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PU管卷绕系统的设计,PU,卷绕,系统,设计
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编号无锡太湖学院毕业设计（论文）相关资料题目： PU管卷绕系统的设计 信机 系 机械工程及自动化专业学 号： 0923187学生姓名： 任 斌 指导教师： 潘国锋 （职称：副教授 ） （职称： ）2013年5月20日目 录一、毕业设计（论文）开题报告二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目： PU管卷绕系统的设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923187 学生姓名： 任 斌 指导教师： 潘国锋（职称：副教授 ） （职称： ）2012年11月14日 课题来源近年来，卷绕系统在产品生产过程中的应用越来越普遍，尤其是在纺丝及纺纱过程中的应用更为广泛。世界上对卷绕系统的研究相对较早，例如：海伦卷绕机在缆绳卷绕过程中的使用、美国LEESONA公司生产的MODEL 940型的卷绕机在高强聚乙烯纤维生产过程中的使用等等。此外，在非织造布产品开发研究方面，如“自动卷绕空气过滤的化纤滤材”中卷绕系统的使用。由于这些材料都比较细，且没有张力，在设计及制造自动卷绕设备时都是比较容易的。这与PU管卷绕系统的设计也有相似之处。但对于PU管，这种在温度不同时有伸缩，外径不同张力不同的气动管来说，设计卷绕系统时就要考虑到好多的问题，还有最终的脱卸。所以目前来说国内几乎没有公司拥有自动卷绕PU管的设备。 为了能够提高产品的生产效率，实现更快捷的服务，用最优质的材质及组件来设计PU管自动卷绕系统，十分必要。科学依据（包括课题的科学意义；国内外研究概况、水平和发展趋势；应用前景等）（1）课题科学意义本课题主要研究了PU管在一定的卷装形式下卷绕到筒管上的系统过程。从而设计了一台新型卷绕机械。主要功能是实现PU管在卷绕机上按照一定的卷绕角，逐层、密排成螺旋线形的圆柱形卷装筒子，工艺上要求卷绕应满足卷绕参数：设计硬件的参数，设计软件的参数，卷装动程的变化要求，并设计具有速度调节性能，整机实现全自动化。充分利用PLC控制系统设计的方法，研制了一台基于PLC自动控制功能的PU管卷绕机，为新型卷绕机械从机械式到基于PLC自动控制功能式的转变提供了一定的参考价值。（2）卷绕机的研究状况及其发展前景近几年我国PU管行业发展速度较快，受益于PU管行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大，PU管行业在国内和国际市场上发展形势都十分看好。虽然受金融危机影响使得PU管行业近两年发展速度略有减缓，但随着我国国民经济的快速发展以及国际金融危机的逐渐消退，我国PU管行业重新迎来良好的发展机遇。进入2010年我国PU管行业面临新的发展形势，由于新进入企业不断增多，上游原材料价格持续上涨，导致行业利润降低，因此我国PU管行业市场竞争也日趋激烈。面对这一现状，PU管行业业内企业要积极应对，注重培养创新能力，不断提高自身生产技术，加强企业竞争优势，于此同时PU管行业内企业还应全面把握该行业的市场运行态势，不断学习该行业最新生产技术，了解该行业国家政策法规走向，掌握同行业竞争对手的发展动态，只有如此才能使企业充分了解该行业的发展动态及自身在行业中所处地位，并制定正确的发展策略以使企业在残酷的市场竞争中取得领先优势。研究内容熟悉PU管生产过程的规律，有一个总体的构思； 设计一款新型卷绕机，描述其运行过程和其实现的功能；掌握台达变频器和S7-200型PLC的用途； 利用所学知识，选取各设备器件，进行PU管卷绕系统的硬件设计和软件程序设计； 通过调试，能够实现运行。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析(l)基于卷绕机两种不同工艺方案的比较，选用电机直接驱动卷绕轴进行PU管卷绕的卷取方式，设计了卷取装置的具体机构：对比了现有卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构优劣，相比之下螺旋副的体积小，质量轻，结构简单，且易实现往复运动，这台小型卷绕机提出了采用螺旋副导丝方式，设计了卷绕机往复成行装置的具体机构。(2)在分析筒管管卷绕机控制功能要求的基础上，提出了基于PLC的控制系统的解决方案。既保证卷绕机工作的可靠性，又便于今后功能的扩充和改进。(3)为了便于实现复杂的控制要求，选择触摸屏作为控制系统的人机界面，对卷绕机控制系统实时监控。(4)完成控制系统硬件设计和软件设计，以及控制系统的软件、硬件的现场试验和调试。研究计划及预期成果研究计划：2012年10月12日-2012年12月25日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书。2013年1月11日-2013年3月5日：填写毕业实习报告。2013年3月8日-2013年3月14日：按照要求修改毕业设计开题报告。2013年3月15日-2013年3月21日：学习并翻译一篇与毕业设计相关的英文材料。2013年3月22日-2013年4月11日：卷绕机控制系统设计。2013年4月12日-2013年4月25日： MATLAB程序设计。2010年4月26日-2010年5月21日：毕业论文撰写和修改工作。预期成果：采用了新型的卷绕机，对生产效率有了大大提高了，降低了缺陷产品率和废品率。特色或创新之处对比了现有卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构优劣，相比之下螺旋副的体积小，质量轻，结构简单，且易实现往复运动，这台小型卷绕机首次提出了采用螺旋副导丝机构。设计了卷绕恒线速PID控制方法，并在其中引入了部分微分和输出限幅的控制，增加了系统的稳定性，取得了比纯粹的PID控制更好的效果；卷绕横动装置三角波的调节降低了叠丝、凹凸肩等瑕疵的形成。采用触摸屏实现了控制系统的实时监控，有效地提高了控制系统设计的效率，并大大改善了控制系统的各项性能指标。已具备的条件和尚需解决的问题本文虽然对系统的硬件设计做了介绍，但还需要在实际中进一步完善，如传感器的选取、检测模块的制作等。在控制方法上，虽然采用了模糊PID控制方法，但由于作为一种新兴的控制方法，本身还存在一些待解决的问题，因此还需要进一步的研究和采用更加有效的控制方法。指导教师意见 指导教师签名：年 月 日教研室（学科组、研究所）意见 教研室主任签名： 年 月 日系意见 主管领导签名： 年 月 日 存档编码：无无锡锡太太湖湖学学院院 2013 届届毕毕业业作作业业周周次次进进度度计计划划、检检查查落落实实表表 系别：信机系 班级：机械94 学生姓名：任斌 课题（设计）名称：PU管卷绕系统的设计 开始日期：2012年11月12日周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注1-32012年11月7日-2012年11月27日教师下达毕业设计任务，学生初步阅读资料，完成毕业设计开题报告。按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书存在问题：对课题理解程度不够，对其难点分析不够，分析能力欠缺。改进方法：在指导老师的帮助下，对课题有较深的了解。4-82012年11月28日-12月31日指导专业实训机械设计综合实训存在问题：机械部件设计不够完善，缺少经验。改进方法：了解机械设计的详细过程。9-102013年1月9日-2月12日指导毕业实习相关机械制造厂实习，了解本专业的实践知识存在问题：没有实习实训的经验，无法将课本知融会贯通。改进方法：认真参与工作，虚心求教。112013年2月13日-2月17日查阅参考资料查阅与设计有关的参考资料不少于10篇，其中外文不少于5篇存在问题：查阅资料相关度小，无法满足要求。改进方法：利用空余时间，去图书馆查找相关资料，在网上查找相关文献。122013年2月20日-2月24日翻译外文资料翻译机械方面的外文资料存在问题：专业英文水平较低，无法正确翻译专业词汇。改进方法：借助一些翻译软件、专业字典帮助翻译提高翻译准确性性。132013年2月27日-3月2日国内外发展情况通过查阅大量的资料，了解卷绕机在国内外的发展状况存在问题：卷绕机国内外的发展状况的相关资料比较少。改进方法：走访调查各个卷绕机厂家，并作相关记录。142013年3月5日-3月9日本课题的研究内容及意义构思论文的结构、主研究对象和产生的意义存在问题：整个结构大致框架的设计以解决，但内容细节部分的表述还不够清楚。改进方法：求教指导老师，请老师知道文章的具体结构框架的设计。152013年3月12日-3月16日机械结构的方案设计表述机械结构中各个元件实现的功能存在问题：机械结构安装布局不合理，导致工作效率下降。改进方法：调整安装方案，简洁明了。162013年3月19日-3月23日硬件的选型了解各种硬件型号的不同点，通过比较，选择性价比较高且能实现预期结果的硬件，包括：电机、PLC、变频器等等存在问题：部分硬件的型号比较多，纷繁复杂，难以取舍。