（控制理论与控制工程专业论文）滚切式双边剪夹送辊的同步控制系统研究及实现.pdf

摘要 论文针对钢铁厂板材精整线上的关键设备一滚切式双边剪，研 制出一种通用的基于多电机同步控制理论的全数字式夹送辊同步控 制系统，实现对夹送辊的实时同步驱动控制，提高系统的可靠性和板 材的剪切质量。 早期的滚切式双边剪控制系统，采用数字与模拟控制相结合，通 过机械同步和电气同步相结合的方式来满足生产工艺的要求，此类同 步控制系统，同步实时性不高，系统控制线路纷繁复杂，系统受外部 环境条件( 特别是温度) 的影响较大，鲁棒性不高，系统运行时机械 冲击较大，并由此弓 发多种剪切缺陷，严重影响了钢板的剪切任务。 本文针对上述弱点，提出了一种全数字式的电气同步控制解决方案。 系统构架基于p r o f i b u s - - d p 现场总线，以可编程逻辑器作为d p 主站， 各夹送辊传动装置作为d p 从站由主站统一协调控制。论文提出并实 现了种无滑动摩擦的钢板。硬”同步控制方案，在不产生滑动摩擦 的情况下，各送板电机的速度由夹送的钢板来保证实时同步；系统根 据实际情况，提出“一主三从”和“一主七从”的电流跟随方案，在 保证同步的情况下，有效缓解了系统的机械冲击；系统设计采用总线 通讯的方式，由可编程逻辑控制器快速可靠地切换驱动器的控制结 构，使系统中的电机能方便地运行在速度电流双闭环和电流闭环两种 模式，实现同步送板；同时论文针对双边剪之类具有“硬”连接的系 统，阐述了此类系统不宜采用速度跟随方案的原因，对于相类似系统 同步控制方案的选择具有启发作用；系统根据实际的工艺流程，开发 了一套高效的处理程序，并且针对可能出现的故障，建立了故障分级 处理机制，有效保证了整套系统的安全可靠运行。 系统实际运行结果表明，该同步控制系统同步实时性好，运行稳 定可靠，运行过程中的机械冲击大大减轻，送板时接刀错牙在l m m 以内，在很大幅度上提高了钢板的剪切质量。同时，这种基于现场总 线和电流同步的全数字式同步控制系统对双边剪之类的控制对象具 有通用性，对旧双边剪机组控制系统的改造具有启发作用。 关键字滚切式双边剪，同步控制，现场总线技术 a b s t r a c t t h ep r e s e n tp a p e ra i m sa ti r o na n ds t e e lp l a n tp l a t ef i n i s h i n go n - l i n e t h ee s s e n t i a le q u i p m e n t - r o l l i l l 分c u td o u b l e - s i d e ss h e a r , d e v e l o p s o n ek i n dg e n e r a lt o t a l l yn u m e r a ls t y l ep i n c hr o l ls y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l s y s t e mw h i c hb a s e do nt h em u l t i m o t o r ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lt h e o r y , r e a l i z e ss y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lt ot h ep i n c hr o l lr e a l - t i m e ，e n h a n c e s s y s t e m sr e l i a b i l i t ya n di m p r o v e st h ep l a t e sq u a l i t ya f t e rc u t s t h ee a r l yc o n t r o ls y s t e mo ft h er o l l i n g - c u td o u b l e s i d e ss h e a r , u s e s t h em e t h o do fn u m e r a la n dt h es i m u l a t i o nc o n t r o lu n i f i e d , t h r o u g ht h e w a yo fu n i f y i n gt h em e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o na n dt h ee l e c t r i c a l s y n c h r o n i z a t i o nt os a t i s f yt h ep r o d u c t i o nc r a f t sr e q u e s t s t h i sk i n do f s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m , s y n c h r o n i z e dt i m e l i n e s si sn o th i g h , s y s t e m sc o n t r o ll i