（机械电子工程专业论文）金属化膜电容器全自动卷绕机张力控制.pdf

东南大学硕士论文 金属化膜电容器全自动卷绕机 张力控制研究 摘要 本文以金属化膜电容器全自动卷绕机为研究对象，深入探讨了电容卷绕机的张力控制问题，在 此基础上完成了张力控制系统的重新设计。 张力控制是实现全自动卷绕机关键技术。本文分析了几种典型的张力控制系统，通过对现有控 制方案进行详尽的比较和分析，并结合工程实际，提出了采用p l c 和交流伺服控制器集成实现金属 膜卷绕机张力控制的方法。该方法以p l c 为控制核心，以p i d 为张力控制算法，以交流伺服伺服电 机为驱动对象，最终实现薄膜张力的稳定控制。 本文详细阐述了金属化膜电容器全自动卷绕机控制系统的设计原理，并对主控制器及其外围电 路进行了详细设计。通过p l c 的专用模块s f b 4 1 实现伺服系统的p i d 控制，设计了连续控制p i d 功 能块s f b 4 1 的输入与输出参数、控制原理和相应的运算过程。在此硬件硬件系统基础上，基于p i d 控制算法，采用s t e p 7 软件实现了卷绕机的硬件组态和张力控制可视化程序的编制。操作方便，可 靠性高，有着十分友好的人机对话界面。 以上述软硬件系统为基础，对所设计的张力控制系统的软硬件进行联调，并在某金属化膜电容 器生产企业投入实际应用。运行结果表明，该控制系统能够较好地满足金属膜卷绕机的张力控制要 求，成功地实现了金属膜卷绕机的自动化控制。 关键词：金属化膜卷绕机；张力控制：交流伺服：p l c 摘 要 t e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i cw i n d i n g m a c h i n ef o rm e t a l i z e dc a p a c i t o r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a l la u t o m a t e dm e t a l i z e dc a p a c i t o rw i n g d i n gm a c h i n ei st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t , a n d t h ep r o b l e ma b o u tt h et e n s i o nc o n t r o lo ft h i sm a c h i n ei sd e e p l yi n v e s t i g a t e d t h er e d e s i g no ft h et e n s i o n c o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d t e n s i o nc o n t r o li sk e yt or e a l i z et h et o t a la u t o m a t i o no nt h ew i n d i n gm a c h i n e i nt h i st h e s i s ，m a n y c l a s s i c a lt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m sa r es y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so f c u r r e n ta v a i l a b l ec o n t r o lr e a l i z a t i o n s am e t h o di si m p r o v e dt oc a r r yo u tt h et e n s i o nc o m r 0 1w i t ht h e p l c - s e r v os y s t e mb a s e do nt h ep r o j e e l as p e c i a lm o d u l es f b 4 1o fp l ci sa d o p t e di nt h ep i dc o n t r o lo f t h i ss e i v os y s t e m t h ed e s i g nt h e o r yf o rt h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h ea u t o m a t e dm e t a l i z e dc a p a c i t o rw i n d i n g m a c h i n ei si n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h ea u x i l i a r yc i r c u i t sa r ed e t a i l e d l yd e s i g n e dw i t h t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h mo nt h eb a s eo fh a r d w a r es y s t e m 1 1 