【硕士论文】基于PLC和变频器的印刷机控制系统.pdf

基于P I C 和变频器的印刷机控制系统 论文题目：基于P L C 幂I ：I 变频器的f ；P , N 机控制系统 专业：电子与通信工程 硕士生：张锦桑 指导教师：陈云洽副教授 摘要 凹版印刷机在日常食品包装中占有重要地位，它的产品质量取决于张力控 制。现代凹版印刷机几乎无一例外地采用了变频器张力控制系统，这种控制方式 的特点是：运行可靠、机械磨损小、控制精度高，适用于高速多套色凹版印刷机。 本文以顺德德堡印刷机械有限公司开发的高速凹版印刷机为背景，理论与实 践相结合，详细阐述了集P L C 技术，变频器技术，通信技术于一体的先进控制技 术在该包装机控制系统中的应用。论文主要内容如下：1 概述了变频器与P L C 的 工作原理和性能；2 推导了浮辊检测系统模型、变频器交流异步电动机传动模型， 完善了收放料装置的动力学模型、张力模型、收料张力控制模型；3 在数学模型 的基础上，开发了系统控制应用程序。首先采用P I D 控制器算法为控制策略，来 验证模型的合理性，进而总结凹版印刷机的控制特点；4 编写出P L C 与变频器自 由口通信协议，得出新型的控制方案。 本论文针对的凹版印刷机张力控制的设计已经完成，并且在设备运行中取得 了良好的控制效果。 关键词：凹版印刷机张力控制变频器P L C自由口通信 A B S T R c T T i t l e ：R o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nP L Ca n di n v e r t e r M a j o r ：E l e c t r o n i ca n dC o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g N a m e ：Z h a n gJ i nS h e n S u p e r v i s o r ：C h e nY u nQ i a A B S T R A C T R o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n ei si m p o r t a n tf o rd a i l yf o o dp a c k a g i n g T h eq u a l i t y o fi t sp r o d u c td e p e n d so nt h et e n s i o nc o n t r 0 1 T h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mc o n s i s to f P L Ca n di n v e r t e ri sa d o p t e di nt h em o d e mr o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n e T h i ss y s t e m h a si t s a d v a n t a g e ss u c ha ss t a b i l i z a t i o n s m a l l w e a l a n dt e a ra n dh i g hc o n t r o l p r e c i s i o n ss oi ti sa p p l i e dt om u l t i c o l o r sr o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n e s T h i st h e s i st a k e st h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eh i g h s p e e dr o t o g r a v u r ep r i n t i n g m a c h i n et h a tw a sd e v e l o p e db yS h u n d eD o u b a u tM a c h i n e r yC o r p o r a t i o nL i m i t e d W e a p p l yt h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ep r i n t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e ms u c ha s t h et e c h n o l o g yo f P L C ，t h ei n v e r t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n F o l l o w i n ga r ct h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s ：o u t l i n eo fw o r k i n gp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c eo fP L Ca n di n v e r t e r ；D e r i v a t i o n o fd a n c i n gr o l l e rd e t e c t i o ns y s t e m m o d e la n dI n v e r t e rA Ca s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v i n gm o d e l ，e t c ；d e v e l o p m e n to f S y s t e mc o n t r o la p p l i