n e sc o m p l e x , t h es y s t e mi si n f l u e n c e ds e r i o u sb yt h e e x t e r n a le n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ( i ss p e c i a l l yt e m p e r a t u r e ) ，r o b u s t n e s si s n o th i g h ，w h e ns y s t e mm o v e m e n tt h em a c h i n e r yi m p a c ti sb i g , a n di s b r o u g h tm a n yk i n d so fc u t sf l a wf r o mt h i ss y s t e m ，s e r i o u s l ya f f e c t e dt h e c u td u t yo fs t e e lp l a t e t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h ea b o v ew e a k n e s s ， p r o p o s e do n ek i n do ft o t a l l yn u m e r a ls t y l e e l e c t r i c i t ys y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls o l u t i o n t h es y s t e ms k e l e t o nb a s e do np r o f i b u s - d pf i e l db u s ， t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rt a k e st h ed pm a s t e rs t a t i o n , v a r i o u s p i n c hr o l l st r a n s m i s s i o nd e v i c ea sd ps l a v e su n i f i e st h ec o o r d i n a t i o n c o n t r o lb yt h em a s t e rs t a t i o n t h ep a p e rp r o p o s e da n dr e a l i z e do n ek i n d s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp l a ni i lw h i c ht h es t e e lp l a t e sh a v e n tt h es l i d i n g f r i c t i o n ，i nt h es i t u a t i o nt h a th a v e n tt h es l i d i n gf r i c t i o n , t h es p e e do f t h ed e l i v e r i n gm o t o ri sg u a r a n t e e db yt h es t e e lp l a t ew h i c hc l a m p e d d e l i v e r st ot h er e a l t i m es y n c h r o n i z a t i o nr e s p e c t i v e l y ；t h es y s t e mb a s eo n a c t u a ls i t u a t i o n , p r o p o s e das o l u t i o nc a l l e d ”ah o s tt h r e es l a v e ”a n d ”a h o s ts e v e f ls l a v e ”t h r o u g h te l e c t r i cc u r r e n tf o l l o w i n g , e f f e c t i v e l ya l l e v i a t e d t h es y s t e mm a c h i n e r yi m p a c t ：t h es y s t e mu s e sf i e l db u sa st h em a i n c o m m u n i c a t i o nw a y , f a s tr e l i a b l ys w i t c ht h ec o n t r o ls t r u c t u r eo f t h ed r i v e r b yt h ep r o g r a m m a b l e1 0 西c a lc o n t r o l l e r , r e s u l ti l lt h es y s t e mt h em o t o r c o n v e n i e n t l yt or u ni nt w o k i n do f p a t t e r n s ：s p