1 ep r o g r a m m i n go ft h ew i n d i n gm a c h i n e s h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n a n da n dt e n s i o n - c o n t r o l l i n gi n t e r f a c ei sf i n i s h e d t h ed e b u go ft h eb u i l tc o n t r o l s y s t e mi ss u c c e s s f u l l yc a r r i e do u t t h ed e b u g r e s u l tp r o v e st h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mc a ns a t i s f yt h ed e m a n d o nt h em i c r o - t e n s i o no ft h ea u t o m a t e dm e t a l i z e dc a p a c i t o rw i n g d i n gm a c h i n e ，a n dt h ea u t o m a t i o no ft h e m e t a l i z e dc a p a c i t o rw i n g d i n gm a c h i n es u c c e s s f u l l yc o m e st r u e k e y w o r d s ：m e t a l i z e dc a p a c i t o rw i n g d i n gm a c h i n e ；t e n s i o nc o n t r o l ；a c - s e r v oc o n t r o l ；p l c n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 秒，占 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 a 付1 j g 盟日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 金属化膜电容器由于体积小、安全性能好、损耗低、环保、品种众多，广泛应用于电力、冶金、 交通、照明、电子等行业。在电力系统上大量使用高低压并联电力电容器，近年来，随着电力机车 的发展，滤波和补偿电容器的使用量呈高速增涨的态势。照明行业、空调及冰箱等家电行业对电容 器的需求量更是大幅增加，仅空调器一项每年就需金属化膜电容器5 0 0 0 万只以上。 早在1 9 8 2 年，南京电力电容器厂为我国首家引进了意大利依卡尔公司的全套自愈式电容器生产 线。近三十年来，自愈式金属化膜电容器已经基本取代了传统的全纸或膜纸复合电容器，金属化膜 电容器在许多行业得到了广泛应用，但是自愈式金属化膜电容器生产设备国产化的进程却不尽人意， 特别是在关键设备的生产制造方面和国外相比仍有较大差距。作为生产金属化膜电容器关键设备， 金属化膜电容器全自动卷绕机是生产高质量金属化膜电容器的基本保证。目前，国内生产金属化膜 电容器厂家所使用的全自动卷绕机都是从瑞士、意大利、日本等国家引进，花费了大量的外汇。迄 今为止，国内除了少数厂家制造半自动卷绕机外，还没有厂家能够生产制造全自动金属化膜电容卷 绕机。国内各金属化膜电容器生产厂家迫切希望对金属化膜电容器全自动卷绕机开展研究并实现国 产化，该项研究对我国电力电容器行业具有十分重要的现实意义。 1 2 金属化膜电容卷绕机发展概况 目前国外能生产优质全自动卷绕机的国家主要有美国、日本、意大利、瑞士等，我国台湾的一 些厂家能够生产全自动卷绕机，但是产品的质量也很难跟瑞士、意大利等国家生产的产品相提并论。 2 0 0 5 年，新东北电气电力电容器有限公司从瑞士引进一台m e t r o n i c 全自动金属化膜电容卷绕机需要 2 0 0 万元人民币左右，意大利阿可( a r c 0 1 r o n i c s ) 公司生产的a v h 3 6 1 全自动卷绕机大概需1 5 0 万元人民币，韩国生产的全自动卷绕机在8 0 万元人民币左右。大陆的卷绕机生产厂家的产品质量很 难满足电力、冶金、电炉等行业对优质金属化自愈式电力电容器的需要，国内目前只有少数厂家能 够生产半自动金属化膜电容元件卷绕机，如无锡先导自动化设备有限公司只能够生产的半自动金属 化膜电容元件卷绕机，如图1 1 所示。 无锡先导自动化设备有限公司生产的j r l 2 0 半自动金属化膜电容元件卷绕机主要采用常规继电 器逻辑控制，主绕电机选用直流调速电机。放卷轴采用磁粉制动器控制元件卷绕过程中的张力，参数 以手工调节为主，元件不能实现全自动卷绕。在元件卷绕起始阶段必须由人工实现引膜，元件卷绕 结束后也必须由人工实现切膜和外包膜的卷绕。 3 东南大学硕l 论文 图11 国产j r l 2 0 半自动卷绕机 图l2 机械式半自动卷绕机 国外电容元件卷绕机的发展经历了一个从机械式、i 自动卷绕机( 图l2 ) 到全自动卷绕机的发展 过榉，随着电力电子学、微电子学、传蓥技术、永碰技术和控制理论的不断发展。