c a t i o n sb a s e do nt h ea b o v em o d e l s ，a n dP I Dc o n t r o la l g o r i t h mt o c e r t i f i c a t et h em o d e l s ；d e v e l o p m e n to f f r e e p o r tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 T h i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw e l lr u n n i n g0 nt h er o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n e s K e y w o r d s ：R o t o g r a v u r ep r i n t i n gm a c h i n e ；T e n s i o nc o n t r o l ； i n v e r t e r ；P L C ； f r e e p o r tc o m m u n i c a t i o n I I 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 1 1 课题背景 第1 章绪论 本文课题来源于本人任职的德堡印刷机械有限公司“D B Y 高速凹版印刷机” 项目，其目的是为了建立一套基于可编程控制器( P L C ) 技术与变频器技术的七电机 张力控制系统。 1 1 1 凹版印刷机的工艺原理 随着人们物质文化生活水平的提高和消费观念的改变，国内包装市场近十年 来每年以2 0 以上的速度增长，其中包装印刷市场的增长更快，而且印刷的质量 和品位也在不断的提高。而凹版印刷作为一种重要的印刷方法，在国外直有着 稳定的发展。近十多年来，随着新技术、新材料的不断出现，特别是包装、装潢 和建材工业的发展，给凹版印刷技术带来更为广阔的发展前景。 在软包装的印刷上，凹版印刷可以说是最好的印刷方式，因为对于作为软包 装材料的薄膜( O P P 、P E T 、N Y 等) 、纸张、铝箔和其它多种材料，都能采用凹版 印刷方式，并且能得到适合于层压法等后加工的特性。凹版印刷具有以下优点： ( 1 ) 印墨层厚实，图文色彩鲜艳，层次丰富，清晰度高。 ( 2 ) 用无接缝印版，可用于需要连续图案制品( 如墙纸) 的印刷。 ( 3 ) 印版使用的寿命长，并且具有高速适应性。 ( 4 ) 凹版油墨的适应性广，可用于多种承印物的印刷。 因此，在大批量塑料薄膜或纸张制品印刷，如食品和药品包装、塑料购物袋、 家用电器包装等等行业，凹印产品的地位仍然无法替代。 凹版印刷机( 简称凹印机) 因其版面特征而得名，印刷版筒上雕刻有深浅不 一的网格。印刷时版简浸在油墨盆中，版筒轴由主电机通过传动轴以及齿轮机构 驱动，并且通过压在版筒上的刮刀把网格以外的油墨清除掉。当承印材料通过旋 转的版筒和压辊之间时，在承印物两端施加的张紧力( 称为张力) 作用下，油墨 附着到材料上。承印材料经过刻有不同图案的多个版筒之后，就形成层次丰富， 色彩鲜明的彩色图画。 凹印机的承印材料主要为塑料薄膜或者铝箔、铜版纸，印前和印后的工序特 第1 章绪论 点决定它的形状是卷简形，因此凹印机使用放卷( 或称退卷) 装置向印刷版筒单 元输送原材料，收卷( 或称卷绕) 装置卷取印刷成品。为了减少停机装卸材料所 带来的能源及材料浪费，现代凹印机基本采用双工作位的放卷和收卷结构，并可 以翻转来选择工作位置。 油墨在承印材料上的附着情况决定于张力的稳定程度。材料上的张力变化， 将引起各个版筒之间上墨位置的变化从而引起图案走样( 套色偏差) 。为了减少收 放卷的张力变化引起的套色偏差，在印刷单元的两端还有牵引装置，分别为放卷 ( 后) 牵引和收卷( 前) 牵引，起到阻滞张力变化的作用，如图1 - 1 所示。 料牵引 出料牵 图卜1 凹印机张力示意图 但是，由于材料卷筒外径不断变化，同时还有卷筒不圆、卷料重心不与旋转 轴重合，或者改变机器工作速度等原因，都可能引起材料上的张力变化，造成走 料不稳、印品皱摺、过度拉伸变形，甚至发生材料断裂或堵塞等严重问题。特别 是对于高速凹版印刷机，张力的波动和变化对印刷套准精度影响更大I 舶。 因此，凹印机控制系统的任务就是，使印刷张力保持恒定，并减少收放卷装 景对承印材料上的张力变化影响。除了机械结构的加工精度以外，电气控制的精 确性是必须保证的。 1 2 课题的国内外研究现状 上个世纪7 0 年代以来，凹版印刷机械的发展经历了几个发展阶段。无论在生 产率方面还是在操作自动化方面，都在不断地提高和改进。体现在张力控制方面 表现为经历了磁粉张力系统一交流电动机变频调速控制系统一伺服电动机无轴控 2 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 制系统几个发展阶段。在我国，变频驱动系统j 起步不久，在伺服电机无轴驱动 方面的研究也不多，本文就是基于这种原因，以变频驱动的凹版印刷机为研究对 象，进行理论研究工作，为以后的无轴驱动丌发打下峰实的基础。 1 2 1 磁粉张力系统 磁粉制动器和离合器的内部有一条细槽，槽内填充有高磁化效应的磁性铁粒 子。当励磁线圈通以直流电时，磁粉相互吸附形成环形链状，对输入或输出轴有 扼紧作用。调节输入电流的大小。可以改变输入与输出轴之间的传递扭矩0 3 1 1 4 I 。因 此，磁粉是被动工作的，不能控制运动方向。在典型的凹印机磁粉张力系统中， 磁粉制动器用于抱紧放卷轴，对承印材料施加与其运动方向相反的张力；磁粉离 合器用于出料牵引，输入力矩由收卷电机提供，调节离合器的线圈电流来改变输 出力矩，从而调节出料牵引辊的转速。