e e d - e l e c t r i cc u r r e n td o u b l e c l o s e dl o o pc o n t r o l l i n ga n dt h ee l e c t r i cc u r r e n tc l o s e dl o o pc o n t r o l l i n g ， r e a l i z i n gs y n c h r o n i z a t i o nd e l i v e r st ot h es t e e lp l a t e ；a tt h es a m et i m et h e p a p e ri i lv i e wo fr o l l i n g - c u td o u b l e - s i d e ss h e a ra n ds oo nw h i c hh a s ” h a r d ”c o n n e c t i o ns y s t e m , e l a b o r a t e dt h er e a s o nt h a tt h es y s t e mi sn o t s u i t a b l ef o ru s i n gt h e s p e e df o l l o w i n gp l a n , h a st h ei n s p i r a t i o nf u n c t i o n r e g a r d i n gt h es i m i l a rs y s t e mw h e nc h o o s es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lp l a n ； t h es y s t e mb a s e so na c t u a lt e c h n i c a lp r o c e s s ，h a sd e v e l o p e das e to f h i 曲l ye f f e c t i v ed i s p o s a lp r o c e d u r e s ，a n d i l lv i e wo f t h eb r e a k d o w nw h i c h p o s s i b l ya p p e a r s ，h a se s t a b l i s h e dt h eb r e a k d o w ng r a d u a t i o np r o c e s s i n g m e c h a n i s m ，e f f e c t i v e l yg u a r a n t e e dt h ee n t i r ew r a ps y s t e m a t i cs e c u r i t y a n dr e l i a b l er u n n i n g t h e s y s t e m sa c t u a lr u n n i n gr e s u l ti n d i c a t e dt h a t , t h i ss y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nt i m e l i n e s sg o o d ，t h es y s t e mi ss t a b l ea n d r e l i a b l e ，i nt h em o v e m e n tp r o c e s sm a c h i n e r yi m p a c tr e d u c e sg r e a t l y , w h e nd e l i v e r sp l a t et h eb o a r dm e e t st h ek n i f e ，t h ew r o n gt o o t hi si nl m m ， i nv e r yl a r g es c a l ee n b a n c e st h es t e e lp l a t e sq u a l i t ya f t e rc u t s a tt h e s a m et i m e ，t h i st o t a l l yn u m e r a lk i n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ef i e l db u s a n dt h ec u r r e n ts y n c h r o n i z a t i o nh a st h e v e r s a t i l i t yc h a r a c t e rt or o l l i n g - c u t d o u b l e - s i d e ss h e a ra n ds o0 1 1 ，h a st h ei n s p i r a t i o nf u n c t i o no fi m p r o v i n g o l dr d l l i i l g c u td o u b l e s i d e ss h e a r k e yw o r d s ：r o l l i n g - c u td o u b l e - s i