全自动卷绕机的 电气控制部份也有了很大的发展。 圈13 瑞士制程全自动昔绕机 2 0 世纪7 0 年代中期瑞士麦塔( m e t a r ) 公司就研制出了实用的全自动金属化膜电容元件卷绕机 如图13 所示其电气控制为常规继电器控制，主绕电机为直流调遮电机( 见图14 ) ，调速电路以分 立电子元1 ，| ：为土( 见图1 5 ) ，张力控制采用力矩电机，通过改变电机电流达到改变电机输出力矩从 而控制卷绕张力的要求。该卷绕机执行气缸的状态由微动开关检测由于存在机械接触，微动开关 的动臂经常会发生变形，从而使机器发生故障不能正常工作。 一精论 囵图 臣 髓1 6m e l , d n i c 全自动卷娆机 1 3 卷绕机张力控期系统的研究和发展概况 在坊织遗纸驻纤及电子器件婷生产行业中忤追存在着张力i 空制的问最在文多敲情况下 保持张力的辅度直接影响产品的加工质量、生产教事以及原材料的使用效率 对r 巷饶机张力控制系缱，早发展起来的魁机槭式张力控制机构箕强力殴定张力检测和 ， 东南大学硕士论文 控制均采用机械式的方法来实现。在此基础上，于6 0 年代发展了磁粉离合器，它具有结构紧凑、控 制简便等优点，但存在磁粉因摩擦生热，影响其使用性能及退磁和磁滞等问题，影响了控制性能。 后来国外积极发展了电气控制和微机控制，该种方式使控制精度有了较大幅度的提高。随着控制理 论的不断发展和计算机应用水平的不断提高，过程的计算机控制得到了充分的发展，尤其是随着微 处理器的性价比不断提高，其应用领域得到极大推广。 国内外对张力控制方面已进行了大量的研究工作，并成功地应用于各种设备中。k u z n e t s o v 1 l 建 立了卷绕机及其转速与张力控制系统的数学模型，并对系统的瞬态响应过程进行了分析。w e i ， c h a o - h u a n g 2 】针对实际运行的卷绕机，提出一个具有自适应p i d 控制的仿真模型。不同的控制参数 可以手动也可以自动地通过l a b v i e w 软件建立界面输给仿真器。在卷绕机应用这些参数之前就可以在 仿真器上观测到仿真结果，因此大大节约了实验时间和实验材料。s a u t e r , d o m i n i q u e 3 l 给出了动态系 统的自学习控制方法，该方法由两步实现。第一步使用方向过滤器检测和隔离失败的因素，其中过 滤器具有特殊的引擎结构；第二步，重新配置机械结构，用以补偿失败因素造成的影响。这种方法 用在卷绕机的网络张力控制，对执行机械的错误纠正具有较好的效果。鲁阳h 1 通过对电容卷绕过程 中恒张力控制的研究，提出了用模糊控制解决该问题的方法，并系统介绍了模糊控制规则的制定、 张力控制系统的建模与仿真、单片机控制系统的硬件配置及编写汇编软件的要点。席光华砖1 就金属 化薄膜电容器卷制工艺中张力控制作了探讨。通过对实验后的数据加以分析，根据不同规格、不同 厚度的金属化薄膜，在卷绕过程中对张力进行优化控制，能进一步提高产品电性能。谢莉萍哺1 给出 了一种适用于工程常见的二阶控制对象的推理控制算法，并成功地应用于金属化薄膜电容器全自动 卷绕机中作为快速张力伺服控制。李实永1 以金属化膜电容器全自动卷绕系统为研究对象，设计了 一种用于薄膜恒张力控制系统的p i d 控制系统，该系统实现了p i d 参数的在线整定，进一步完善p i d 控制器自适应性能，并对系统采用该控制策略进行了仿真。 在张力系统控制方面，主要有单片机控制、微机控制、p l c 控制、电气控制、同步控制等。周美 兰，沈稼丰，董艳杰哺1 提出了一种单片机控制的卷绕机构恒张力控制系统方案，建立了系统的数学 模型，并在此基础上给出了恒张力系统的软硬件设计。安宏伟阳1 认为在p l c 控制中，可以根据控制要 求，在张力辊处安装了张力传感器，检测带材的张力，并由张力变送器送至i j p l c 的模拟量输入单元中 进行处理。交流伺服驱动器和张力控制器的输入信号，由p l c 的模拟量输出单元输出，而所有的开关 量输入和输出信号分别由晶体管输入单元接受和继电器输出单元输出。触摸屏可方便的进行数据设 定、运行操作。并可显示运行状态及工作情况。颜世钢，孙刚义n 伽通过对目前国内的生产设备包括 进口设备的研究得到模拟电路的张力控制系统属于时变非线性系统，用模拟电路进行控制其难度大、 精度低。计算机具有记忆存贮、适时运算等多种功能，操作方便，编程灵活，运算速度快，易于实 现模拟电路难于实现的控制规律。吴峻1 认为卷绕机张力控制问题，设计及实现建立在锁相环基础上 6 第一章绪论 的同步控制系统。该系统具有快速响应和稳定性的特点，能以较高精度保证收放卷速度的同步，从而 使张力保持动态平衡，实现了对张力波动的有效控制。 1 4 课题研究的主要内容 目前，电容器生产行业中，卷绕机大部分依赖于进口，对张力控制系统缺乏详尽的资料和理论 依据。而且，张力控制系统在其它行业也有很大范围的应用，对张力控制系统的研究一方面可以提 高张力控制方面的理论水平，另一方面，可以在实际应用中，解决张力控制问题，以加快消化吸收 引进设备和尽快达到国产化的步伐。 