也就是说，主电机与收卷电机的输出有一 部分是被磁粉白白浪费的，生产用电成品因而提高。 直至上个世纪九十年代中后期，国内广泛使用的凹印机仍然是采用放卷与入 料牵引使用磁粉制动器，出料牵引与收卷使用电机带动磁粉离合器的张力控制方 式。在印刷速度恒定的情况下，磁粉张力系统的表现尚可，但在要求从静止到高 速印刷，以及放卷与收卷实现不停机换轴工作的情况下，磁粉快速响应特性差、 只能作单方向驱动的缺点表露无遗。并且，磁粉容易受潮结块，影响了其工作的 稳定性。 1 2 2P L C 控制变频调速系统 随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的快速发展，交流变频技术 已经广泛应用到工业生产中。利用变频器对交流电动机进行调速控制的张力系统， 具有许多磁粉系统所无法比拟的优点，如节能，可以实现大范围内高效连续调速 控制，容易实现放卷、收卷方向的正反转切换，在不停机换轴时减少由于张力波 动产生的废料，等等。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控 制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控 制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽， 并可以达到提高运行效率的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1 ： 1 0 以上，而高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1 ：1 0 0 0 。此外， 当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可直接控制电动 3 第1 章绪论 机的输出转矩。因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控 制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能1 5 I 。 同时。随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，可编程控制器 ( P r o g r a m m a b l eL o g i cC o n t r o l l e r ，简称P L C ) 已经成为当代工业自动化的主要 支柱之一。P L C 不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断、计数、计时等顺序控制， 同时还具有执行算术运算、对模拟量进行控制等功能，随着P L C 软硬件功能的进一 步增强，P L c 已经发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，它能生成报表、 调度产出、可诊断自身故障及机器故障。这些改进使P L C 符合今天对高质量产出的 要求。它具有编程简单、功能强大而性价比高、可靠性高使用寿命长、接线简单 维修工作量小等突出优点，能够取代传统的继电器控制电路，完成各种电气控制 功能。尤其重要的是，P L C 能够与其它计算机或者智能设备进行联网通信，组成基 于各种现场总线协议的分布式I 0 控制系统，进一步满足复杂生产工艺的需要。另 外，与单片机、计算机控制系统比较，P L C 具有兼容性、扩展性、抗干扰性强、负 载能力大的特点，适用于各种复杂的工业现场环境I ”。 由P L C 和变频器及其电机组成的印刷机控制系统，通过控制驱动印刷版筒的主 电机以及放卷、入料牵引、出料牵引、收卷各个电机的线速度同步来达到张力稳 定，具有响应快速的特点，并且可以提供良好的设定功能，以满足各种材料的工 艺特性。因此，这种控制系统已经成为目前高档凹版印刷机的主流配置。 1 2 3 七电机张力控制系统 国外的先进凹印机生产商在上世纪九十年代已经把主要研发力量用于开发 P L C 与七台变频器( 分别控制两台放卷、两台收卷电机以及主电机、入料牵引、出 料牵引电机各一台，简称为七电机控制方式) 组成的控制系统，目前已经达到3 0 0 米分钟的印刷速度。部分厂商使用了P c 机或者高端的P L C ( 如西门子的S 7 - 3 0 0 ) 作为上位机，以一台或多台P L C ( 如西门子的$ 7 - 2 0 0 ) 作为下位机，每台下位机通 过可编程扩展模块与若干台智能设备( 包括变频器) 进行通信，从而实现分布式 控制，可以实现复杂的控制功能。例如，使用S 7 - 2 0 0 作为下位机时，可以配备E M 2 7 7 P R O F I B U S D P 接口模块，把变频器以及传感器( 需要有支持响应协议) 接入 P R O F I B U S 网络，传输速率可达1 2 M b p s ，传输距离为2 3 8 k m ( 光纤电缆) 9 6 k m ( X 2 绞线) 。但是，这种控制系统价格高昂，对于单一的一台凹印机来说功能也显得过 4 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 剩，因此性价比不是太突出。 国内的凹印机生产商在本世纪初开始积极开发七电机控制系统，除了部分厂 商照搬国外的成套软硬件设计方案以外，目前处于领先地位的厂商使用单台P L C ， 通过数字量输出控制七个变频器的启动及停止，通过模拟量输出扩展模块E M 2 3 2 调 整变频器的运转速度指令。这样大大节省了P L C 通信网络的成本，但是P L C 的I o 点 数是有限制的，使用扩展模块控制变频器影响了整机的功能扩展并且由于模块的 A D 转换影响了系统的运行速度。 