d e ss h e a r , s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ，f i e l d b u st e c h n o l o g y 1 i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：咝眺丛啦月 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢必师签名母韭日期盟幽皿日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 双边剪( d s s ) 机组是轧钢厂板材精整线上的关键设备之，整个机组负责对轧 制成型后的钢板进行剪切参差不齐的毛边，使之成为在外形上能满足用户质量要求 的板材，提高钢板的附加值。 1 1 课题来源及研制目标 1 1 1 课题来源 韶钢钢铁集团第- - - 车l 钢厂精整线上的一套滚切式双边剪机组，原控制系统采用 s i e m e n s 公司的s 5 系统，传动核心部件采用m i n s e m id 换流器，通过数字与模拟 混合的集中控制方式来实现整套机组的控制运行。机组自1 9 9 8 年5 月投入生产以 来，整机运行情况基本正常，但随着使用时间的增长，系统存在一定的缺陷。送板 剪切时，钢板冲击大，导致钢板跑偏，严重时会使钢板报废；系统不稳定，剪切效 果时好时坏；滚切式双边剪运行时，机械冲击大，一些关键部件容易损坏，影响设 备的长期使用；控制系统线路繁杂，出现故障时很难及时确定原因，系统维护十分 困难。以上缺陷严重影响生产的正常进行和钢板剪切质量。 应厂方要求，中南大学相关课题组承担了对该滚切式双边剪机组的电控系统进 行技术改造的科研任务。本课题正是来源于该科研项目的子项目“滚切式双边剪夹 送传动控制系统改造”。 1 1 2 课题的研究内容及研制目标 本课题的研制目标为对双边剪的夹送控制系统进行改造，研制一套可靠性高， 送板平稳，钢板跑偏偏差小，机械冲击小的全数字式双边剪夹送控制系统。 研究内容包括双边剪夹送系统的自动控制技术及相关理论、多电机同步控制理 论，在此基础上设计并实现高效可靠的全数字夹送传动控制系统。 双边剪是精整线上的关键设备，它运行的稳定性影响到整个轧线的连续生产， 同时，剪切的质量将直接影响板材的质量等级【1 l 【2 】。双边剪是集机械，液压，电控 于一体的复杂设备，其中机械部分刚性好，性能相对稳定，液压部分主要提供一个 恒定的压力，实现相对简单一些，而电控部分涉及动态控制，且存在控制点多，控 制部分联锁条件复杂，控制对象的不确定性等因素，因此电控部分的好坏及稳定性 将决定整套机组的正常运行。特别是国内很多双边剪机组以前采用模拟控制系统， 整个系统受外部环境( 如温度) 的影响比较大，控制参数很难确定，运行中需维护 人员经常调整参数来保证生产的连续进行。 硕士学位论文 第一章绪论 本课题通过对原系统以及双边剪运行性能和要求进行分析研究，设计了一套全 数字式的控制方案，已成功应用于实践，很大程度上减小了送板时的跑偏，提高了 可靠性，降低了运行时的机械冲击，对以前双边剪的改造提高有很大的实际意义， 同时，通过对多电机同步控制理论的研究与分析，针对双边剪这类控制对象，提出 了新的解决方案。 1 2 多电机同步控制技术概述 1 2 1 直流调速技术 直流电动机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在需要高 性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。 各种调速系统往往都是通过控制转速( 更本质的说，是控制电动机的转矩) 来 实现的，直流电动机的转速和其它参量的关系可用式( 1 - 1 ) 表达 3 1 拧：u - i r ( 1 1 ) 拧= 一 l 。l ， x 。o 式中以转速，单位r m i r a i 卜一电枢电压，单位为v ； 卜一电枢电流，单位为a ； r 电枢回路总电阻，单位为q ； o 励磁磁通，单位为w b ； e 由电机结构决定的电动势常数。 由式( 1 - 1 ) 可以看出，有三种方法调节电动机的转速。 1 调节电枢供电电压u 2 减弱励磁磁通o 3 改变电枢回路电阻r 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式 为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 变压调速分为旋转变流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器 三种。其中旋转交流机组由于设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基， 运行有噪声，维护不方便等诸多缺点【引，已经被淘汰。现在，静止可控整流器已成 为直流调速系统的主要设备。在控制方法上，转速，电流闭环控制已经得到了广泛 的应用，并且与现代控制理论相结合，出现了一些先进的控制策略，整个直流调速 系统的性能得到了很大程度的提升。