改进方法：详细阅读说明书，综合比较，选出最佳硬件。周次起止日期工作计划、进度每周主要完成内容存在问题、改进方法指导教师意见并签字备 注172013年3月26日-3月30日绘制机械结构图绘制往复成型装置结构图和卷绕装置结构图存在问题：标注尺寸不全，无图纸标号。改进方法：检查标注，补全图号。182013年4月2日-4月6日控制系统的方案设计设计控制系统中各个电器元件的组成情况，表述各个电器元件实现的功能存在问题：电路设计不准确。改进方法：求教指导老师，请老师指正。192013年4月9日-4月13日绘制电气控制系统图绘制电器原理图、电气安装图、框图存在问题：对电气控制系统图概念不是很了解。改进方法：查阅资料及所学课本，完成图形地绘制。202013年4月16日-4月20日学习仿真工具自学MATLAB软件存在问题：未涉及过MATLAB仿真工具。改进方法：向电信班同学求教，购买MATLAB相关资料。212013年4月23日-4月27日控制系统的仿真利用MATLAB软件对控制系统进行仿真存在问题：无法提出仿真模型。改进方法：仔细阅读本论文内容，从新理清思绪，提出仿真模型。222013年4月30日-5月4日设计说明书（论文）、摘要和小结编写完成设计说明书（论文）、摘要和小结存在问题：说明书的格式不规范，摘要不合理要求等。改进方法：根据毕业设计的规范要求更改，重新按要求编写摘要。232013年5月7日-5月11日修改设计说明书（论文）格式修改设计说明书开题报告格式存在问题：附录格式不规范，摘要英文不合理要求等。改进方法：根据毕业设计的规范要求更改。242013年5月14日-5月18日上交资料、准备答辩整理所有资料，打印后上交，准备答辩按学院要求整理并装订252013年5月21日-5月25日 说明： 1、“工作计划、进度”、“指导教师意见并签字”由指导教师填写，“每周主要完成内容”，“存在问题、改进方法”由学生填写。 2、本表由各系妥善归档，保存备查。编编 号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目： PU 管卷绕系统的设计管卷绕系统的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业学 号： 0923187学生姓名： 任 斌 指导教师： 潘国锋 （职称：副教授） （职称： ）2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚 信信 承承 诺诺 书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） PU 管卷绕系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923187 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I无无锡锡太太湖湖学学院院信信 机机系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书一、题目及专题：一、题目及专题：1、题目 PU 管卷绕系统的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 近年来，卷绕系统在产品生产过程中的应用越来越普遍，尤其是在纺管及纺管过程中的应用更为广泛。世界上对卷绕系统的研究相对较早，例如：海伦卷绕机在缆绳卷绕过程中的使用、美国 LEESONA公司生产的 MODEL 940 型的卷绕机在高强聚乙烯纤维生产过程中的使用等等。此外，在非织造布产品开发研究方面，如“自动卷绕空气过滤的化纤滤材”中卷绕系统的使用。由于这些材料都比较细，且没有张力，在设计及制造自动卷绕设备时都是比较容易的。这与 PU 管卷绕系统的设计也有相似之处。但对于 PU 管，这种在温度不同时有伸缩，外径不同张力不同的气动管来说，设计卷绕系统时就要考虑到好多的问题，还有最终的脱卸。所以目前来说国内几乎没有公司拥有自动卷绕 PU 管的设备。 II 为了能够提高产品的生产效率，实现更快捷的服务，用最优质的材质及组件来设计 PU 管自动卷绕系统，十分必要。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求：合理安排论文的框架结构，确定本课题的主要研究方向； 设计出一款新型的 PU 管卷绕机， 包括：机械结构部分的设计和、控制系统的设计及其实现的功能； 硬件的选型要合理，例如：电动机、变频器、PLC 等，在选型前，应详细阅读各个型号硬件的说明书，选择出最佳的硬件； 设计 PU 管卷绕系统的控制系统，包括：硬件系统和软件系统； 利用 MATLAB 工具对控制系统进行仿真，验证本设计的合理性。四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 94 班班 姓名姓名 任 斌 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期：自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师指导教师签名签名 签名签名 签名签名教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所III所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名2012 年年 11 月月 12 日日III摘摘 要要 近年来，国内外市场对 PU 产品的需求呈现快速增长的趋势，对产品的层次要求也逐步提高。PU 管卷绕是生产过程中的最重要环节之一，卷绕控制系统性能的优劣直接关系到 PU 产品的产量和品质。目前，国内大量生产企业存在设备陈旧落后、生产率低下、产品品质跟不上市场脚步等问题。进口设备价格昂贵，生产中维护成本较高，因此，开发具有自主知识产权的新型卷绕设备己经成为业界的迫切需要。随着科学技术的不断发展，可编程控制器（PLC）技术的出现，对国内外卷绕机行业的发展起到了极大的推动作用。可编程控制器(PLC)作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定、可靠、抗干扰能力强。另外，在控制系统中，接入变频器、采用改变电机频率的方法进行电机速度调整，可以对卷绕设备进行无级调速，具有噪音低、速度变化平滑等优点。然而卷绕控制系统应用 PLC 控制技术并不成熟。因此，针对 PLC 技术的研究显得尤为重要。本课题就是在这样的背景下，对卷绕机进行了深入的研究，设计出了新型的卷绕控制系统。并利用 MATLAB 仿真工具对控制系统进行了仿真，得到了理想的结果，证明了本系统的良好控制效果。关键词：关键词：PU 管；卷绕机；PLC；变频器；MATLABVIAbstract In recent years， domestic and foreign market presents the fast growth the tendency of the demand for PU products， but also to gradually increase the level requirements for the product. PU pipe winding is one of the most important link in the production process， the winding control system performance is directly related to the yield and quality of PU products. At present， a large number of domestic production enterprises have obsolete equipment backward， low productivity， product quality can not keep up the pace of the market etc. The price of the imported equipment is expensive， high cost， maintenance production therefore， new winding equipment with independent intellectual property rights has become the urgent need for industry. With the development of science and technology， the programmable logic controller (PLC) technology， the development of domestic and foreign winding machine industry has played a great role in promoting. Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system， powerful， stable performance， reliable， strong anti-interference ability. In addition， in the control system， access， by changing the motor frequency converter for motor speed adjustment， stepless speed regulation is carried out on the winding equipment， has the advantages of low noise， smooth speed change etc. However， the winding control system using PLC control technology is not mature. Therefore， the study of PLC technology is particularly important. This topic is in this background， has carried on deep research to the winding machine， design a new type of winding control system. And the control system is simulated by using MATLAB simulation tool， obtained the ideal result， proved the good control effect of the system. Keywords: PU; winding machine; PLC; inverter; MATLABVII目目 录录摘 要.IIIABSTRACT.VI目 录.VII1 绪论.11.1 本课题的研究内容和意义.11.1.1 本课题研究的内容.11.1.2 本课题研究的意义.11.2 国内外的发展概况.21.2.1 PU 管的发展概况.21.2.2 卷绕机的发展概况.31.3 本课题应达到的要求.32 卷绕系统方案的总体设计.52.1 PU 管卷绕系统的构成.52.2 卷绕机机构部分的设计.62.2.1 往复成形装置的设计.62.2.2 往复运动装置传动结构的设计.62.2.3 往复成形装置驱动元件的选择.72.2.4 卷取装置的设计.82.2.5 卷取装置驱动元件的选择.92.3 卷绕控制方法的设计.92.3.1 控制方法选择.92.3.2 模糊 PID 控制器的设计.102.3.3 输入输出量的模糊化.112.3.4 确定模糊控制规则.112.3.5 模糊推理及非模糊化.112.4 本章小结.123 控制系统方案的设计.133.1 控制系统的硬件设计.13VIII3.1.1 PLC 的选型.133.1.2 变频器的选型.143.2 控制系统电器原理图的设计.153.2.1 控制电路的设计.163.2.2 I/O 地址分配表.173.2.3 I/O 接线图.173.3 电机变频调速系统的设计.183.4 软件系统的设计.193.5 本章小结.224 系统的仿真.234.1 仿真工具的介绍.234.1.1 Matlab 语言简介.234.1.2 Simulink 建模方法.234.2 控制系统的仿真.244.3 本章小结.265 结论与展望.275.1 结论.275.2 不足之处及未来展望.27致 谢.29参考文献.30PU 管卷绕系统的设计11 绪论绪论 近年来，卷绕系统在产品生产过程中的应用越来越普遍，尤其是在纺管及纺管过程中的应用更为广泛。世界上对卷绕系统的研究相对较早，例如：海伦卷绕机在缆绳卷绕过程中的使用、美国 LEESONA 公司生产的 MODEL 940 型的卷绕机在高强聚乙烯纤维生产过程中的使用等等。此外，在非织造布产品开发研究方面，如“自动卷绕空气过滤的化纤滤材”中卷绕系统的使用。由于这些材料都比较细，且没有张力，在设计及制造自动卷绕设备时都是比较容易的。这与 PU 管卷绕系统的设计也有相似之处。但对于 PU 管，这种在温度不同时有伸缩，外径不同张力不同的气动管来说，设计卷绕系统时就要考虑到好多的问题，还有最终的脱卸。所以目前来说国内几乎没有公司拥有自动卷绕 PU 管的设备。 为了能够提高产品的生产效率，实现更快捷的服务，用最优质的材质及组件来设计PU管自动卷绕系统，十分必要。1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义1.1.1 本课题研究的内容本课题研究的内容 卷绕控制系统在许多制造业领域中有着非常广泛地应用。早期的卷绕机构多采用一个主动电机，现在的卷绕控制系统已经步入了具有半反馈或全反馈的全自动控制阶段。由于卷绕控制系统多采用程序控制方式，不具有很高的智能性，并且这些控制系统仍然是主要分别对收、放卷电机进行控制，而未太多考虑这两部分的同步性能对整体运行的影响，并未完成同步卷绕控制，无法更好提高产品生产的质量。由于卷绕系统具有许多非线性时变等特点和对恒线速度或张力等特别的性能指标，且整个系统包含两个驱动电机进行协调工作才能保证生产质量，因此采用全自动卷绕控制策略是今后发展的必然方向。本课题主要研究了 PU 管在一定的卷装形式下卷绕到筒管上的系统过程。从而设计了新型的卷绕控制系统。主要功能是实现 PU 管在卷绕机上按照系统设定的卷绕方式，逐层、密排成螺旋线形的圆柱形卷装筒子。工艺上要求卷绕应满足卷绕参数：设计硬件的参数，设计软件的参数，卷装动程的变化要求，并设计具有速度调节性能，整机实现全自动化。充分利用 PLC 控制系统设计的方法，研制了一台基于 PLC 自动控制功能的 PU 管卷绕机，为新型卷绕机械从机械式到基于 PLC 自动控制功能式的转变提供了一定的参考价值。1.1.2 本课题研究的意义本课题研究的意义自我国加入世界贸易组织(WTO)，致使国内卷绕机行业面临巨大的竞争压力。密切关注国际上卷绕机发展的新动向，改变国内卷绕机行业的竞争压力，已变得迫不及待。本课题就是在这样一个背景下，充分利用计算机技术、PLC 技术、变频技术，设计出高可靠性、高速、高效、节能、环保、自动化、连续化、智能化的新型卷绕机控制系统，以适应高性能、多功能、高技术含量的产品生产的要求。 在工业生产过程中，PU管卷绕机是重要的生产设备之一。它按照要求将PU管卷绕成不同规格的线盘。它要求卷绕紧密、美观，避免发生叠线，塌边等现象。本文设计的PLC控制系统，采取了“PC+PLC+变频器”的工作模式，使得卷绕系统运行平稳，控制精度高，并采用闭环张力控制使PU管拉力维持恒定，可以满足不同型号PU管的卷绕要求。无锡太湖学院学士学位论文21.2 国内外的发展概况国内外的发展概况1.2.1 PU 管的发展概况管的发展概况 PU 管是 POLYURETHANE TUBING 的英文简称，PU 管是气动行业首选的气动压力软管。PU 管按材料分为聚酯型 PU 管，聚醚型 PU 管；按使用要求和称呼不同分为 PU 空压软管，PU 夹管增强管，PU 工业软管，PU 钢管伸缩管，PU 螺旋管，PU 伸缩管，PU弹簧管，PU 夹管管，PU 编织管，PU 网纹管，PU 单管，PU 直管。图 1.1 PU 管 PU 管性质： （1）透明管具有较高的透明度，介质流动的状态清晰可见。 （2）采用高回弹性聚氨酯原材料制造；使得气动管具有较小的弯曲半径，更容易安装。 （3）耐黄变达到 3 级以上，不易变黄。 （4）颜色管采用进口耐候的色粉，所制造的颜色管颜色标准、鲜亮，长久工作不退色。 （5）采用在线管径控制系统，管径的公差控制在0.12mm 之内。 （6）采用 100%高物理性塑性聚氨酯弹性体（TPU）制造，恒定工作压力状态使用，寿命更长久。 （7）通过 SGS 认证和 ROHS 认证。 PU 管的用途：适用于工业、农业、食品、医药、土木工程、渔业、养殖业、园林灌溉等领域一般工作压力的液体输送。如：气动管、液压管、花园水管、输油、输水管道、石油勘探管、喷砂管、蠕动泵软管等。PU 管的特性:（1）耐油性能好，是天然橡胶耐油性能的 15-20 倍； （2）耐磨性能好，是天然橡胶耐磨性能的 30-50 倍； （3）耐老化性好，是天然橡胶耐老化性能的 5 倍； （4）耐扯断强度是天然橡胶的 3 倍； （5）具有高弹性、高伸长率、高强力； （6）阻尼性能好，内壁光滑，液体阻力小，液压损失少； （7）外观漂亮，软管弯曲半径小，无毒无味，耐冲击，耐疲劳，轻便灵活，其重量是橡胶软管的百分之三十至七十；PU 管卷绕系统的设计3（8）阻然性好，无毒无味。耐冲击、耐疲劳，安全可靠；1.2.2 卷绕机的发展概况卷绕机的发展概况 近几年我国 PU 管行业发展速度较快，受 PU 管行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大的影响，PU 管行业在国内和国际市场上发展前景广阔。