摸屏控制器上的方法,即利用触摸屏控制器实现软PLC功能。采用这一技术还可省掉触摸屏和PLC之间通信占用的时间,大大提高系统效率,并减少系统的安装调试成本。因此,结合个人计算机或工控触摸屏开发具有开放式网络功能的PLC将成为未来PLC技术发展的主要方向,也是浮法玻璃拉边机控制系统开发的一个发展方向。在本文的浮法玻璃拉边机控制系统设计中,集成了带操作系统的触摸屏技术,而应用软PLC技术的高集成度控制系统也必将成为未来玻璃生产领域控制产品发展的一种趋势。