本文结合“南京电力电容器有限公司电容全自动卷绕机电气改造”项目，主要完成了以下工作： 1 对金属化膜电容器全自动卷绕机的卷绕过程进行简要介绍，并对影响金属化膜电容器质量 的主要因素进行了探讨； 2 在对现有几种典型张力控制系统分析的基础上，经过多方面比较与分析，选择使用西门子 s 7 3 0 0p l c 和安川c a c r - s r 0 7 a c l e r 交流伺服驱动器实现张力自动控制； 3 阐述了金属化膜电容器全自动卷绕机控制系统的设计原理，完成主控制器及其外围电路的 硬件设计； 4 以上述硬件系统为基础，采用p i d 控制算法用s t e p 软件实现全自动卷绕机硬件组态和 张力控制可视化程序编制。 5 对张力控制系统的软硬件进行联调。 7 东南大学硕士论文 第二章张力控制方案分析 金属化膜电容器卷绕机的张力控制方法有很多种，有机械式张力控制系统、磁粉制动器张力控 制系统、电气式张力控制系统、力矩电机张力控制系统等。本章将对上述几种典型的张力控制系统 进行分析，在此基础上，提出一种新的卷绕机张力控制系统。该系统以p l c 为主控制器，采用交流 伺服驱动技术，实现卷绕机恒张力自动控制。 2 1 卷绕机的卷绕过程 金属化膜电容器元件由内芯、主卷金属化膜和外包热封材料三部分组成。内芯是里面为六棱或 十二棱、外面为圆形的在1 0 0 c 时不变形的聚丙烯塑料管， 两金属化膜的错边为l = 1 54 - 0 5 m m ， 元件长度为1 2 7 5m m 1 2 8m m ，外包膜比元件尺寸d 、2 m m ，卷制时外包膜离元件两端距离为lm m 。 如图2 1 所示。 金属化膜l 为金属化膜错边量 图2 1 金属化电容器元件结构示意图 全自动卷绕机卷制的元件圈数可根据电容器的容量大小设定，卷绕张力可根据薄膜宽度及厚度 进行控制，卷制速度可根据实际要求进行调节。自动卷绕机有三根卷制轴芯，分别完成内芯的安装、 主卷薄膜的卷制和外包膜的热封。卷绕工序是金属化电容器生产中的关键工序之一。金属化膜电容 器的质量与聚丙烯薄膜质量、真空镀膜质量、分切质量和其他因素有关，还与卷绕质量直接相关。 元件的卷制过程如图2 2 所示。将分切下的膜卷安装在l 、2 或3 、4 两个轴上，通过多个中间滚筒缠 绕在b l 轴上进行卷制。外包膜安装在l 2 或l 4 轴上，通过多个中间滚筒缠绕在b 2 轴上进行外包膜的 热封。b 3 0 3 是测量金属化膜长度的计数器，b 3 0 5 、b 3 0 6 是测量外包膜长度的计数器。 8 第二章张力控制方案分析 图2 2 元件卷制过程示意图 2 2 影响金属化膜电容器质量的主要因素 张祝平，姜波提出了影响金属化膜电容器质量的主要因素有： 一、卷制过程中元件圈数的准确度：通过光电脉冲计数器来实现，并与可编程序控制器、调频 调速电机和电磁离合器相配合进行元件的自动卷制； 二、元件端面的平整度：在卷制金属化膜电容器过程中保证电容器容量误差小，损耗低，卷制 时要求元件的两层金属化膜的错边l = 1 5 o 5 m m ，要达到这个精度应注意以下几个因素： ( 1 ) 主卷材料端面平整度，即端面分切质量； ( 2 ) 主卷材料固定机构及装料要领： ( 3 ) 中间滚筒轴向串动量及转动灵活程度： ( 4 ) 断膜压紧错位滚筒平行度： ( 5 ) 三个卷制芯轴在轴向上要处于同一位置： ( 6 ) 卷制元件的内芯是否同心、光滑； ( 7 ) 主卷材料带静电的强弱： ( 8 ) 卷制时薄膜张力。 三、元件松紧程度：卷制后元件应有一定的硬度，为了达到这个硬度的要求，自动卷制机设置 了自动张力控制机构。该机构不但可以调节不同的薄膜厚度和宽度，还可以在运转过程中自 动调节并保持张力恒定： 四、薄膜的纵向和横向错位量； 五、元件在卷制过程中的损伤； 六、元件内芯安装和外包热封质量。 9 东南大学硕士论文 以上诸多因素中，2 和3 两项是影响元件质量主要的因素，其中至关重要的因素以及技术难点又 是卷绕过程中金属薄膜的张力控制，因为要卷绕出质量好的电容器，在卷绕过程中应尽量保持张力 恒定，这样才能保证元件的松紧程度满足要求，从而确保元件不会因为张力控制不稳定的原因使得 元件加压时被击穿。 2 3 张力控制系统的分析与比较 2 3 1 机械式张力控制方案分析 卜一弹簧2 一摆杆3 一尼龙绳删盘轴5 绳盘6 一料盘7 - - 过渡辊8 一薄膜 图2 3 机械式张力控制简图 图2 3 为机械式张力控制简图。薄膜张力的大小，可以通过弹簧l 来调节。尼龙绳3 - i _ 作时产 生对料盘的摩擦阻力矩。机械式张力控制方案的主要特征在于控制系统采用纯机械式结构。即 张力设定、张力调节均为机械结构。 对此进行受力分析，结果如下： t ：丝五岛+ 堕 ( 2 1 ) f r 、f l 、 式中：、m 2 为结构参数，吩为与设定张力值有关的参数，t 为薄膜张力，五、岛料盘的转 动惯量和角加速度。推导静力学特性和动力学特性分别如下： 静力学特性： r = 鲁= 丽4 死 ( 2 2 ) 碥z u + k 式中：r 为料盘半径，互。为b 端尼龙绳初始压力，t 为薄膜张力。 第二章张力控制方案分析 动力学特性： ( 2 3 ) 式中：a 3 为薄膜线加速度，6 为o l b 段长度，为b e 段长e ，为摆杆转动惯量，j 2 为料盘 转动惯量。 静态时，张力受料盘半径的影响：动态时张力的波动值五受以，以及料盘半径r 的影响。 