虽然曾受金融危机的冲击，使得 PU 管行业近两年发展速度有所减缓，但随着我国国民经济的快速发展以及国际金融危机的逐渐消退，我国 PU 管行业又重新迎来了良好的发展机遇。进入 2013 年我国 PU 管行业面临新的发展形势，由于新进入企业不断增多，上游原材料价格持续上涨，导致行业利润降低，因此我国 PU 管行业市场竞争也日趋激烈。面对这一现状，PU 管行业业内企业要积极应对，注重培养创新能力，不断提高自身生产技术，加强企业竞争优势，于此同时，PU 管行业内企业还应全面把握该行业的市场运行态势，不断学习该行业最新生产技术，了解该行业国家政策法规走向，掌握同行业竞争对手的发展动态，只有如此才能使企业充分了解该行业的发展动态及自身在行业中所处地位，并制定正确的发展策略以使企业在残酷的市场竞争中取得领先优势。 卷绕机可以分为全自动卷绕机、半自动卷绕机以及手工卷绕机。其中手动卷绕机由于其效率低、投入的人工成本大等缺点而逐渐的被淘汰，而半自动卷绕机主要用于小批量的实验型生成，全自动卷绕机用于大量生成。下面列举半自动和全自动卷绕机设备的特点如下：半自动卷绕机具有隔膜张力连续可调，卷绕过程中电芯一致性好，设备操作简单，设备调试时间短，设备故障低，维护容易等优点，但同时也具有生成效率仍不能达到大规模生成的要求，造价相对贵等缺点。而全自动卷绕机采用的是 PLC 控制并且将数字交流驱动和张力传感技术相结合，实现卷绕过程中合理配置正负电容量以及实现精确的张力控制，但是相对的成本比较高，价格也相对昂贵，而且操作和结构都很复杂。近几年来，随着 PU 管的需求量增加，PU 管产业的快速发展，对 PU 管生产设备也提出了更高的要求，不仅仅对设备的制造工艺的复杂程度，生产设备的生产效率提出了更高的要求，而且能够设计一款更加简单，美观，易于操作，实时性高的人机界面也提出了需求。1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求本论文研究内容是对 PU 管的卷绕系统进行设计。通过大量调研和分析，吸取各类卷绕设备的优点，针对用户需求，设计一款基于 PLC 控制的卷绕系统，从而达到降低设备与维护成本、提高 PU 管生产质量与生产能力的目的。PU 管的卷绕是生产中的重要环节，卷绕系统性能的优劣直接关系到产品的产量和品质。PU 管卷绕过程中最关键的技术就是对控制部分的设计，不能准确控制卷绕过程会造成良品率的下降、后续工序的难以进行。传统的卷绕控制器较多地采用了模拟电路或传统 PID 控制器对卷绕头拖动电机进行控制，实现张力调节。由于 PU 管卷绕生产车间通常是高温、潮湿、强电磁干扰的环境，并且卷绕装置本身的横动导管器也会给系统带来扰动，因此，模拟电路或一般线性控制器组成的卷绕控制系统常常效果一般，普遍存在调试困难、一致性差、张力周期性波动幅度大等问题，尤其是随着工艺上对绕速要求的不断提高，传统的卷绕控制系统己经越来越难以胜任。本无锡太湖学院学士学位论文4文主要论述了新型 PU 管卷绕系统的设计方法，论文主要完成了以下三方面的工作：(l)结构方案和功能的设计卷绕系统要求工作过程中始终保持恒张力卷绕，卷绕系统的自动控制具有一定复杂性。主要表现在三个方面：首先，卷绕过程中，恒张力卷绕自动控制是通过调节卷绕头电动机转速实现的；第二，随着卷绕过程时间的推移，管筒直径增量可达数厘米，重量变化可达几公斤，系统参数具有很强的时变性；第三，卷绕过程中为使 PU 管均匀卷绕，使用横动导管器往复拨动 PU 管，对张力形成复杂的扰动。(2)控制系统软、硬件的设计本文设计的卷绕控制系统对体积、成本和功耗都有严格要求。因此，在控制器软硬件方案选择方面都要遵循一定的原则，在控制器整体结构方面，应尽量选择结构简单、成本低廉的方案。本系统中卷绕机的旋转动力来自于三相异步电动机。恒张力卷绕中 PU 管上张力的大小与电动机的转速有直接的关系。因此，异步电动机调速性能的优劣与整个系统的控制效果息息相关。卷绕控制系统要求电动机转速变化平滑、输出转矩稳定。研究电机的变压变频调速理论，设计变频调速控制的软硬件，是十分必要的。(3)对系统进行仿真实验验证本文对 PU 管卷绕系统的控制部分进行了大量的、深入的研究，结合卷绕控制系统的运行特点，设计了合适的软、硬件，对电路控制方案的设计、步进电机往复成型装置的设计和交流异步电机卷绕装置的的设计等做出了详细地阐述。并对张力的模糊 PID 和传统 PID 控制系统进行了仿真比较，得出了最佳控制系统方案。PU 管卷绕系统的设计52 卷绕系统方案的总体卷绕系统方案的总体设计设计2.1 PU 管卷绕系统的构成管卷绕系统的构成 PU管卷绕机主要由绕线机构和排线机构两部分所组成。在绕线过程中只要保持绕线电动机和排线电动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕。其中绕线、排线机构如图2.1所示。 （1）在绕线机构中，绕线轴由经过变频器变频后的电动机带动旋转完成绕线工作，并采用张力传感器进行反馈，实现对张力的闭环控制。 （2）在排线机构中，排线轴由经过变频器变频后的步进电机带动作为从轴，在卷绕过程中跟随绕线主轴速度旋转，带动精密直线螺杆旋转，通过控制伺服电动机的正反转使螺杆上的排线螺钩做往复运动实现排线动作。PU管排线电动机交流变频器模拟量给定绕线速度检测往复排线张力检测绕线电动机脉冲给定交流变频器图2.1 卷绕系统结构PU 管卷绕系统按其结构和功能部分可分为机械装置(结构功能)、执行器(驱动功能，能量转换功能)、传感器(检测功能)、计算机(控制功能)等。 （1）机械装置(结构功能)机构是零件组成的、能够传递运动并完成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分以及安装固定部分等组成。本课题中的机构部分主要由导管机构，卷取机构，张力调节装置三大部分组成。用到同步带，带轮，管杠，螺旋副齿轮，滚动轴承等机械装置。 （2）执行器(驱动功能，能量转换功能) 执行器包括以电、气压和油压等作为动力源的各种元器件。如以电作为动力源的普通直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频用三相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末制动器、电动调节阀以及电磁泵等，以气压作为动力源的气动马达和气缸，以油压作为动力源的液压马达和液压缸等等。本课题中所涉及的执行器有：三相交流异步电机，步进电动机，交流变频器。 （3）传感器(检测功能)传感器是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电系统工作时所要监视和控制无锡太湖学院学士学位论文6的物理量、化学量和生物量。大多数传感器是将被测的非电量转换为电信号，用于显示和构成闭环控制系统。本课题中所涉及的传感器有：光纤传感器。 （4）计算机(控制功能) 根据控制论中关于系统的定义：“系统是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体”，相互制约的各个部分必须在控制论的指导下，由控制器(即计算机)实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现一定的功能。控制系统，作为“系统”，其核心当然是控制。本课题中所涉及的控制器有：可编程逻辑控制器(Programinable Logic Controller，简称 PLC)，计算机（PC） 。二者形成控制系统的上位机系统。2.2 卷绕机机构部分的设计卷绕机机构部分的设计任何一种卷绕机都是由往复成形装置和卷取装置两部分组成。2.2.1 往复成形装置的设计往复成形装置的设计卷装上的 PU 管一般是以螺旋线的形式卷绕，并由导管机构的往复移动一层一层卷绕层叠起来。其往复成型装置简图如图 2.2 所示。PU管导丝机构往复运动图 2.2 往复成型装置简图往复成形装置是构成卷绕单元部件的一个重要部分，这一部分的优劣直接影响到卷装成形的质量(筒子尺寸大小、外形、卷绕密度、退绕性等等)和 PU 管的质量。因此，往复成形装置应当满足下列设计要求：(1) 导管速度均匀：为了获得均匀的卷绕密度，导管机构全程的运动速度应保持均匀。(2) 防叠能力：卷绕过程中，发生管圈重叠现象会严重影响 PU 管的质量，因此要求成形装置具有防叠能力，以其机构的运动消除管圈的重叠。(3) 减小和消除张力波动：为了减小张力波动，应尽量缩短导管点到筒子卷取点的距离。(4) 往复运动件惯性小，使用寿命长。基于以上设计要求，在对比了现有卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构优劣，相比之下螺旋副的体积小、质量轻、结构简单，且易实现往复运动。因此，这台小型卷绕机提出了采用螺旋副导管机构。PU 管卷绕系统的设计72.2.2 往复运动装置传动结构的设计往复运动装置传动结构的设计传动结构采用管杠螺母传动装置：由一台电动机，通过同步带，带动蜗轮一蜗杆减速器，再通过连轴器，将减速器与丝杠连接起来，杠上安装有导管钩，通过控制电机的正反转，从而使导管钩能够左右往复运动，该部分的结构图如图 2.3 所示。