1 3 论文的研究目的和内容 凹版印刷机是一个复杂的控制对象，主要表现在以下几个方面，一是它各环 节之间耦合强，常常是一个环节张力发生波动，对其他环节的张力也会造成影响； 二是时变性，即对象随着时间的推移不断变化，主要表现在，收放料卷径的不断 变化，这给选择控制器造成了很大的难度；三是不确定性，例如，祝械的安装精 度和料卷的偏心等1 7 卜1 1 0 I 。基于以上三种原因，凹版印刷机控制起来非常复杂，在 很长的时间内，凹版印刷机张力控制系统一直依靠台湾和日本进口。上世纪9 0 年 代末国内领先的凹印机生产商投入了大量的精力进行张力控制系统的自主研发。 德堡公司也在这方面进行了大量的工作，并于2 0 0 3 年推出了这一产品。本文就是 在以往工作的基础上继续完善凹版印刷张力控制系统的数学模型，进一步选择适 合此类对象的控制方法。 本论文的主要工作如下： 本文以交流变频驱动的凹版印刷机及其张力控制系统为研究对象，通过实验 和几何关系重新推导了摆辊检测系统模型，迸一步完善了料卷转径和转动惯量和 实时扰动模型。在上述模型的基础上，以生产工艺流程为主线，并针对德堡印刷 机械有限公司目前已在使用的七电机控制系统，改进现有P L C 程序中的P T D 控制算 法设计整个系统的控制程序；同时，利用P L C 与变频器的R S 4 8 5 通信接口。开发出 P L C 与变频器自由口通信协议，克服由于使用扩展通信模块而带来的系统响应速度 慢的缺点，以求达到更加快速、稳定的张力控制效果。 1 3 1 系统组成方案 整机控制采用西门子s 7 2 0 0 系列P L C 、H I T E C I 1 人机界面( 触摸屏) 、安川矢量 5 第1 章绪论 变频器及A B B 电机，以及浮动辊上的旋转电位器组成的闭环控制系统。触摸屏上编 写了监控以及参数设定画面，通过R S 2 3 2 R S 4 8 5 电缆与P L C 进行通信，可以轻松地 完成各种调整和控制的任务；浮动辊上的电位器检测当前浮动辊位置，亦即张力 状况，以O l O V 电压模拟信号反馈给P L c ；P L C 根据任务要求及自身程序，计算出 相应输出，如图1 2 所示。在P L C 的扫描周期内，通过自由口通信读取变频器工作 状态，并向变频器发出指令，保证各个电机工作在同步状态，使张力保持稳定。 由图1 一l 和图1 2 可以看出，整机张力实际上分为四段张力：放卷，入料至印刷， 印刷至出料，收卷。 放 图1 2 张力系统示意图 P L C 是整个系统的核心部分。在触摸屏上设定的工作参数，是通R S 2 3 2 R S 4 8 5 电缆写至f l P L C 的相应寄存器；当机器运行，速度发生变化以及收放卷材料的直径发 生变化时。P L C 中相应的寄存器数据也写入到触摸屏中，由触摸屏显示出来。系统 中主要执行元件的动作均由P L C 的输出点控制，P L C 根据设计要求，时刻调整输出 指令。 变频器的工作原理是将商用动力电源经过三相全波整流、直流平滑以后，通 过P 州( 脉宽调制) 方式对逆变电路得半导体开关元件进行开闭，并通过调整输出 脉冲的宽度，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电 源，来实现对异步电动机的调速控制。其工作原理如图1 3 虚线框内部分所示。 6 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 图卜一3 变频器工作原理框图 系统通电以后，P L C 即开始扫描各个输入点的状态，以及检查通信口是否可用。 当连接至i J P L C 的开关量输入端的“启动”、“加速”等按钮依次动作以后，P L C 目P 根 据用户编写的程序，向变频器发送指令。拥有不同通信站号的变频器端检测到通 信数据缓冲区的数据发生变化后，在有效等待时间内检验站地址以及C R C 校验码是 否正确，如正确则开始响应，并将响应结果送回给P L C ：否则发回响应故障信号。 在P L C 发送的数据包中，速度指令对应着变频器的模拟量速度指令输入，变频器正 是根据这个指令来调整P W M 控制电路的输出。 当工作环境发生变化( 如材料松紧程度、机器运行速度、收放卷的直径大小 等) ，张力随即改变，浮动辊的位置也发生变化，浮辊电位器反馈给P L C 的电压随 之改变，P L C 的P I D 控制器将调整输出指令，变频器也就控制电机作出相应的加减 速动作，以恢复张力的平稳。 1 3 2 论文结构 论文主要分为七个部分： 第一章为绪论，主要介绍凹版印刷技术的发展，以及在理论研究工作方面的 进展、论文的研究任务。 第二章介绍了交流电机变频器的工作原理、控制方式，并阐述了矢量变频技 术的优点。 第三章以西门子S I M A T I C $ 7 0 2 0 0 系列为例，对P L C 的工作原理进行了介绍。 它是控制系统编程的依据。 7 第1 章绪论 第四章建立凹版印刷机数学模型，进行张力控制系统的探讨。 第五章是本文的重点，首先讨论了P I D 控制器的原理，然后使用人机界面软 件及可编程控制器系统程序设计出张力控制系统程序，并对P I D 控制器进行了参 数整定及模型可行性验证。 第六章结合s 7 2 0 0 P L C 和安川G 7 变频器的通信协议格式，实现P L C 与变频 器自由口通信。 第七章为总结与展望部分，归纳了本次论文工作的成果，并为下一步工作指 明了研究方向。 8 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 第2 章变频器调速系统 2 1 变频调速概念及原理 所谓变频通常情况下就是利用大功率电子器件( 如巨型晶体管G T R ，绝缘栅双 极型晶体管I G B T ) 将3 8 0 V 或2 2 0 V 、5 0 H z 的市电变换为用户所要求的交流电源或者 其它形式的电源，它分为：( 1 ) 直接变频( 交一交变频) ，即把市电直接转换成功率 低的交流电，大量用在大功率的交流调速中；( 2 ) 间接变频( 交一直一交变频) ，即 先把市电变换为直流电，然后再把直流电变频为要求频率的交流电，它又分为谐 振变频和方波变频。