从上述分析可看出，这类控制装置所使用的控制方法具有结构简单、控制方便、易于实现、操 作方便以及工作可靠等优点，但是控制精度不高，控制效果不够理想，在运行一但时间后，尼龙绳 会出现打滑现象，所产生的摩擦力矩将减少，必须经常调整尼龙绳。 2 3 2 磁粉制动器张力控制方案分析 磁粉制动器是根据电磁原理，利用磁粉来传递转动力矩，所传递的转矩在其额定转矩内通 过激磁电流实现任意调节，激磁电流( i f ) 和转矩( m ) 在一定范围内成线性关系【1 1 1 ，如图2 2 所示。当激磁电流不变时，转矩将会稳定输出而不受滑差速度v 的影响。 1 加 1 0 0 寥 童 曩6 0 辱- 3 暑4 0 2 0 o 。 2 04 0 6 08 01 0 0 1 2 0 激磁电漉h 图2 4i 占m 的线形关系 薹 彗 蟑 滑差速度v r p m 图2 5m 与v 的关系 也泷( 1 ) 电泷( ) t 乜诡( ) 电诡4 0 ) i 乜漉( 2 0 ) 磁粉制动器的选择主要根据系统所需转矩范围，转矩上限受电磁容量及机械机构限制，最 高使用转矩为磁粉制动器额定转矩。考虑到转矩的稳定性、可调性等因素下限一般设为额定转 矩的i ( p 台。 选用磁粉制动器在其额定转矩满足要求的同时，还应保证使用的实际滑差功率小于其允许滑差 功率。放卷时系统的实际滑差功率( 按恒张力、恒线性速度考虑) 为： p ：丝m n ：n ( 2 4 ) 6 0 式中p 为功率，t 为张力v 为线速度。 制动器产生的转矩为： l l 东南大学硕士论文 m d = 坼一心千鸩 ( 2 5 ) 式中坼为张力转矩，坼= r 詈。 m o 为空载转矩，m a 为动态转矩，d 为放卷辊直径。 ， g d 2d n g d 26 0 咖 朋22zd375 d t 3 7 5dd t ( 2 6 )_ 由图2 4 可见，当电流切断后剩磁作用很少，几乎不存在空载力矩，故略去m o ，磁粉制动器转矩 变为 = 坼千鸩 ( 2 7 ) 对应励磁电流为 易= 干l ( 2 8 ) 上式中= 去m = 面d k 为静特性斜率。 动态补偿电流厶为 ，= 瓦1 丽g d 2 而6 0 百d v “壁d 鲁 ( 2 9 ) k 3 7 5 万d4 吐 式中j | ：上旦 一 k 3 7 5 a i , 蛆g d 2 为放卷辊总的飞轮惯量，它包括制动器自身及卷筒的g 2 等效以及卷材的g 见2 ，即 g d 2 = g d m 2 + 呱2 g d m 2 为固定值，而g 见2 随卷径d 不同变化。 呱2 = l f i ( d 4 一谚) 式中 毛为与卷材比重及宽度有关的常数；乜为卷材内径。 所以 g d 2 = 乇d 4 + 毛 - 式中 乞- g d 2 肘一毛磁 把式( 2 1 1 ) 代入式( 2 9 ) 得： 1 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 第二章张力控制方案分析 纠+ 争鲁 ( 2 1 2 ) 其中彳i , m 七毛；b = 七乞。 从式( 2 1 2 ) 可见，为补偿动态电流，应在电流调节输入端引入两部分乘积，一个是卷绕机速度的 微分量害，另一个是与卷径。成一定函数关系的爿d 3 + _ 。- b 分l 。张力系统调节方案如图2 6 所示。斑d 图2 6 磁粉制动器张力控制简图 由于卷绕系统有很大惯性，在收卷辊加速或减速时，放卷辊本身的g d 2 将导致较大的张力变化， 即使不采取补偿措施，通过张力反馈也能恢复到正常张力。但过大的张力变动对产品质量是有害的， 同时也是不允许的。为了抑制这种变动，采用前馈式补偿方法：在收卷辊加速加速时按( d 2 转矩的 大小减小电机输出转矩；减速时则增大电机输出转矩，从而对张力控制单元进行转矩补偿。 基于磁粉制动器的控制张力控制系统具有结构简单、执行单元成本低、易于实现的特点，特别 是可以通过电流直接调节实际张力的大小，相对于其他调节装置的手工操作过程，操作简单、准确。 如果再加入动态电流补偿环节，有利于进一步提高产品质量。但是磁粉制动器在制动过程中会有磁 滞现象，会对控制精度产生一定的影响，所以目前这种张力控制方法在电容卷绕机方面已经不再使 用。 2 3 3 电气式张力控制方案分析 电气式控制主要指的是采用电机来设定和控制张力的控制方法f 】，这类装置中的收卷机或放卷机 示意图如图2 7 所示。 1 3 东南大学硕士论文 r 1 图2 7 电气式张力控制简图 图中，u l 为卷取机电枢控制电压，r i 为电枢直流电阻，j l 为整个卷取机构的转动惯量，互为带材张 力。由于直流电机的电感l 较小，不考虑电枢绕组电感，电机力矩方程有： 心i = m + 吩+ 鸩+ ( 2 1 3 ) 式中：坂一为电机电磁力矩，m 为有效力矩，即建立张力t 所必须的负载力矩，吩为克服电动机 - 工作机械损耗所需力矩， 九为卷取装置在启动、制动时加速所需的动态转矩及随卷筒半径而引起 卷筒角速度变化的动态转矩，蚝为消耗在卷筒卷取带材弯曲变形上的力矩。 设，；为收卷盘半径，q 为收卷角速度，为电机轴的粘性摩擦系数，则有m = 石，im ，= 厂q 帆= ，i 塑d t ( 2 1 4 ) m i ，m f ，m e ，m b 这些转矩都跟工作条件有关。 