导丝钩联轴器丝杆蜗轮-蜗杆加速器同步带电动机图 2.3 往复运动装置的传动机构2.2.3 往复成形装置驱动元件的选择往复成形装置驱动元件的选择驱动元件的种类多，如电动机(包括步进电动机、伺服电动机、变频电动机等等)、液压、气动马达和动作缸、电磁阀等等。根据驱动元件的不同，执行机构一般也同样分为电动式、气动式和液压式三种。因此，在确定驱动元件前，我们必需选择和确定该课题中采用什么样的执行机构。气动式是把压缩气体的能量转换成机械能量去拖动负载，完成被控对象的参数调整。气动式的优点是简单、稳定、安全、且价格低廉、维修方便、但缺点是山于气体作为介质，所以可压缩性大、精度较差、传输速度低。液压式是将液体压力能转换成机械能，以拖动负载实现直线或回转运动，其介质大多数为油。液压与气动式相比具有工作稳定、冲击和震动小、无极调速范围大、结构简单等优点、但其制作工艺要求高、价格较贵、安装和维护较难。在现有的实验条件下，显然采用液压式的执行机构并不是很适宜的。根据以上的分析比较，我们拟采用最为常用的电动式执行机构。要求自转与往复运动的密切配合性，且需要保证卷绕层单束的恒张力控制，所以这里有两种选择：a.步进电机；b.伺服电机。但由于在该系统中，要求控制精度较高，如果选择伺服电机带动同步带驱动，而同步带的热胀冷缩变化可能会产生较大的控制误差，进而影响控制精度。伺服电机相对于步进电机价格昂贵，在该系统中会占据更大空间，该机构所需的扭矩较小，且无论从控制精度要求和经济角度，还是有利于外形整体结构设计合理化和美观化来考虑，步进电机即可以满足控制精度，又价格便宜，具有较好的经济性。因此，在导管机构中，确定采用步进电机电机作为驱动元件将有利于整个系统设计的完美化。在该系统中选步进电机作为驱动元件无疑是最正确的选择。步进电机驱动系统原理框图如图 2.4 所示无锡太湖学院学士学位论文8检测装置信号转换电路放大装置执行机构被控对象图 2.4 步进电机驱动系统原理框图步进电动机是一种将数字信号转换为角位移(或直线位移)的机电执行元件。每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度。步进电机具有控制简单、价格低、维护容易、定位精度高、无累积位置误差、可自锁、控制成本且能直接受数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。尤其是数控设备、航空、导弹无线电等工业中一般都采用了步进电机作为伺服执行元件。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在额定率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的特性如下：（1）能直接实现数字控制。大多数人都认为数字电路的研制难度要低于模拟电路。（2）位移量与脉冲数对应，在需要精确定位的应用(如指向镜)中可以在开环控制下获得较高的定位精度。（3）步距误差不累计，依赖晶振频率，在连续运转中无需闭环反馈就可得到稳定的周期转速。抗干扰能力强，在负载能力范围内，步距角和转速不受电压、负载和波形的影响，也不受温度、冲击和振动等环境条件的影响。选择步进电机也就回避了闭环设计，光电编码器、高精度基准源、抗干扰设计等这些无疑都将大大增加驱动电路的复杂程度的问题。步进电机分三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB)。永磁式步进一般为两相。转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛根据控制的实际情况我们选择步进电机的型号为86BYG450G- 01，DC4.0A，1.8DEG。2.2.4 卷取装置的设计卷取装置的设计卷取装置由一台交流电机驱动，通过同步带，带动主轴旋转，将 PU 管卷绕到卷筒上。由于这台小型卷绕装置所要求的速度并不高，因此它的 PU 管波动小，管条绕上筒子时，因摩擦打滑而发生意外拉伸的可能性小。故在这台小型卷绕装置中，并未设计专门的加压机构。这样既满足了要求，又简化了机构。该部分的结构简图如图 2.5 所示：PU 管卷绕系统的设计9支架转动臂接触辊筒管轴承座同步带电动机图 2.5卷取装置的结构简图2.2.5 卷取装置驱动元件的选择卷取装置驱动元件的选择一般卷绕机卷取装置的驱动方式有两种：摩擦驱动式卷取装置和直接驱动式卷取装置。摩擦驱动式卷取装置是指卷取筒子借助摩擦辊的摩擦力矩旋转工作的卷取装置。卷绕过程中，摩擦辊保持恒定转速，因此与摩擦辊表面接触的筒子表而线速度保持恒定，即卷绕速度恒定。摩擦传动机构简单，容易控制，工作稳定，很多卷绕机上很多采用此种方式。但是这种方式易出现打滑、发热、起皱、胀边、卷装内层变形、凸边，影响纤维分子取向和沿纤维长度的物理性能，卷装成形质量不是很高。直接驱动式卷取装置是指筒子直接山变速电机驱动的卷取装置。卷绕过程中，电机的转速随着卷取直径的增大而自动降低，以保持恒定的卷绕速度电动机调速采用张力控制方式，即采用 PU 管张力在卷绕中应保持不变的要求，将张力量变为电信号，通过比较反馈系统，控制电动机的转速。这种传动要求采用精密可靠的调速装置，因此卷装成形的质量较高。通过两种卷取驱动方式的比较，可以得出直接驱动式比摩擦式驱动方式卷取精度高，由于本课题是对卷绕机控制系统的研究，直接驱动方式中电机的转速随着卷装直径的增大而逐渐减慢，针对此转速建立的控制系统是个很好的研究方向，将对卷绕设备中卷绕头的控制提供参考依据，所以本机的卷取装置采用直接驱动式卷取装置。因为卷绕过程比较复杂，要精确计算各部分的消耗功率比较困难，所以设计时只从理论上进行大概估算，同时参考了同类型的卷绕机电机功率的配备。本设备选用主轴电机采用 0.4kw(50Hz，231v)，变频范围为 25-310Hz 的三相交流电机。2.3 卷绕控制卷绕控制方法方法的设计的设计2.3.1 控制方法选择控制方法选择机械部分能完成PU管卷装的功能，但完成的好坏很大程度上取决于控制系统，准确地说是取决于张力控制系统。张力控制是一个典型的时变、非线性系统，卷绕过程中张力存在波动，故需对张力进行实时控制。由于整个卷绕过程中，引起张力变化最主要的无锡太湖学院学士学位论文10是卷管筒的转速，故决定采用张力反馈控制系统来控制卷管筒的转速，也即相当于控制卷绕电机的转速，其它电机均为匀速运动，张力变化时只需改变卷绕电机的转速，即可改变PU管中的力。控制基本思想如下：由实验确定卷绕电机的某一转速为目标转速，该转速时PU管张力为目标张力，在该转速下PU管张力适中，也不会对卷装产量产生影响。将此时动态应变仪的输出电压做为基准电压，且写入PLC等控制器件中。机器运动过程中，传感器实时采集张力变化，由电桥和动态应变仪转化为电压变化，经A/D转换后将实时电压与基准电压比较，再经过控制方法的运算处理后，由PLC控制变频器输出频率来实时控制卷绕电机的转速，从而控制张力波动。控制系统的结构，如图2.6所示。PID控制器变频调速速度值转换速度检测反馈速度R(t) +Y(t)图2.6 张力控制系统结构简图图2-6中，为基准电压(目标张力)，为输出张力值，也即任意时刻PU管中的( )R t( )Y t张力。控制系统包括控制器件(PLC)及控制方法(程序)，变频器与电机均为执行机构，经变速机构变速后。卷管筒达到其目标转速。工作过程中不断采集PU管中张力变化情况，卷管筒转速也不断变化，从而实现恒张力卷张。对于卷绕张力控制时变性强的系统，若只采用常规的PID控制器，是不能满足系统性能要求的，因为常规PID控制器的参数是根据被控过程确定的参数而设定的。而对于系统参数随着时间不断变化的卷绕系统，常规PID控制器的精度不是很高，当PID控制器参数值设置不理想时，甚至可能造成系统的不稳定，故本系统决定采用模糊PID控制。它能在卷绕过程中，在线跟踪被控过程的动态特性，及时修改控制参数，实现恒张力卷绕过程自动化。2.3.2 模糊模糊 PID 控制器的设计控制器的设计PID控制是过程控制中应用最为广泛的一种控制规律，具有结构简单、可靠等优点，对于连续系统，控制规律为： (2.1) 01( )( )( )( )( )tpDIde tu tKe te td tTTd t对于式(2-1)，利用矩形法进行代替积分部分，则可以得到差分方程如下： (2.2)0( )( )( )( )(1)kDpiITTu kKe ke ie ke kTT式中，为第k次采样时刻的输出值；、 分别为第次和第次采( )u k( )e k(1)e k k1k 样时刻输入偏差。模糊PID控制器以误差E和误差变化EC作为输入，、作为输出，模糊PKIKDK推理器完成输入量的模糊化、模糊推理运算以及对结果的非模糊化过程，可以满足不同PU 管卷绕系统的设计11时刻的E和EC对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成模糊PID控制器，其结构如图2.7所示。被控对象模糊推理器PID调节器de/dtER(t) +C(t)-EC图2.7 模糊PID控制结构2.3.3 输入输出量的模糊化输入输出量的模糊化由称重法测得工作过程中PU管平均张力约0.4 N，张力误差的基本论域为02 N，02 N，误差变化的基本论域为-0.12，0.12，选取误差和误差变化以及模糊推理输出3个参数、的模糊论域都取为：-6，6，其模糊子集对应为：PKIKDKNB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，子集元素分别对应为负大、负中、负小、零、正小、正中和正大.