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 多电机同步控制技术 协调控制0 4 】习问题在垂直升船机，分部造纸机，连续轧钢机【6 1 等多变量控制系 统中广泛存在。在多变量控制的实践中，有很多场合需要各受控量的控制过程相互 配合和“协调”，使各变量之间保持某种协调关系。 随着科学技术的不断发展，曾出现过各种各样的同步传动形式。多电机协调 控制是制造与生产过程中经常用到的很重要的控制，其中有要求几台电机的轴严格 同步传动的，如门型吊车，水闸闸门，升降桥等；有的则要求几台电机转角或转速 的比值按某一规律连续变化，如造纸机，塑料薄膜机等。在这些系统中多个电机之 间协调结果的好坏，直接影响生产效率及产品质量。因此，多电机协调一直是人们 不懈研究的课题之一，具有非常重要的现实意义【4 1 。 多台直流电机同步控制经历了机械同步传动 7 1 ，【8 1 , 1 9 1 ， 1 0 l 到电气同步控制的发展 过程。随着控制理论及电力电子技术的发展，国内外学者相继提出了许多基于新理 论的多电机电气同步控制方案。简单综述如下： 1 基于同一给定电压的并联运行方法。各直流调速系统采用同一给定电压， 电机之间的速度协调关系由同步系数口决定，其控制原理如图i - i 所示：这种方法 线路简单，容易实现，且启动时不存在速度滞后问题，跟随性能很好。但由于采用 的是开环控制，因此，当某一电机负载发生变化时会引起一定的速度误差【1 1 i 。 2 基于同一给定电压的串联运行方法。这种方法以前一台电机的转速输出作 为下一台电机的速度给定，两电机之间的速度协调关系由同步系数口决定。这种控 制线路简单易行，但在阶跃输入起动过程的恒流升速阶段，后一台电机要比前一台 电机的转速稍有滞后，启动过程跟随性能不很理想，抗扰性也不十分理想。 图l - i 基于同一给定电压的并联运行同步控制 3 基于补偿原理【1 2 1 的控制方法。这种方法在各电机问采用同一给定电压或以 前一台电机的转速输出作为下一台电机的速度给定的基础上，比较主动电机和从动 电机的转速，其差值经补偿器加到从动电机或主动电机的控制输入端。电机之间的 硕士学位论文 第一章绪论 速度协调关系由同步系数口决定，其补偿原理如图卜2 所示。 图卜2 基于补偿原理的多电机同步控制 结果表明，并联运行的多电机同步驱动系统加转速补偿后，起动过程跟随性能 和稳态性能均有提高，抗扰性能尤其得到提高，因此这是一种理想的同步控制方案； 串联运行的多电机同步驱动系统加转速补偿后同步跟随性能和抗扰性能也同样得 到提高【4 l ”】。 随着社会生产力水平的不断提高，传统的控制方法已经不能满足生产工艺对多 电机速度同步控制精度要求，同时，随着控制理论的发展，出现了一些基于现代控 制理论的同步控制方法。如：把模型参掣1 4 1 自适用控制应用在多电机同步传动系统 中；补偿原理和内模控制相结合的多电机同步协调控制方案。基于现代控制理论 0 5 ，【1 6 1 的多电机同步控制技术使同步系统的动态性能，稳态性能，抗扰性能得到较 大的提高，同时系统的鲁棒性得到增强，并能得到比较好的起动性能及同步性能 0 7 1 【l 町，【1 9 1 ，【2 0 1 ，1 2 1 1 4 硕上学位论文 第二章系统的总体方案设计 第二章系统的总体方案设计 2 1 滚切式双边剪机组的组成及夹送系统的作业流程 2 1 1 双边剪机组的组成 韶钢二轧厂的双边剪机组是引进日本i i - h 滚切式双边剪设计、制造技术，由二 重为韶钢设计制造的。机组由多套设备组成，主要设备简介如下： 1 激光划线装置 位于双边剪剪前辊道前面，由激光发生器发射出的两道红色光线指示固定剪和 移动剪的剪切线位置，即确定钢板的剪切宽度。两条激光线之间的距离范围为 1 3 5 0 - - , 2 2 5 0 m m 。随着被剪切钢板宽度的变化要相应调整两条激光线之间的距离。 2 磁力对中装置 用于将待切边的钢板按激光划线装置设定的剪切线位置进行对正并合理分配 钢板两侧边的剪切余量。此设备由结构完全相同的4 台移送小车组成，每台移送小 车内均设有由液压缸升降的电磁吸盘。 根据钢板长度选择任意两台小车工作，当钢板由辊道运送至移送小车电磁吸盘 上方时，辊道即停止运转，两台液压缸同时将钢板抬离辊道面，电磁吸盘通电吸住 钢板，再由操作工视钢板所处位置，调整电磁吸盘的位置直到使钢板放到理想状态 为止，此时电磁吸盘去磁，液压缸活塞下降，钢板放到辊道面上，完成对中任务。 3 滚切式双边剪 滚切式双边剪是机组的主体设备，用作同时剪切钢板的两侧边，并在切边的同 时碎断被切下的废边条。该设备由1 7 个组件构成：本体、主传动装置、偏心轴装 置、主刀间隙调整装置、碎边刀间隙调整机构、刀片及其加紧装置、上刀平衡机构、 碎边刀架装置、废边支架装置、下刀护板装置、钢板压紧装置、夹送辊、横移机构， 机架夹紧装置，油槽、油槽装置及活动辊道。双边剪的两边剪机分为固定侧( f i x ) 和移动侧( m o v e ) ，固定侧的刀不能移动，而根据剪切钢板的宽度不同移动侧可以 进行调整，其相应其它设备也有类似固定侧和移动侧之分。下面对几项主要组件进 行介绍： 1 ) 刀片间隙调整装置 分为主刀间隙调整及后退装置及碎边刀间隙调整及后退机构两大部分。用于调 整切边刀和碎边刀上下刀片之间水平方向的间隙，剪切终了上刀向上运动之前使上 刀片快速后退。