交流变频要求变频器的输出尽可能接近正弦波，所以多采用 S P l v M 变频，目前这方面的技术已成熟。近年来开发出了一种I G C T ( 集成门极换相 晶闸管) ，它的电流、电压与G T O ( 门极关断晶闸管) 相同，而开关频率和触发功 率与I G B T 相当，是开发大功率、中电压的理想变频器件1 1 1 。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频 器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为P h M 控制变频器、P W M 控制变频 器和高载频P W M 控制变频器：按照工作原理分类，可以分为Y f 控制变频器、转 差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、 高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场 的转速表达式为”1 ： 儿：盟(2-1) 啊。n p 式中：璃一同步转速( r m i n ) ； Z 一定子频率( t t z ) ； n p 一磁极对数。 而异步电动机的转速为 9 第2 章变频器调速系统 垆啊( ) - 孚( ) ( 2 - 2 1 - - sl-s(2-2) 垆啊( ) 2 i ( ) ) 式中s 一异步电动机的转差率，s - ( 喝一n ) n , 改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。当然， 也可以通过改变转差率，和磁极对数肝。，来改变异步电动机的转速。但是变极对 数和变转差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和 高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。交流变频器正是通过均匀的改变输 入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。对异步电动机进行调速控制 时，希望电动机的主磁通保持不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电 流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降；磁通太强，则由于过励磁状态，使 励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力 要下降。异步电动机的气隙磁通( 主磁通) 是定、转子合成磁动势产生的。由电机理 论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为： 置= 4 4 4 f , l 巾 ( 2 - 3 ) 式中置一定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值( y ) ； Z 一定子频率( H z ) ； I 一定子相绕组有效匝数： 由一每相磁通量( 肋) 。 由上式可见，由的值是由巨和石共同决定的，对E 和Z 进行适当的控制，就 可以使气隙磁通巾保持额定值不变。下面分两种情况说明： 1 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频( 电动机额定频率石，) 向下调速的情况，为了保持电动机的负 载能力，应保持气隙主磁通由。不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动 势，保持巨石= 常数，即保持电动势和频率之比为常数进行控制。这种控制又称 为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。 基于P L c 和变频器的印刷机控制系统 但是，互难于检测和直接控制。当巨和Z 的值较高时，定子的漏阻抗压降相 对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U 和频率Z 的比值为常 数即可。这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U 和巨都变小， 定子漏阻抗压降( 主要是定子电阻压降) 不能再忽略，这种情况下，可以适当的提 高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。 2 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况，频率由额定值，i 。向上增大，但电压U 受额定电压U 。的限制不能再升高，只能保持U = W l 。不变。必然会使主磁通随着 Z 的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方 式。 综合两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 1 所示，分为恒 转矩区和恒功率区，低频调速时通过电压补偿的方式来保持恒转矩。 图2 1 异步电动机变频调速时的控制特性 第2 章变频器调速系统 2 2 变频器中常用的控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有v f 协调控制、转差频率控制、矢 量控制、直接转矩控制等。 ( 1 ) v f 正弦脉宽调制( S P W M ) 控制方式 V f 控制是为了得到理想的转矩一速度特性，基于在改变电源频率进行调速的 同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用 这种控制方式。V f 控制变频嚣结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式， 不能达到较高的控制性能，丽且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转 矩特性。 ( 2 ) 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在v f 控制的基础上， 按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节 变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控 制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制， 因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加 减速和负载变动有良好的响应特性。 ( 3 ) 电压空问矢量( S ￥P 硎) 控制方式 它是以三相波形整体生成效果为I ； 提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场 轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈 估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动 态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性 能没有得到根本改善。 ( 4 ) 矢量控制( V C ) 方式 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对 电动机在d 、q 、0 坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控 制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间， 又可以形成各种P W M 波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的P W M 波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频 基于P L c 和变频器的印刷机控制系统 率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种“”。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性致，但 是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控 制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差 频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。这 种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器。在本论文所针 对的七电机控制系统中，放卷以及出入料牵引电机的变频器就使用了这种控制方 式。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行 控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电 流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作 方便，可用在控制精度要求不高的场合， 变频器。 2 3 安川矢量变频器的优点 如本论文七电机控制系统中的收卷电机 对于常规的V ，f 控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导 致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器 中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能 叫做“转矩提升”。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输 出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的 转矩分量和其它分量( 如励磁分量) 。 “矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和 其它电流分量( 如励磁分量) 的数值。“矢量控制”可以通过对电机端的电压降的 响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能 对改善电机低速时温升也有效。 安川变频器具有业界最为优秀的矢量运算精度( 1 2 位模拟指令) ，并且拥有精 确的电机参数自学习功能，配以选配的P G 卡，能够进行精密的速度控制。因此本 论文项目选用它与A B B 电机、西门子P L C 组成张力控制系统。 第3 章s 7 2 0 0P L C 的工作原理 第3 章$ 7 - 2 0 0P L C 的工作原理 一台s 7 2 0 0M i c r oP L C 包括一个单独的s 7 2 0 0C P U ，以及带有各种可选扩 展模块。