故量化因子=6/0.2=30，=6/0.12=50，=6/18=0.33。设其都服从三角分ekeckuk布，所以可对各个隶属函数赋值，应用MATLAB模糊控制T程箱可得各个变量的隶属函数分布图，都有图2.8的形式。1.00.50NB NMNSZPSPM PB-6-4-20246图2.8 隶属度函数图2.3.4 确定模糊控制规则确定模糊控制规则PID控制器中的比例环节、积分环节和微分环节在控制系统中的主要作用如下：比例系数P的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度；积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差：微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。偏差E较大时，为了尽快消除偏差，加快系统的响应速度，同时为了避免系统响应出现超调以及避免偏差 的瞬间变大而导致的微分过饱和，应取大值，取零，PKIK取小值；偏差E为中等大小时，为了减小偏差和超调、防止振荡并保证系统响应速度，DK、均取小值；偏差E较小时，为了消除静差使系统尽快稳定，取小值，PKIKDKPK 取大值。偏差变化率EC表明偏差E变化的快慢，针对EC的大小应同时结合偏差E的IK大小来考虑、的取值。当偏差变化率EC与偏差E同号时，实际值将朝着偏PKIKDK离给定值的方向变化，此时应尽力压低超调。当偏差变化率与偏差异号时。实际值将朝着给定值的方向变化，此时应尽快使系统趋于稳定即应尽快消除偏差。无锡太湖学院学士学位论文122.3.5 模糊推理及非模糊化模糊推理及非模糊化考虑到卷绕系统是一个实变性比较强的系统，故选择控制器类型Mamdani型 其原则为：由前提和各个模糊控制规则得到的推理结果，其值取所有前提中隶属值最小的值；而对于相同结论的推理结果，最终取值为推理结果中隶属值最大的值。根据上面的分析分别输入E、EC、隶属函数和量化区间，以Ifthen的形式输入模糊PKIKDK控制规则。取与(and)的方法为min，或(or)的方法为max，推理(implication)方法为min，合成(aggregatin)方法为max，非模糊化(defuzzification)方法为重心平均(centroid)。经过模糊推理决策出的是、的模糊子集，还需对这3个模糊量分别采PKIKDK用加权平均的方法进行非模糊化处理，从而得到其精确量的修正值进而修改PID控制器的参数。即 (2.3)NNNKKK 式中，N分别代表P、I、D，是、对应的修正系数。PKIKDK2.4 本章本章小结小结本章内容主要叙述了 PU 管卷绕系统的硬件构成，它主要包括机械装置、执行器、传感器、计算机等等；详细介绍了卷绕机的主要组成部分，主要由往复成形装置和卷取装置两部分组成，并对复成形装置和卷取装置进行了具体地描述，还对硬件就行了选型；通过传统 PID 与模糊 PID 的对比，提出了系统的 PID 控制模型。PU 管卷绕系统的设计133 控制系统方案的设计控制系统方案的设计3.1 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计整个控制系统由 PLC、变频器、计算机等构成。PLC 是控制中心，完成所有的运算和自动控制；变频器是电能控制装置，能实现对由步进电机驱动的横动装置部分和由交流异步电机驱动的卷绕装置部分的变频控制；计算机是一种能够对信息进行采集、分析和逻辑计算的电子计算机器。硬件系统的连接简图，如图 3.1 所示。微处理器（CPU）运算器控制器电源变换器110、220V市电现场用户输入设备现场信号按钮、开关传感器外部设备编程设备计算机打印机等输入部件现场用户输出设备执行器中间继电器电磁阀扩展设备扩展单元通讯模块功能模块输出部件通讯及编程接口系统存储器用户存储器I/O扩展接口PLC基本单元图 3.1 硬件系统的连接简图3.1.1 PLC 的选型的选型可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称 PLC）亦称作可编程逻辑控制器，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程序控制器简称 PLC。PLC 自 1969 年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国、日本、德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。PLC 的工作过程示意图，如图 3.2无锡太湖学院学士学位论文14 所示。输入信号输出信号输入端子输入映像寄存器执行用户程序内部存储器刷新输出端子输出映像寄存器输入处理程序处理输出处理图 3.2 PLC 的工作过程示意图 PLC 可供选择的型号很多，各个生产厂家的产品基本上又互不通用。因此 PLC 选型首先应明确选择哪个厂家的产品。一般来说，各个厂家的产品在可靠性上都是过关的，一般 PLC 的平均无故障时间可达儿万小时以上。机型的选择主要是指如何在满足控制要求的前提下，取得最佳的性能价格比。考虑控制系统的性价比，本课题选择 S7-200 系列PLC。S7-200 PLC 由基本单元（S7-200 CPU 模块） 、扩展单元、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32 编程软件以及通信电缆等组成 。基本单元（S7-200 CPU 模块）也称为主机。由中央处理单元（CPU） 、电源以及数字量输入输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。3.1.2 变频器的选型变频器的选型近些年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅猛发展，电气传动技术面临着一场革命，即交流调速取代直流调速以及计算机数字控制技术取代模拟控制技术。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围和显著的经济效益迅猛的发展着，逐步成为现代工业驱动的中枢。在电机变频调速协调控制方面，目前采用的技术主要表现在以下几个方面：通过控制机(可为 PLC 或工业 PC)设定比例运行参数，然后控制机通过 D/A 转换模件发出控制变频器的速度指令，使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。PLC 与变频调速器构成多分支通讯控制网络。利用 PLC 通信技术直接控制变频器完成多电机调速，其方法是将通讯模块集成在变频器中或利用通讯模块与 PLC 连接，通过通讯接口控制变频器带动电机调速。通过串行口实现微机对多台变频器的协调控制，根据串行口送来的有关信息，输出相应的控制信息，控制变频器的运行。交流变频调速的优异特性如下：(1) 调速时平滑性好，效率高；低速时，相对稳定性好。(2) 调速范围较大，精度高。(3) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。PU 管卷绕系统的设计15(5) 易于实现过程自动化。(6) 在恒转矩调速时，低速段电机的过载能力大为降低。交流变频调速是异步电机最有发展前途的调速方法。目前，国外先进国家的变频技术正朝小型化、高可靠性、抗公害、多功能、高性能等方向发展，我国也在加快发展的步伐。本设计变频器采用 VFD-B 系列变频器，这种 VFDO37B23A 变频器采用一种先进的动态转矩矢量控制技术。按照动态转矩矢量控制方式，能配合负载实现在最短时间内平稳地加减速，使用高速 CPU 能快速响应急变负载并及时检测再生功率，同时变频器自身能在 0.5Hz 内输出 200%启动转矩，速度控制范围为 1：1200；速度控制精度为0.02%；速度响应为 40Hz；电机低转速时脉动大大减小。变频器的标准内装 RS-485 接 CJ 能实现上位机向变频器输入运行命令和设定功能码数据等各种通信功能。变频器 VFD-B 的具体参数设定如表 3-1 所示。表 3-1 VFD-B 变频器的参数设定参数 设定值 说明2-200 4 频率指令来源设定为 RS-4852-01 3 运转指令来源设定为 RS-4859-00 1 通讯地址为 019-01 1 传输速率为 9600 bps9-04 1 传输资料格式为 7 data bits、EVEN partity，I stop bit3.2 控制系统电器原理图的设计控制系统电器原理图的设计一般中型工厂的电源进线电压是 610kV。电能先经高压配电所集中，再由高压配电线路将电能分送到各个车间变电所，或由高压配电线路直接供给高压用电设备。