在微张力工况下m 肭影响将是比较显著的，m b 对薄膜卷绕情况可忽略，则( 2 1 3 ) 可改写为 厶i = c 肘l 矽= 互+ 九 ( 2 1 5 ) 动态转矩的影响较为复杂，以下分为鸩= 0 和鸩0 两种情况分别进行讨论： l 在恒卷取即鸠= o 的情况下张力互表达式为 五：巴丝( 2 1 6 ) 要保持张力恒定有两种方法： ( 1 ) 要维持i l 为常数，竺为常数，这时： 互2 鲁缸嘲，2 鲁打锄争 眩 由此可知，在要求卷取线速度v 恒定的场合，只要保证至和电枢电压v l 恒定，就可以保证张力 ，i 1 4 第二章张力控制方案分析 t l 的恒定。 觚o c 这种方法又称最大转矩法，其目的是合理使用电机功率：控制方法是用电流调节器维持电枢 ， 电流i i 使之正比于 ，对于使用永磁电机的情况，由于等于常数，所以只要i l ，就可以控制 矽 1 张力，使其保持恒定。 二、鸠0 的情况 眠心= 以喑鲁v ，i ld 讲r y ) 讲 讲 即：m d = m d t + m d 2 m h 。每 当卷筒半径始定时，动态转矩分量鸩l 取决于所产生的加速度亟d t 蜘鲁+ 鲁 式讲 由半径r 变化所产生的动态转矩分量鸩2 蚧等鲁 其中j l 包括机械和电机旋转部分的转动惯量j 及随卷筒半径的卷筒的转动惯i j 。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 要保持张力控制精度，在系统的启动、制动过程中，就必须对动态转矩鸩进行补偿， 电机的动态补偿电流由式( 2 1 5 ) 可知： 厶= 器 ( 2 2 2 ) 由于动态转矩m d 的求解是极其复杂的，要精确对m d 进行补偿是不可能的，这也是迄今为止，未 能根本解决启动、制动状态下张力波动问题的根本原因。在工程实际应用中，收卷盘的卷径变化不 1 5 嘶万 h 一吒 一 如百 一吒 = 盟衍 东南大学硕士论文 大的情况下，通常不考虑鸩2 ( 式2 2 1 ) 的影响，而根据鲁来对m d l 进行补偿，这就影响了控制精 度，在张力控制系统中影响更为明显。 2 3 4 力矩电机张力控制方案分析 力矩电机是一种自动张力控制系统，张力设定用力矩电机来实现，张力检测采用无接触式光 电电位器进行检测，通过模拟电路控制放卷电机的输出力矩来实现反馈控制。其工作原理如图2 8 所示l l l l 。具体工作过程如下：薄膜张力的设定值通过调节力矩电机的电枢电压获得，当张力发生 波动时，摆杆上下摆动，由光电电位器检测到偏转值，输出电压信号v i ，由v i 的变化引起放卷机 的电流变化，从而改变电机的输出力矩，以达到平衡张力的目的，实现反馈控制。其控制电路如 图2 9 所示。 幡动辐 埘匍 设定用力矩电机 ， 、 、 挺抒意i i 、无接触式光电电位嚣 图2 8 力矩电机张力控制简图 图2 9 力矩式张力控制电路 图中v i 为光电电位器的输出电压，d 为放卷力矩电机。文献【1 l 】中推导出该控制方法的静、动态 特性如下： 静态特性： 丁：攀y ( 2 2 3 ) 1 8 第二章张力控制方案分析 v 为放卷力矩电机的电枢电压。 动态特性： 式中风为薄膜收卷加速度，r 为传动辊到力矩电机的距离，r 为放卷机料盘半径。 由上述可知，尽管所建立的闭环式t t 动张力控制机构在理论上可以根据张力的变化自动地进行 反馈控制，并已对料盘半径变化对张力的影响提出了解决方案，但由于此机构是靠摆杆的角位移来 达到负反馈控制的，因此，在工作过程中，薄膜有一加速度的情况下，摆杆无法立即相应地产生一 角位移来进行反馈控制，因此仍然无法很好的解决动态工作情况下的张力波动问题。 2 3 5p l c 与交流伺服控制器相结合的张力控制系统 通过以上分析可以看出，这几种张力控制系统都存在各自的缺点：机械式张力控制系统的控制 精度不高，经常需要手动调节；磁粉制动器张力控制系统存在磁滞现象，控制精度也不够高；电气 式张力控制系统不能解决动态情况下张力波动明显的问题，而且在卷径变化较大的情况下，控制精 度不高：力矩电机式张力控制系统也无法很好的解决动态工作情况下张力波动问题。 本文提出一种以p l c 与交流伺服控制器相结合的控制方案，该方案的控制简图如图2 1 0 所示。 本系统工作过程为：薄膜张力设定值通过编程软件设置，当张力发生波动时，摆杆8 上下摆动， 由无接触式光电电位器l o 检测到偏转值，输出电压信号v i ，电压信号v i 通过a ，d 转换为数字信号，该 数字反馈信号与目标张力设定值相减，其差送入p l c l l ，经过p i d 运算后，得到一个叠加的数字量， 该数字量经过d a 转换，输出一个电压信号v 去控制伺服驱动器1 2 ，再由伺服控制器控制交流伺服电 机的转速。 该模型与以上几种控制系统相比，具有控制机构简单、反映灵敏、调节迅速等优点，在一定程 度上解决了制动状态下张力波动的问题，所以本文将对该模型进行详细研究，并进行相关硬件和软 件的设计。 1 7 东南大学硕士论文 2 4 本章小结 1 - 放卷交流伺服电机2 - 料盘3 金属薄膜4 过渡辊5 过渡辊 6 - 收卷交流伺服电机 7 过渡辊8 摆杆9 - 平面蜗卷弹簧 l m 无接触式光电电位器i i p l c 1 2 伺服驱动器 图2 1 0p l c 张力控制简图 本章分别对机械式张力控制系统、磁粉制动器张力控制系统、电气式张力控制系统及力矩电机 张力控制系统等几种典型系统的张力控制方法进行分析和对比，指出了这些控制系统的优缺点，提 出了一种新的将p l c 和交流伺服驱动技术集成的卷绕机张力控制方法，并分析了该张力控制系统的 工作过程及其特点。 