主刀间隙调整范围：o 1 , - , 4 m m ，碎刀间隙调整范围：0 - - , 1 2 m m 。移 5 硕士学位论文第二毒系统的总体方案设计 动侧和固定侧调整机理一样。 2 ) 钢板压紧装置 供剪机剪切钢板时压紧钢板用，该装置由液压缸驱动。 3 ) 夹送辊 用于夹紧并运送被剪切的钢板。夹送辊的空间布置如图2 - l 所示。夹送辊共有 4 组，每组2 台，共8 台，分别布置在双边剪的入口端和出口端的移动侧和固定侧， 分别称作入口固定侧( 上厂f 辊) 、入口移动侧( 上厂f 辊) 、出口固定侧( 上，下辊) 、 出口移动侧( 上几：辊) 。每侧的下夹送辊用同步轴联结。4 对夹送辊根据钢板送进 的要求，会不断地调整转速，并且结合有上抬厂f 压等动作，是双边剪机组传动的 主要部分，也是改造项目中的主要控制对象。 入口固定侧上辊出口固定侧上辊 入口移动侧下辊 出口移动侧下辊 图2 - 1 夹遥辊空间布置图 向 钔活动辊道 在移动剪和固定剪之间支撑被剪切的钢板，同时运送钢板，它始终处于两侧剪 机间的中间位置。多个辊子组成一组，由同一台电机驱动，保证速度一致。 5 1 横移机构 用于支撑移动侧和固定侧剪机并使移动侧剪机沿双边剪开口度方向运动，以适 应剪切不同宽度钢板之用。 6 1 主机( 偏心轴) 从钢板入口方向看移动侧偏心轴应按顺时针方向回转，固定侧偏心轴应按逆时 针方向回转，两根偏心轴的偏心相位应对称布置。在移动侧偏心轴的入口端安装有 一个指针，用于指示偏心轴的位置。由光电编码器检测偏心轴的角度，并在相关的 角度发出指令信号以便进行相应的动作。该光电编码器的一周光格为1 2 0 0 ，当量 为0 3 。双边剪机组的设备布置如图2 - 2 所示。 2 1 2 双边剪夹送系统的工作流程 通过分析，双边剪的核心控制部分为夹送辊的控制，夹送辊周期运行必须与曲 6 0 。 厂 、 。璧塑| 、圭刀薜开莽 2 7 3 。l 堕送扳开蝤 蟛j蠢琵升。号 麟栅虾抛刃端晶篙箸蘧恐 硕士学位论文第二章系统的总体方案设计 他设备动作严密配合，就应该满足送板及时、启停快速，且能够在规定的时间内送 板到位；同时夹送辊送板存在入口夹送辊单独送板，入口与出口夹送辊一起送板， 出口夹送辊单独送板的实时切换过程。 图2 - 4 夹送辊系统的工作流程 2 2 夹送辊控制系统的功能设计 2 2 1 根据工艺要求对夹送辊控制过程的分类 夹送辊分为入口辊与出口辊，入出口辊又分为上辊与下辊两组，每组两个夹 送辊，在空间上呈对称分布，每个夹送辊由一台直流电动机驱动，直流电机的额定 功率为3 7 k w ，额定电压2 2 0 v ，额定电枢电流1 9 2 a ，额定励磁电流4 a ，额定转速为 1 5 0 0 r m p 。根据生产工艺过程，夹送辊的控制流程可以分为如下三种： 1 控制入口四台夹送辊单独送板； 2 控制入口与出口共八台夹送辊共同送板； 3 控制出口四台夹送辊单独送板。 每块钢板的送板剪切都包含以上三种控制过程。 2 2 2 夹送辊控制系统的系统参数和控制方式 1 剪切速度与送板时间 根据工艺设计，夹送辊送板有三种步长可供选择：il o o m ，1 2 0 0 r m ，1 3 0 0 r m ； 根据剪切力学分析，剪切速度跟板厚h 有如下的匹配关系： 8 硕士学位论文 第二章系统的总体方案设计 4 h 8 时，剪切次数2 4 次分 8 h s l 6 时，剪切次数1 8 次分 1 6 h 。 斜坡下降：从商加速，正到低，为正向速度( 例如：从9 0 到1 0 ) ；或从高， 负到低，为反向速度( 例如从一9 0 到一1 0 ) 。 姨茨囱到菱自速发懿转换，簇魏：一1 0 鬟+ 5 0 ； 扶一l o 到0 - - - - - 斜坡下降和 从0 到+ 5 0 = 斜坡上升，反乏亦然 斜城上升时间：勰坡函数发生器，其输入鬣除跃变化默0 铡1 0 0 和从0 到一 1 0 0 并在0 鬻逅蠢锈始鏊薮和最终强孤，这翻1 0 0 辕毒毯掰霉鹣露秘。输出静 上升率响应输入的小步长变化时与输入量的值相同。 硕 学付论文 第莒系镜硬件配置原理分析 图3 - 3 系统控制电路总体原理框图 斜坡下降时间：斜坡函数发生器，其输入量阶跃变化从1 0 0 到0 或从一1 0 0 到0 并在0 附近有初始圆弧和最终圆弧，达到1 0 0 输出值所需的时间。输出的 上升率响应输入的小步长变化时与输入量的值相同【4 3 1 。 2 ) 运行原理 斜坡函数发生器的运行原理图如图3 - 4 所示。 斜坡函数发生器将阶跃的给定信号变换成随时间增长的斜坡信号，可以有效 缓解信号的变化率，使给定信号平缓作用于系统。 3 ) 斜坡函数发生器设置 斜坡函数发生器通过由参数p 6 7 3 和p 6 3 8 选择的开关量连接器设置控制方式。 2 速度调节器 速度调节器将来自斜坡函数发生器的转速给定值与内部反电动势确定的转速 实际值相比较，根据它们之间的差值输出相应的转矩给定值送转矩限幅器。转速调 节器是p i 调节器，此外尚有可参数设置的可接通速度软化，调节器的所有识别量 都可分别设定。转速调节器的p - 放大系数与转速实际值，电流实际值，给定值一实 1 9 硕十学位论丈 第三岢系统硬件配簧吁腺理分析 际镬懿蒺值挺匹配。