车间变电所内装设有电力变压器，将 610kV 的高压电降为低压用电设备所需的电压（如220V/380V） ，然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用。本课题所用的电源是380V交流电源，有时候电压并不稳定，这时候就需要稳压，在电源进入交流异步电机前接入变频器可以解决稳压这一问题。变频器还可以用来变频调速，在本设计中，改变电动机的转速，继电器KM1、KM2用于电机的正反转，就需要接入变频器才能实现往复成型装置的往复运动。此外，变频器对电路还起到了过载保护、短路保护和欠压保护等等。如图3.3所示，为控制系统的主电路图。表3-2为电路图中涉及元件的介绍。无锡太湖学院学士学位论文163-50Hz380VFU1QSKM2KM1FR1FR2KM3FU2M1M2VFDO37B23A变频器L1 L2 L3U V WL1 L2 L3U V WL1L2L3VFDO37B23A变频器S7-200PLC图3.3 控制系统的主电路图表3-2 主电路中主要元件符号名称型号数量备注FU熔断器2FR热继电器2KM1电机正转接触器CG51高压接触器，线圈电压交流 220VKM2KM3电机反转接触器电机接触器CG5CG511高压接触器，线圈电压交流 220V高压接触器，线圈电压交流 220VM1排线电动机1步进电动机M2绕线电机1三相交流异步电动机O37B23A变频器VFD-B2高压接触器，线圈电压交流 220V能够实现电路平稳、安全运行的前提，是在电路的设计过程中，装入安全保护器件。空气断路器、热继电器、接触器等都可以对电路起到保护作用。（1）短路保护空气断路器可以在频繁地起动电动机过程中，对线路进行保护。防止因线路发热，烧毁设备，切迅速可靠。（2）过载保护热继电器常闭触点串接于安全控制回路，当电机因负载过重，电机堵转等故障而使负载转矩增大时，热继电器动作，常闭触点断开，使安全回路动作，保护卷绕机不受损坏。PU 管卷绕系统的设计17（3）欠压保护在电路接通电源后，接触器利用自身的常开辅助触点保持回路的接通状态，一般对象是对自身回路的控制。如把常开辅助触点与启动按钮并联，这样，当启动按钮按下，接触器动作，辅助触点闭合，进行状态保持，此时再松开启动按钮，接触器也不会失电断开。3.2.1 控制电路的设计控制电路的设计电器控制线路主要由各种有触点的接触器、继电器、按钮、行程开关等按不同连接方式组合而成的，能够现对电力拖动系统的启动、正反转、制动、调速和保护，满足生产工艺要求，实现生产过程自动化。在本设计中，交流异步电机和步进电机通过控制电路的控制，能够实现顺序启动。按下启动按钮时，当交流异步电机启动后，步进电机随之启动运行。卷绕主轴选用交流异步电动机驱动，往复成型装置用步进电机驱动，两只电机的速度设置成“主从”工作方式，即步进电机跟随着卷绕电机运行，并且两者始终保持转速同步。当按下停止按钮时，两台电机同时停止。在各个环节的协调配合下，往复成型装置中导管钩往复运行动，使得 PU 管左右摆动。当合上电源开关，按下启动按钮 SB2，接触器 KM1 通电，电动机进行正转，当工作台前进到一定位置，导管钩触碰到左限位开关，导管钩停止运行，同时电源换相，工作台反向运行，当工作台运行到一定的位置时，导管钩触碰到右限位开关，再次换向运行，如此循环反复工作，直至按下停止按钮断电，电动机停转。另外，SQ3和 SQ4 分别为反、正向终端保护限位开关，防止出现限位开关失灵造成工作台从床身上冲出的事故。此时，交流异步电机驱动卷绕装置将 PU 管卷绕在筒管上，完成了整个过程卷绕过程。如图 3.4 所示，为步进电机的控制电路和交流异步电机的控制电路。SB6FUFRSB2KM1SQ2SB3KM2 SQ1SQ1SQ3KM1KM2SQ4SQ2KM1KM2SQ1SQ2SB4KM3KM3SB5SB1HL1HL2KM3图3.4 步进电机和交流异步电机的控制电路3.2.2 I/O 地址分配表地址分配表西门子 S7-200 型 PLC 是本设计卷绕系统的主控制器，能够进行模拟量输入和脉冲量无锡太湖学院学士学位论文18输出的控制，完成西门子 S7-200 型 PLC 对控制系统的作用。I/O 地址分配表，如表 3-3所示。表3-3 I/O地址分配表 输入 输入端口 输出 输出端口停止按钮 SB1启动按钮 SB2启动开关 SB3启动开关 SB4急停 SB5急停 SB6熔断器 FR左换向开关 SQ1右换向开关 SQ2左保护开关 SQ3右保护开关 SQ4I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I1.0I1.1I1.2I1.3线圈 KM1线圈 KM2线圈 KM3报警灯 HL1报警灯 HL2Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.43.2.3 I/O 接线图接线图 I/O接线图能直观形象的表述出西门子S7-200型PLC的内部结构和对系统的控制原理。本课题西门子S7-200型PLC控制系统的I/O接线图，如图3.5所示。I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4PLCS7-2001L1MSB1SB2SB3SB4SQ1SB5SB6SQ2SQ3SQ4KM2KM3HL1HL2FUKM124V220VFR图3.5 西门子S7-200型PLC控制系统的I/O接线图3.3 电机变频调速系统的电机变频调速系统的设计设计国内自1994年以来提出了多种控制卷绕系统的方案，如采用PLC+变频调速控制系统，其系统控制框图如图 3.6 所示：PU 管卷绕系统的设计19速度检测器横动导丝器排丝电动机变频器驱动速度检测器接触辊速度检测器异步电机交流变频器线速度处理PLC控制系统图 3.6 系统控制原理框图在这种控制方案中采用变频单元驱动控制，根据绕卷表面线速度实际值来实时调整卷绕电机的转速，依靠电机的速度的变化，实时调整卷绕张力大小，同时随着管卷直径的增大，控制电机的转速由大到小，使张力差降到最小，提高卷绕的均匀性，在PLC控制系统中设定各种长管产品的工艺参数和卷绕系统本身的各种卷绕参数，优化控制整个系统各驱动部件之间的协调运转，完成整个卷绕过程。为了实现三相异步电动机的变压变频调速，需要提供一个电压幅值与频率可以控制的三相交流电源，而这个三相交流电源的能量是取自电网的 220V/50Hz 的两相交流电源的，这种电能转换的装置就是变压变频器。在早期的电力拖动系统中，实现这种变压变频技术使用最多的是旋转变频机组，即使用直流电动机拖动交流同步发电机发电来提供三相交流电源，通过调节直流电动机的转速，来控制同步发电机输出的三相交流电源电压幅值与频率。目前，随着电力电子技术的快速发展，使用旋转变频机组实现变压变频实现的手段己经逐步被淘汰，取而代之的是“交流-直流-交流”结构的电力电子变频器。这种变频器利用电力电子器件的通断使负载上获得幅值和频率可变的电压。电力电子变频器由于不需要旋转变频机组中间的各种传动机构，自身能量损耗大大降低。因此，电力电子电力电子变频器从电网中取 220V/50Hz 的两相交流电作为电源，通过二极管整流桥变换为直流，直流母线两端并联高压大容量电解电容起到滤波作用，得到相对稳定的直流母线电压，再通过一组功率元件的不同开关组合将直流电压变换为三相交流电压。在本设计中，可编程控制器（PLC）输出信号给变频器，变频器对电路进行控制，实现启动、变压、调速、保护、停止等功能，完成卷绕系统的控制。3.4 软件系统的设计软件系统的设计（1）交流异步电机与步进电机的顺序启动接通电源，按下起动按钮 SB4，其输出线圈 KM3 工作，交流异步电机启动。同时，线圈 KM1 得电工作，步进电机开始运行。当线圈 KM1 得电时，KM2 同时得电并实现互锁，交流异步电机和步进电机稳定运行。按下停止按钮 SB1，交流异步电机和步进电机同时停止运转。系统工作流程图，如图 3.7 所示。无锡太湖学院学士学位论文20开始卷绕电机启动排丝电机运行卷绕计算满卷？卷绕完成故障？停止YNNY图 3.7 运行流程图本课题采用的 PLC 为西门子 S7-200 系列 PLC，对应的梯形图编程软件为 STEP 7。顺序控制梯形图，如图 3.8 所示。PU 管卷绕系统的设计21图 3.8 顺序控制梯形图（2）步进电机的启动（正反转） ，停止开机运行，按下按钮 SB4 和 SB2，线圈 KM1 和 KM3 工作。步进电机带动往返装置运行，线圈 KM1 工作，实现互锁；当导管钩触碰到限位开关 SQ1 和 SQ3，电机停止运行，并随之反转，导管钩回程，当在此触碰到限位开关 SQ2 和 SQ4 时，电机停止运行，并随之在此反转。如此往复运行，直至按下停止开关 SB6，系统停止工作。图 3.9 和 3.10，分别为转速控制流程图和 PID 控制流程图。.无锡太湖学院学士学位论文22设定相关参数PLC读取数据异常信号计算转速计算筒径PID运算主轴变频器出错处理YN速度反馈图 3.9 变频器系统控制流程图PID初始化自动调谐输入PID参数取得反馈PID运算输出控制值本次PID控制结果自动计算PID参数YN图 3.10 PID 控制流程图设定相关参数后，PLC 收集数据并进行处理，判断信号是否异常，若正常，计算筒径和电机转速；若异常，PLC 开始处理数据，系统停止工作。