1 8 第三章张力控制系统的硬件设计 第三章张力控制系统的硬件设计 2 0 世纪9 0 年代起，在国外金属化膜电容全自动卷绕机中p l c 和交流伺服系统相结合的方案得 到了广泛的应用，此类卷绕机具有响应速度快、精度高、调速范围宽、动态性能好、张力控制平衡 的特性。本文根据项目的研制要求拟采用西门子s 7 3 0 0p l c 和安川c a c r s r 0 7 a c l e r 交流伺服驱 动器构成张力控制系统。 3 1 控制器的选择 3 1 1p l c 简介 可编程序控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是工业控制计算机家族中的一员，是为工业环境 的高可靠应用而提出的。早期的可编程序控制器称为可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能 已经大大超过了逻辑控制的范围。为了控制机器和生产过程又增加了功能，如顺序、时间、计数和 算术运算等，目前p l c 已经广泛应用在复杂的自动化生产和控制行业中【1 3 】。 p l c 之所以应用如此广泛，与它优越的性能是分不开的。其主要特点如下： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强 在传统的继电器控制系统中，使用了大量的中间继电器、时间继电器等，随着使用年限的 增加，器件会逐步出现老化、脱焊、触点接触不良等现象，大大降低了系统的可靠性。而在 p l c 控制系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路完成的，因触点接触不良等原因造 成的故障大大减少。 另外，p l c 在硬件和软件方面还采取了以下强有力的措施来提高可靠性。 硬件方面，所有的i o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与p l c 内部电路之 间电气上隔离：各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰：采用性能优良的开关电源并进行严 格的筛选；多采用模块结构，便于功能扩展。 软件方面，p l c 具有良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件异常，c p u 立即采取有 效措施- 以防止故障扩大；p l c 设置了监视定时器( w a t c h i n gd o g ) ，如果程序循环超时或遇到 算法错误，进入了死循环或因干扰程序跑飞，可以立即在不被察觉的情况下系统重启并接着从 异常之前的状态继续运行。 对于大型p l c 系统还可以采用由双c p u 构成冗余系统或由三c p u 构成表决系统，使系 1 9 东南大学硕士论文 统的可靠性更进一步提高。 ( 2 ) 丰富的f o 接口模块 p l c 针对不同的工业现场信号，如g 交流或直流开关量模拟量、电压或电流、脉冲或电平、 强电或弱电等信号，提供相应的i o 模块以供选择。可以方便地连接工业现场的器件或设备， 如：按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等。 另外，为了提高p l c 的操作性能，它还设有多种人机对话接口模块；同时还配备了多种通 信网络的接口模块等，可以组成工业控制网络。 ( 3 ) 采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结 构。p l c 的各个部件，包括c p u 、电源、i 0 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连 接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 ( 4 ) 编程简单易学，设计、调试周期短 p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式。对使用者来说，不需要具备计 算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。另外，由于p l c 是通过程序 对系统进行控制，所以设计人员可以在实验室里设计和修改程序，还可以在实验室方便地进行 系统的模拟及运行调试使现场的工作量大为减少。 ( 5 ) 安装简单，维修方便 p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备 与p l c 相应的i o 端连接，即可投入运行。 p l c 具有完善的自诊断和显示功能。当p l c 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根 据p l c 各模块上的运行和故障指示装置或编程软件提供的信息，方便地查出故障的原因。 