农鼹萤器锬零放歼蜃速度溅铃器竣出最鲍大，l 、霹以逶过参数直 接调熬。 h l zr l z雕7 i “眨j 、 。 撼7 j k 一一 一 ， h 艘 夕 。乞一 、 a r i z v _ 嘣 、 # 镕n l 弋 f 黧2一苈 料墉雨缸，羞输一 l 1 9 z j 豁自塥教t 珀0 i f k 入 0 1 8 1 兰 礴 嘏 ， 嚣 长 舯 a r r 吣 “ h - m_ ，” 小删嘞1 9 l ， x 1r 一， 厂。 17 a箕 i t 名辩墟升耐廊 麒韧始蕾 e l z 堆 群h 佩 馥量终圈矗 i ) 从科壤蝌事转接街上升秆摹的讧曩 # ) 程肇尢孵 聱鬻事z 聱。蜜履量橱曩氮转簋粒接曩重 3 ，斑卡羹 瓣耘壤母搜栽彝重隽霉噩瓣t 番弗骨 躅3 - - 4 辩城函教发生嚣运行原理困 3 转矩限幅 转矩限幅器的输入是来自遴魔调节器的转怒给定，经转缎限幅、速度限制调节 器瑶，逡霉运雾楚璞，楚瑾螽佟为电流绘定蓬送至电滚隈福器，窀滚绘定一转矩给 定电动机磁通。 通过参数可分别设定正、负转矩极限。另外，通过参数设霞的切换转邀的开关 量连接器毒实瑗转瓣极陵夔切换。最小设定壤慧是终舞当辩转矩蔽堰。 4 电流陵疆 在转矩限幅之胼的可调电流限幅器用来保护整流装置和电机。最小设滋值总是 作为电流限幅。 夔受毫滚辍袋攘霹密参数分澍浚定，毫瀛黻辐器还兵鸯臻率露分戆莰篷控功 能：在所有的电流值下计算晶闸管的温度。当迭别有关参数设定的晶闸管檄限温度 时，或省装置电流减小别额定电流值时装置使用故障信号断电。该功能用于保护晶 溺警。 5 电枢电流阕环控制 电流调节器是p i 调节器，电流限幅器的输出作为电流调节器的电流给定值， 硕十学位论史第：节系镜硬件叱冒j 棘理分析 电流调节器将电流给定值与内部电枢电流实际值进行比较处理，输出为触发装置的 控制角，经触发角限幅后送电枢触发单元。同时作用于触发装置的还有预控制器。 电流调节回路的预控制器用于改善调节系统的动态响应。预控制与电流给定值 和电机的反电动势有关，并确保在电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的 触发角的快速变化。 触发装置行成与电源电压同步的功率部分晶闸管控制触发脉冲。同步信号取自 功率部分，因此与旋转磁场和电子板供电无关。触发脉冲在时间上由电流调节器和 预控制器的输出值决定，通过参数可设定控制角极限。触发装置能自动适应频率 为4 5 - - 6 5 h z 的电源。触发装置输出调制电压至电枢，从而改变电枢电流，实现电 枢电流闭环控制1 4 3 1 。电枢电流闭环控制原理图3 5 。 图卜5 电枢电流闭环控制原理框图 3 3 分布式i o 从站 系统设计采用8 个调速柜，每个调速柜配置一个分布式i 0 ，分布式i o 的硬 件配置如表3 2 所示，分布式i 0 的数字量输入输出模块处理各调速柜内的输入输 表3 - 2 分布式i 0 从站配置 名称描述数量 电源模块稳压电源2 a1 总线通讯连接器 i m l 5 3 1 $ 7 - - 3 0 0 数字母输入模块 1 6 路2 4 v1 $ 7 - - 3 0 0 数字量输出模块 1 6 路，晶体管 1 2 1 硕十学付论文第三章系统硬件配置l j 原理分析 出信号，所有信号通过总线通讯连接器与p r o f i b u s - d p 主站相连，因此，每个调速 柜与p l c 的控制柜之日j 的布线将变得十分简单，可靠。 3 4p r o f i b u s 总线及其接口 p r o f i b u s 总线通讯有两种传输信号的方法：通过总线电缆进行电气化连接和通 过光纤电缆进行光连接。光连接在传输距离，抗干扰性方面均优于电气化连接，相 应的成本也高于电气化连接。在系统的设计中，传输信号的距离小于2 0 0 m ，因此 综合考虑满足技术上的需要和降低成本的要求，我们采用电气化的连接来实现总线 通讯。这种方式下，传递信号的介质为两芯的屏蔽电缆，屏蔽电缆通过总线连接器 与相应的p r o f i b u s d p t j 7 j 接口相连。总线连接器提供9 针的插头连接到p r o f i b u s d p 接口上，9 针插头的电气定义如表3 3 所示m 1 p r o f i b u s 协议的结构定向根据i s 0 7 4 9 8 国际标准以开放系统互联网络o s i 为参 考模型，p r o f i b u s d p 使用0 s i 参考模型中的第l 层( 物理层) ，第2 层( 数据链路层) 和用户接口，第3 层到第7 层未加以描述，这种结构确保了数据传输的快速和有效， 直接数据链路映像( d d l m ，d i r e c td a t al i n km a p p e r ) 提供易于进入第2 层的用户接 口，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能并详细说明了各 种不同p r o f i b u s d p 设备的设备行为，还提供了传输用的r s - 4 8 5 传输技术或光纤。 