PID 运算出结果，对两变频器输入模拟量与脉冲量，控制电机工作，同时将速度反馈给 PLC。电机的控制梯形图，如图 3.11 所示。PU 管卷绕系统的设计23图 3.11 电机控制梯形图3.5 本章本章小结小结本章首先对卷绕机控制部分的硬件做了设计，并对 PLC 及变频器的选型进行了介绍；绘制了电气控制原理图，包括：主电路图、控制电路图和 I/O 接线图等；给出了系统控制流程图、PID 控制流程图。PU 管卷绕系统的设计234 系统的仿真系统的仿真4.1 仿真工具的介绍仿真工具的介绍仿真工具就是面向仿真用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。它的功能可概括为：(l)模型描述的规范及处理；(2)仿真试验的执行与控制；(3)资料与结果的分析、显示及文档化；(4)对模型、试验程序、资料、图形或知识的存贮、检索与管理。仿真工具一般分为仿真程序、仿真语言和仿真环境三个不同的层次。仿真程序采用通用的算法语言如 VB、VC 编制，功能较简单，但容易建立。仿真语言是属于面向专门问题的高级语言，它是在通用高级语言的基础上，针对专门问题研制的，分为面向方程和面向框图两种类型的仿真语言。现在的仿真工具有很多种，如：Matlab 中的仿真程序包Simulink、Simlib、Gasp 和 Gsp 等；仿真语言 ACSL、SICSL、GPSS、SIMULA 等；一体化建模与仿真环境 TESS、EIMSS 等。但在系统控制仿真中，以 Matlab 应用得最为广泛，在本课题的研究中也应用 Matlab 数学工具进行仿真分析。4.1.1 Matlab 语言简介语言简介Matlab 环境又称为 Matlab 语言，是由美国 New Mexieo 大学的 Cleve Moler 于 1980年开始开发的，1984 年由 Cleve Moler 等人创立的 Math.works 公司推出了第一个商业版本。Matlab 语言的两个最显著特点，即其强大的矩阵运算能力和完善的图形可视化功能。此外，它还提供了与其它高级程序设计语言如 C、Fortran 等的接口，使得它成为国际控制界应用最广的首选计算机工具。早期的 Matlab1.0 和 2.0 版本就开始引起控制界学者的注意，出现了控制系统工具箱等软件，也出现了类似于 Matlab 的 CONTROLC 软件等。Matlab3.5 版本及当时推出的 Simulink 是 Matlab 开始得到控制界更广泛应用的成功范例。因为在那以前控制界很多学者使用 ACSL(高级连续仿真语言)作为系统仿真的语言，而方便，图形化的 Simulink 一出现就迅速地取代了 ACSL 语言，成为研究者首选的仿真工具。Matlab4，0 版本提供了完全的 Windows 界面，并允许用户进行图形界面的设计，当前Matlab6.5 及以上的版本更提供了强大的数据结构。4.1.2 Simulink 建模方法建模方法Simulink 是 Matlab 的一个附加组件工具箱，这一名字的含义是相当直观的，因为它较明显地表明此软件的两个显著功能：simu(仿真)与 link(连接)，亦即可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用 Simulink 提供的功能来对系统进行仿真或条件化分析。Simulink 可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到的动态系统。一般而言，对控制系统进行计算机仿真，首先应建立系统模型。利用 Simulink 软件进行建模的步骤如下:(1) 开始准备。要按 Simulink 格式输入一个系统模型，则应该首先启动 Simulink 程序。可以在 Matlab 命令窗口的提示符下建入 Simulink 命令来启动 Simulink 程序，这时就会将 Simulink 模型的模块库窗口显示出来，(若 Simuhnk 己经启动，则会自动将之调到前台)，同时还将自动打开一个空白的模型编辑窗口来建立新的系统模型。(2) 画出系统的各个模块。打开相应的子模块库，选择所需要的模块，拖动到模型编辑窗口的合适位置。(3) 给出各个模块的参数。各个模块中已给出默认的模型参数，要修改模块默认的参无锡太湖学院学士学位论文24数，则需用鼠标双击该模块图标，这样就会出现相应的对话框，进一步提示用户如何修改模块的参数。(4) 画出连接线。当所有的模块都画出来之后，则可以接着画模块间的连线，构成完整的系统。模块间的连线很简单，只需用鼠标点开始模块的输出端(三角符号)再拖动鼠标，到终止模块的输入端处释放鼠标键，则会自动地在两个模块间画出带箭头的连线。(5) 指定输入和输出端子。在 Simulink 下允许两类输入输出的信号，若用户提取系统的线性模型，则需要打开 Simulink 模块库中的“conneetion”(联接模块库)图标，从中选取相应的输入输出端子，若只想对系统进行仿真分析，则需从“source”(输入源模块库)图标中取输入信号端子，从“sink”(输出源模块库)图标中取输出端子即可。为了验证设计的模糊 PID 控制器的效果，使用 Matlab7.O 的模糊控制工具箱和Simulink 进行仿真。利用 Matlab 的模糊控制工具箱可以直接构建模糊控制器。在模糊控制工具箱中可以根据需要选择各个变量的隶属度函数、推理规则和解模糊化方法。4.2 控制系统的仿真控制系统的仿真在Simulink中对系统进行建模和仿真实验，被控系统为一个时变的二阶系统，卷管筒、两边堵头、及转轴总转动惯量为03122，阻尼系数取0.3()，由牛顿运动2/kg m/N1m s定律可得系数传递函数为： 23.2( )0.96G sss（4.1）PID控制器参数、的值分别取5、0.1、1。PKIKDK仿真系统的控制流程，如图 4-1 所示。速度给定速度给定PID调节PID调节张力计算筒径计算速度计算速度给定速度反馈电流反馈高压电源变频电机检测模块PLC图 4-1 仿真系统的控制流程采用MATLAB的模型逻辑工具箱来设计模糊控制器，在Simulink中模糊逻辑功能控制模块需指向所构建的模糊控制器。构建的模糊PID控制系统模型，如图4.2所示。PU 管卷绕系统的设计25图 4.2 模糊 PID 控制系统模型01234567891000.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2t/s出 出 出 出 出 出出 出 PID出 出 PID图 4.3 模糊 PID 控制与常规 PID 控制的阶跃响应曲线比较由图4.3可以看出，要使系统达到稳定，常规PID控制需4s左右，而模糊PID控制只需2.5s，且常规PID控制的超调量也较大。模糊PID控制和常规PID控制相比，系统达到稳定的时间更短，可见模糊PID控制较常规PID控制更具优越性。本文就本实验室研制的多功能卷绕机中的PU管张力控制进行了模糊理论分析，确定了模糊控制规则，并在Simulink中进行了仿真。结果表明：模糊PID控制对张力波动起到很好的抑制作用，能够解决工作过程中的张力控制问题。且其最大优点在于当被控对象参数发生变化时，能够利用自身的模糊推理方法时时调整PID参数，快速适应新的被控对象，兼有模糊控制和PID控制的特点，控制效果更好。无锡太湖学院学士学位论文264.3 本章本章小结小结卷绕控制系统具有一定的复杂性，难以精确建模。模糊 PID 控制器具有很强的适应性，能够克服这些不利因素。本章首先使用了 MATLAB 软件，之后提出了模糊 PID 控制器模型，然后详细介绍了 PID 算法具体设计步骤，并进行了推理。最后，为了验证设计控制器的效果分别进行了仿真和实际工作数据分析。PU 管卷绕系统的设计275 结论与展望结论与展望 本文对 PU 管卷绕系统进行了研究。首先对已有的卷绕机构进行了分析，阐述了钢领与钢管圈之间的摩擦磨损机理；然后提出了一种新型的加捻卷绕系统)磁悬浮钢管圈系统，建立了该系统的数学模型，分析比较了几种常用的控制方法，最后对该系统进行了仿真分析。通过研究，阐明了钢领钢管圈系统在运动学!动力学及摩擦磨损方面的一些理论问题，为现有钢领钢管圈系统的改进提供了理论依据；本文提出一种全新的磁悬浮钢管圈应用技术，为突破环锭纺管钢领钢管圈系统的速度限制，研制新一代高速环锭纺管机进行了有益的探索。5.1 结论结论本论文对 PU 管卷绕生产工艺流程进行了系统性的分析和研究，针对目前市场上相关产品生产工艺的缺失进行了归纳和总结，提出了对现有产品生产方案的设计。在硬件结构上，用可编程控制器（PLC）完成了对整个系统的控制，降低了设备成本与后期维护成本。 在可编程控制器（PLC）的控制算法方面，本文尝试采用模糊 PID 控制技术改善卷绕控制系统的性能，收到了良好的成效。先将本文完成的研究工作总结如下:(1) 针对卷绕控制系统的工作原理进行了分析，卷绕系统自动控制技术的关键在于控制系统的设计。可编程控制器（PLC）选择了模糊 PID 控制算法在解决卷绕系统控制的问题方面，起到了作用。针对卷绕系统的特点，合理设计了模糊 PID 控
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