3 1 2s 7 - 3 0 0p l c 的配置 卷绕机电气控制主要由张力控制、主绕速度控制、气缸位置检测和气缸动作电路组成，电气控 制部分采用西门子s 7 3 0 0p l c ，由电源模块、c p u 模块、三块数字量输入模块和二块数字量输出模 块组成，如图3 1 所示。 第三章张力控制系统硬件故* 图3 j 西门于$ 3 0 0p l c 幽3i 中，由左至右分别为电源模块c p u 模块，数字量输入模块数字量输出模块 一、c p u 模块的选择 3 1 4 c 一2 d p 是一种紧凑型c p u ，该模挟带有p r o f i t s d p 土站从站接口，带有与过程相关的功能 可以完成具有特殊功能的任务，通过扩展i o 口模块，不仅能够满足张力控制功能，而且p l c 可以 很方便地实现全自动卷绕机的其它电气控制功能。本文通过扩展三只s w 3 2 1 数字量输入模块和二只 s m 3 2 2 数字量输出模块实现了全口动卷绕机的所有电气控制功能，由于本文重点讨论卷绕张力的控 制对其它电气控制部份不作详细介绍，仪对数字量输入和输出地址分配作简单说明( 见附录) 。 基于3 1 4 c 一2 d p 的强大性能，本文选用其作为c p u ，如图32 所示，其土要性能指标为： 4 8 k bj 二作存储器，0im s 1 0 0 0 条指令，位撵作处理时间为0iu s ，浮点运算的处理时问为 6 s 4 个2 4 v 6 0 k h z 的增量编码器，4 个展人为25 k h z 的通道脉宽模块内嵌s f b 的定位控制器 以及本文要运_ l l 的p i d 阿环控制“集成功能块”s f b 4 i 。 二、电源模块的选择 电源模块的输出功率必须大于c p u 模块、所有i o 模块、各种智能模块的总消耗功率之和还 要考虑某些执行单元的功率，并且要留有3 0 的余晕。 除c p u 3 1 4 c - 2 d p 外，p l c 扩展了三块3 2 位数字量输八模块和二块3 2 位的数字量输出模块且 输出模块直接驱动气缸等执行器件因此选择p s 3 0 7 ( i o a ) 的电源模块，具有如下特点： ( i ) 输出电流为i o a 。 ( 2 ) 输出电硪为2 4 v d c 防短路和开路保护。 ( 3 ) 连接单相交流系统( 输入电压1 2 0 2 3 0 v a c ，5 0 6 0 h z ) 。 ( 4 ) 可靠的隔离特性，符合e n6 0 9 5 0 标准。 ( 5 ) 可用做负载电源。 束南人学硪j ：诧立 圈3 2c p u3 1 4 c 2 d p 三、煎字量入模块的进并 数字攮输入模块将现场送来的敦字电平转换成s 7 3 0 0 内部信号屯平输入信号进入徭块后经 过光屯隔离和滤波送到埋冲器等待c p t 采样采样时信号经过背扳总线进入到输 映像区模 块的每个输入点打一个绿色发光二授管显示输入状拳输入开芙闭台即 r 输入电压时，二收臂点亮 指示输入点的状态。 本设计选j 订货号为6 e s 73 2 1 一i b l 0 0 - 0 咀0 的翱3 2 l 数字鼍辅 壤块为3 2 点的救字量直漉墒 八模块内邮电路和外部接线如豳33 所示从幽33 可以看山当外部艟点接通时光电耦台嚣 中的拨光一投管点亮光敏三橙管饱和导通崭输入信号经背扳茸线接口传i 台c p u 模块 。一 羿 一 ：，一 一 - - i - - - 一 2 哇v 幽33 敷字量直流输入模块 四教字量囊出模块的选择 戢字量输出模块将s 7 3 0 0 信号电平转换戚过程所要求的外奸倍号电平可用于直接驱动屯破 时接触嚣小珊电动机灯和电动机启动器等按负载同路使j h 电潭的不同可分为直演输出模 2 2 第三章张力控制系统的硬件设计 块、交流输出模块和交直两用输出模块。按输出开关器件种类不同，又可分为晶体管输出方式、晶 闸管输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模块只能带直流负载，属于直流模块；晶 闸管输出方式的模块属于交流输出模块：继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从 响应速度上来看，晶体管响应最快，继电器最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度来看，以继电 器触点输出最佳。 图3 4 数字量输出模块 数字量输出模块s m 3 2 2 有多种输出模块可供选择，常用的模块有8 点、1 6 点、3 2 点晶体管输出： 8 点、1 6 点晶闸管；8 点、1 6 点继电器输出。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出状 态，输出逻辑“1 ”时，二极管点亮。 考虑到自动卷绕机电气控制中执行器件为气缸，通过直流电磁阀的通断控制气缸的动作，对响 应速度的要求不高，继电器输出方式的模块完全能够满足控制系统对响应速度的要求，同时继电器 输出方式能够使用交流或者直流电源，并且负载回路完全和模块内部电路隔离，具有较高的安全性， 本次设计选用了订货号为6 e s 73 2 2 - 1 b l o o - o a a o 的数字量输出模块，该模块为3 2 点继电器输出方式 的模块，内部电路和外部接线如图3 - 4 所示，当某一输出