通讯的速率最高可达1 2 m b o u d 3 5 通讯模块c b p 2 3 5 1 电气接口 系统设计采用p r o f i b u s d p 总线连接方式实现p l c 与直流调速装置之间的通 讯，对于直流调速装置，必须配置总线通讯模块c b p 2 板，c b p 2 通讯模块提供9 针s u b - d 插座作为通讯的电气接口，通讯的波特率在9 6 k 到1 2 m 之间可调，9 针 的电气接口具体定义如表3 3 所示【4 1 i ， 3 5 2 通讯模式及工作原理 c b p 2 通讯模块支持非周期通讯模式，如通过网络上的操作屏直接对调速装置 设置或操作，同时，还支持周期性交换有用数据的模式。设计中采用周期性交换有 用数据的模式。此模式有5 种。参数过程数据目标”( p p o ) ，每种p p 0 分为参数识 别区( p k w 区，最多4 个字) 和过程数据区( p z d ，最多1 0 个字) 。p 矾区允许参 数值的读和写及参数描述的读写。通过这种方式使从动装置的参数可受到监控和改 变。p z d 区包含了从自动化系统到传动系统的信号，如过程控制所需的控制字和设 硕 学位论文第t 昔系统硬件配置弓原理分析 表3 - 3 总线通讯接口针脚定叉 针号符号 意义 区域 ls h i e l d 接地 2 不用 3r x d ，t x d p 接收发送数据r s 4 8 5 4c n t r p 控制信号竹l 5d g n d 数据参考电位 6 v p 电源电压，正极 5 v 士1 0 7 不用 8r x d 厂1 x d n 接收发送数据r s 4 8 5 9 不用 定值，或从传动系统到自动化系统的状态字和实际值。五种参数过程数据目标的形 式如表3 4 所示，设计中选择p p 0 1 模式，将所要传递的信号写入p z d 区【4 3 】。 表3 _ 4p p 0 类型分类 p p o - 类型p k w 区p z d 区功能板 p p o l 固定长度：4 字固定长度：2 字 c b p 2 p p 0 2 固定长度：4 字固定长度：6 字c b p 2 p p 0 3 同定长度：0 字同定长度：2 字 c b p 2 p p 0 4 固定长度：0 字 同定长度：6 字 c b p 2 p p 0 5 围定长度：4 字固定长度：1 0 字 c 8 p 2 3 6 直流调速系统外围电路设计 3 6 1 直流调速装置控制模块外围电路设计 直流调速装置控制模块c u d l 提供了数字量输入，数字量输出，模拟量输入， 模拟量输出，编码器输入，串行通讯等接口，在本系统中，将p l c 的控制信号以 及控制柜面板上的控制信号通过数字量输入点输入控制模块，将所需的直流调速装 置的状态信号通过数字量输出点输出到p l c 和柜面板上的指示灯，同时，将电枢 电流和电压通过模拟量输出到柜面板上的模拟表( 通过量程转换) ，控制模块上的 串行通讯接口用来传输电流给定同步信号。电路接线原理如图3 - 6 所示。 3 6 2 直流调速系统的供电回路设计 整个系统由三相四线制的三相3 8 0 v 电源供电。由于原系统的设计中主回路是 三相2 2 0 v 供电，因此实际上每台装置供电回路都配置有一台变压器，将三相3 8 0 v 转换为三相2 2 0 v ，在改造中，应厂方的要求，仍然保留此变压器，因此，直流调 连接s 7 3 d i 来自拒面板 来自p l c 来自嘴制励磁 来自柜面板 脚 串行通讯 图3 - 6 调速装置控制模块外围接线图 速装置的主电路是三相2 2 0 v 供电。直流调速装置的主输入电路通过接触器连接到 三相2 2 0 v 电源，直流调速装置的控制模块采用2 2 0 v 单相供电，通过隔离变压器连 接相电源。直流调速装置的电枢输入侧和励磁输入侧均通过熔断器连接到装置， t t ， 、乜t 蛋 tr f 。5： 2 p i t l f】j1 2 f u z 。 一一j 盎l 1 册。u盎一 盎一 2 心 ，dj 2 q p 4 ：q f 2 2 卯i - 4 ， m 掇 墨宝 薹 ； ， 暑 ； 至 ，9 hh ， 9 ( - 1rh 一 = 如一 控制风村励嫩电杯 控制柜冷 电机冷却 $ 7 - 3 0 0 电源电塥f电源电壤 却风机 风机电壤模块6 r a 7 0 图3 7 调速柜供电回路简图 2 4 硕十学位论文第三章系统硬件配膏原理分析 起保护直流调速装置的作用。接触器由p l c 通过继电器来控制通断，在正常生产 的情况下，接触器应该保持在吸合的状态，且接触器不应该频繁接通或断开( 影响 接触器的使用寿命) 。单台夹送辊直流调速系统调速柜供电回路设计如图3 - 7 所示。 3 6 3 直流调速装置的输出回路设计 调速柜到夹送辊的电机距离在2 0 米左右，电机安装在夹送辊的外端部，对于 夹送辊上辊，电机会跟随上夹送辊频繁的压下，抬升。调速装置的电枢输出侧和励 磁输出侧均通过熔断器连接到电机，当发生对地短路或相问短路时，可以保护电机 和直流调速装置。如图3 8 所示： 图3 - 8 调速柜输出回路筒图 硕p 学位论定第删章多直流电机| n 1 步榨制的理论分析b 系圣觅实观 第四章多直流电机同步控制的理论分析与系统实现 4 1 单台直流电机调速系统的设计及原理分析 4 1 1 单台电机调速系统结构设计 1 系统结构及工作原理 单台夹送辊的工作过程为启动一制动的过渡过程。由于机械的联锁及曲轴转速 的限制，允许的最大送板时间已经基本定为1 2 0 0 m s