本论文中使用s 7 2 2 6C P U 和E M 2 2 2 继电器输出模块、E M 2 3 1 模拟量输入模 块组成控制指令系统。 3 1S 7 - - 2 0 0M i c r oP L C 的C P U 扫描工作方式 S 7 2 0 0C P U 按照以下机制循环工作n ”： ( I ) 输入处理：每次扫描周期开始时，先读入数字输入点的当前值，然后把 这些值写到输入映像寄存器中。C P U 以8 位( 1 个字节) 为增量的方法来保留输入映 像寄存器。 ( 2 ) 执行程序：在此阶段中，C P U 执行程序是从第一条指令开始，直到最后 一条指令结束。如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程 序的一部分存储下来。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当 中断事件发生时才执行。 ( 3 ) 处理通信请求：在此阶段中，C P U 处理从通信端口接收到的任何信息。 ( 4 ) 执行C P U 自诊断测试：在此阶段，C P U 检查其硬件，以及用户程序存储器 ( 仅在R U N 模式下) ，它也检查所有i o 模块的状态。 ( 5 ) 写数字输出：在每个扫描周期的末尾，C P U 把存在输出映像寄存器中的数 据输给输出数字点。C P U 以8 位( 1 个字节) 为增量的方法来保留输出映像寄存器。 只要C P U 处于运行状态，上述步骤就周而复始地执行，如图3 1 所示。 1 4 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 一个扫描周期 写输出7 丫读输入 执行C P U 自诊断夫卜 执行程序 - - _ 处理通信请求 图3 1C P U 的扫描工作方式 上述五个步骤是S 7 2 0 0C P U 的软件处理过程，可以认为就是程序扫描时间。在 此过程中P L C 随时响应用户的中断请求，并按预先设定的中断优先级别依次执行。 3 2 子程序和中断服务程序 子程序和中断服务程序都是程序的组织结构，它们和主程序一起被称为P O U ( 程序组织单元) 。 1 子程序 子程序可以把整个用户程序按照功能进行结构化的组织。一个“好”的程序 总是把全部的控制功能分为几个符合工艺控制规律的子功能块，每个子功能块可 以由一个或多个子程序组成。这样的结构也非常有利于分步调试，以免许多功能 综合在一起无法判断阅题的所在：而且，几个类似的项目也只需要对同一个程序 作不多的修改就能适用。 子程序在调用时会保持当前的逻辑运算结果，但是不保存累加器( A C x ) 的 内容 子程序在执行到末尾时自动返回，不必加返回指令；在子程序中间也可以 使用条件返回指令 子程序不能使用跳转语句跳入、跳出 子程序返回时，回到调用子程序的指令后面，继续执行上一级程序 0 S 7 - 2 0 0C P U 最多可以调用6 4 个子程序( C P U 2 2 6 为1 2 8 个) 子程序可以嵌套调用，即子程序中再调用子程序，一共可以嵌套8 层 在中断服务程序中不能嵌套调用子程序，被中断服务程序调用的子程序中 1 5 第3 章$ 7 - 2 0 0P L C 的工作原理 不能再出现子程序调用 子程序可以带参数调用，在子程序的局部变量表中设置参数的类型；一共 可以带1 6 个参数( 形式参数) 2 中断服务程序 中断功能是S 7 2 0 0 的重要功能，用及时处理与用户程序的执行时序无关的操 作，或者不能事先预测何时发生的“事件”。 S 7 2 0 0 中使用中断服务程序来响应这些内部、外部的中断事件。中断服务程 序需要通过用户编程与特定的中断事件联系起来，才能工作。中断程序与子程序 最大的不同是，中断服务程序不麓由用户程序调用，而只能由特定的事件触发执 行。因此无法准确预测何时执行中断服务程序。 中断服务程序只有由用户程序把中断服务程序标号( 名称) 与中断事件联 系起来，并且开放系统中断后才能进入等待中断并随时执行的状态 多个中断事件可以连接同一个中断服务程序；一个中断服务程序只能连接 一个中断事件 中断服务程序也可由用户程序取消与中断事件的连接；队列中的特定中断 事件可以被指令取消：也可用指令禁止全部中断 中断程序只需与中断事件连接一次，除非需要重新连接 进入中断服务程序时，S 7 2 0 0 的操作系统会“保护现场”，从中断程序返 回时，仍然恢复当时的程序执行状态 中断事件各有不同的优先级别 中断服务程序不能再被中断。中断程序执行时，如果再有中断事件发生， 会按照发生的时自J 顺序和优先级排队 中断服务程序执行到末尾会自动返回，也可以由逻辑控制中途返回 0 S 7 2 0 0C P U 最多可以使用1 2 8 个中断程序，中断程序不能嵌套 在中断程序中只能调用一层子程序，中断程序中的子程序不能嵌套，否则 会出错 中断程序应短小而简单，执行时对其他处理不要延时过长，即越短越好 1 6 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 3 3 S 7 2 0 0 的数据类型 S 7 2 0 0 的数据主要分为： 与实际输入输出信号相关的输入输出映像区： I ：数字量输入( D I ) Q ：数字量输出( D 0 ) A I ：模拟量输入 A O ：模拟量输出 内部数据存储区 V ：变量存储区，可以按位、字节、字或双字来存取V 区数据 M ：位存储区，可以按位、字节、字或双字来存取M 区数据 T ：定时器存储区，用于时自J 累计，分辨率分为l m s 、l O m s 、l O O m s 三种 C ：计数器存储区，用于累计其输入端脉冲电平由低到高的次数。C P U 提供了 三种类型的计数器：一种只能增计数；一种只能减计数；另外一种既可以 增计数，又可以减计数 3 4S 7 2 0 0 的数据格式 S 7 2 0 0C P U 收集操作指令、现场状况等信息，把这些信息按照用户程序指定 的规律进行运算、处理，然后输出控制、显示等信号。所有这些信息在s 7 2 0 0P L C 中，都表示为不同格式的数据，作为数据来处理；按照其自身定义，格式不同的 数据表示不同含义的信息。 在$ 7 - 2 0 0 中，各种指令对数据格式都有一定要求，指令与数据之间的格式要 一致才能正常工作。例如，为一个整数数据使用实数( 浮点数) 运算指令，显然 会得到不正确的结果。 数据有不同的长度( 以二进制表示它们时，占据的位数不同) ，也就决定了数 值的大小范围。模拟量信号在进行模数( A D ) 和数模( D A ) 转换时，一定会 存在误差；代表模拟量信号的数据，只能以一定的精度表示模拟量信号。 1 7 第3 章s 7 2 0 0P L C 的工作原理 所有的数据在P L C 中都是以二进制形式表示的 数据都有其特定的长度和表示方式，称为格式 数据的格式与用于运算、处理它的指令相关 以不同的格式查看一个数据，或是使用不同格式的指令处理它，会得到不 同的效果 表3 1S 7 2 0 0 支持的数据格式 数据长度 寻址格式( 二进制数据类型取值范围 位) 知尔数 B O O L ( 位) 1 ( 位) ( 二进制真( 1 ) ：假( O ) 位) 8 无符号整 B Y T E ( 字节)0 2 5 5 ；0 F F ( H e x ) ( 字节)数 有符号整。3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 ； I N T ( 整数) 1 6数8 0 0 0 7 F F F ( H e x ) ( 字) 无符号整；0 6 5 5 3 5 ； W O R D ( 字) 数0 F F F F ( H e x ) D I N T 有符号整 一2 1 4 7 4 8 3 6 4 8 2 1 4 7 4 8 3 6 4 7 ( 双整数)数8 0 0 00 0 0 0 7 F F FF F F F ( B e x ) D W O R D 3 2 无符号整0 4 2 9 4 9 6 7 2 9 5 ； ( 双字)数 0 F F F FF F F F ( H e x ) ( 双字) R E A L I E E E3 2 位一3 4 0 2 8 2 3 E + 3 8 一1 1 7 5 4 9 5 E 一3 8 ( 负数) ； 单精度浮+ 1 1 7 5 4 9 5 E 一3 8 + 3 4 0 2 8 2 3 E + 3 8 ( 正数) ； ( 实数) 点数 0 O A S C I I字符列表 A S C I I 字符、 8 个汉字内码( 每个汉字2 字节) S T R I N G ( 字节) 1 - 2 5 4 个A S C I I 字符、 ( 字符串) 字符串 汉字内码( 每个汉字2 字节) 实数不能绝对准确地表示“零” 3 5 S 7 - 2 0 0 的数据寻址方式 s 7 2 0 0 从外部接收信号输入( 输入数据) ，在内部按照用户程序运算、处理后， 再输出进行各种控制、显示。物理的输入输出信号，在s 7 2 0 0c P U 内部是以输入 1 8 基于P L C 和变频器的印刷机控制系统 输出映象区的形式对应。除此之外，C P U 内部也有各种数据区域，如变量区( V 存 储区) ，定时器、计数器数据等n 5 1 。 3 5 1 直接寻址方式 ( 1 ) 编址形式 按位寻址的格式为：A x Y 存储区内另有一些元件是具有一定功能的硬件，由于元件数量很少，所以不 用指出元件所在存储区域的字节，而是直接指出它的编号。其寻址格式为；A y 数据寻址格式为：A T x s 7 2 0 0 将编程元件统一归为存储器单元，存储单元按字节进行编址，无论所 寻址的是何种数据类型，通常应指出它在所在存储区域和在区域内的字节地址。 每个单元都有惟一的地址，地址用名称和编号两部分组成，元件名称( 区域地址 符号) 。 按位寻址的格式为：A x Y 必须指定元件名称、字节地址和位号，如图3 2 所示。图3 2 中M S B 表示最高 位，L S B 表示最低位。 M S B L S B 76543 210 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 1 5 f 一 即位号 节地址之间的间隔 ( 区域标志) 图3 2 按位寻址格式 3 5 2 间接寻址方式 间接寻址方式是，数据存放在存储器或寄存器中，在指令中只出现所需数据 所在单元的内存地址的地址。存储单元地址的地址又称为地址指针。这种间接寻 址方式与计算机的自J 接寻址方式相同。间接寻址在处理内存连续地址中的数据时 非常方便，而且可以缩短程序所生成的代码的长度，使编程更加灵活。 用间接寻址方式存取数据需要作的工作有3 种：建立指针、间接存取和修改指 1 9 第3 章s 7 2 0 0P L C 的工作原理 针。 ( 1 ) 建立指针 建立指针必须用双字传送指令( M O V D ) ，将存储器所要访问的单元的地址装入 用来作为指针的存储器单元或寄存器，装入的是地址而不是数据本身，格式如下： 例：M O V Dv B 2 0 0 ，V D 3 0 2 M O V D & M B I O ，A C 2 M O V D & C 2 ，L D l 4 注意：建立指针用M O V D 指令。 ( 2 ) 间接存取 指令中在操作数的前面加“木”表示该操作数为一个指针。 下面两条指令是建立指针和自J 接存取的应用方法： M O V D & V B 2 0 0 ，A C O M O V W蚶C O A C l 若存储区的地址及单元中所存的数据如下所示 执行过程如下： ( 3 ) 修改指针 下面的两条指令可以修改指针的用法： I N C DA C O I N C DA