（机械电子工程专业论文）高速精密切纸机的伺服控制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 高性能的控制系统是切纸机高性能工作的关键技术。本文以“2 8 5 0 型高速精密 切纸机”为背景，研制和开发了基于p l c 和变频技术的切纸机控制系统。其中包 括系统的总体方案设计、硬件设计、软件设计以及控制算法实现等问题。 本文首先阐述了切纸机的现状和发展趋势以及变频调速技术的发展和在控制 系统中的应用。从切纸机的机械结构研究入手，介绍了切纸机的工作原理以及其结 构特征对控制系统的要求；其次对控制系统进行了方案论证，并确定最终方案。 本文提出了基于p l c 和变频调试技术的集散式同步控制方案和采用p i d 控制 算法实现多电机的同步控制。并详尽论述了基于p l c 和变频调试技术集散式控制 系统的硬件构成、软件设计以及他们的特点。硬件设计充分体现了p l c 和变频器 的强大功能以及他们在系统中的灵活应用，触摸屏的应用为系统提供了友好的人机 操作界面。在控制软件的设计过程中，采用了模块化的程序设计方法，并采取必要 的措施来提高软件系统的可靠性。 为实现控制系统中的同步控制，将一台电机的转速作为目标速度，另一台电机 的转速作为检测速度，采用p i d 控制算法使检测速度值跟随目标速度值。为了实现 控制系统中的纸张张力控制，通过变频器的转矩控制方式来实现。在提出系统性能 指标的同时，对这些指标进行了测试，达到了预期的效果。 关键词：切纸机；p l c ；变频器；同步控制：p i d 山大大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ee f f i c i e n tw o r k i n go ft h ep a p e rc u r e rm a c h i n e ，t h eg o o dc o n t r o ls y s t e mi s t h ek e yt e c h n i q u e s i nt h et h e s i s ，ap a p e rc u r e rm a c h i n ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e d o np l ca n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，u n d e rt h e b a c k g r o u n do ft h e “2 8 5 0t y p eh i g hs p e e dp r e c i s ep a p e rc u u e rm a c h i n e ”i ti n c l u d e st h e m e t h o dd e s i g n ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no fc o n 订o la r i t h m e t i c ， e t c f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n tc o n d i t i o n s a n dt r e n d so fp a p e rc u r e r m a c h i n ea sw e l la st h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o ni nc o n t r o ls y s t e mo ft h e 厅e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n gt e c h n i q u e a f t e ri n t r o d u c i n gs t u d yo nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e o ft h ep a p e rc u r e rm a c h i n e ，t h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e s r e q u i r e m e n to ft h ep a p e rc u r e rm a c h i n ea r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , a f t e rr e s e a r c h i n gt h e c o n t r o ls y s t e m ，t h el a s tp r o j e c ti sd e t e r m i n e d i no r d e rt or e a l i z es y n c h r o n o u sc o n t r o l ，d i s t r i b u t e dm o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o l s y s t e mb a s e do np l ca n df r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dp i dc o n t r o la r i t h m e t i ca r ea d o p t e d t h eh a r d w a r e ，s o f t w a r e ，c h a r a c t e r so ft h ec o n t r o ls y s t e ma r ed e t a i l e d h a r d w a r ed e s i g n s h o wu st h a tp l ca n dt r a n s d u c e rh a v es t r o n gf u n c t i o na n da g i l eh a n d l e t h et o u c hp a n e l o f f e raf r i e n d l yh u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e w h e nt h ec o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e d ，t h e m o d u l a r i z e dp r o g r a md e s i g n i n gm e t h o da n ds o f t w a r ei n t e r f e r e n c ep r e v e n t i o nm e t h o d d e s i g n i n ga r ea d o p t e d i no r d e rt or e a l i z eh i g ha c c u r a c ys y n c h r o n o u sc o n t r o l ，w ec a nm a k et h er o t a t e s p e e do fam o t o ra sa i ma n da d o p tt h ep i d c o n t r o la r i t h m e t i ct om a k et h er o t a t es p e e do f o t h e rm o t o rm a t c hi t i no r d e rt or e a l i z et h es t r a i nc o n t r o li nt h es y s t e m ，w ea d o p tt h e t r a n s d u c e r st o r q u ec o n t r o ls t y p e w h i l ep e r f o r m a n c el e v e li sp u tf o r w a r d ，t h i sl e v e li s t e s t e d ，w h i c hr e a c ht ot h eg o a lo fd e s i g n k e yw o r d s ：p a p e rc u t t e rm a c h i n e ；p l c ；t r a n s d u c e r ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l ；p i d i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：数立氐日期：! ! ! ：理 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘i 睦导师签名：氇垒名日期：! ! ：! ：1 2 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 提高造纸机械的技术水平，加快造纸机械的技术革新改造是造纸行业应对加入 w t o 带来的机遇和挑战采取的重要举措。国内造纸机械的水平与国外有相当的差 距。以国内切纸机为例，切纸车速低，造纸行业生产效率难以提高；切纸过程中裁 纸不均，分切造成浪费，使纸产品质量下降，影响产品的出口。国内造纸机械的现 状严重制约了造纸工业的发展。虽然国外造纸机械的水平高，但是进口产品的价格 居高不下，国内众多小型造纸企业难以接受。即使是对大型企业而言，大量购进进 口设备也是巨额的投资。因此在市场对纸业技术装备水平和投资成本提出更高要求 的情况下，需要加快改变国内造纸机械行业落后状况，在引进技术的基础上，消化 吸收和开发经济实用的大型先进造纸装备，以适应造纸工业发展。这是今后中国造 纸机械提高技术水平应采取的对策。e l i 我国造纸工业正处于社会需求高增长阶段，近十年来，国内外纸张需求年增长 率为8 7 7 ，高于g d p 的增长率，远远超过美国和日本等发达国家2 3 年增 长率。不断增长的市场需求对造纸机械提出新的要求，新型、高效、精确的造纸机 械有着广阔的前景，这也是国内造纸机械行业人士关注的问题。因此，设计一种面 向国际水平，结构合理，尤其控制精度高的新一代高速高精度切纸机至关重要。 切纸机械是造纸工业的灵魂，而造纸工业在整个国民经济中占有重要的地位。 有关人士认为切纸机有较好的市场前景，主要表现在三个方面：造纸厂现配备的 切纸机，大都是八、九十年代购入，那时国产的切纸机主要是机械式的，这一大批 设备需要逐步更新换代。我国印刷品消费水平与世界发达国家和世界平均水平都 还有着相当大的差距，切纸机市场的增长是必然趋势。现有切纸设备的速度一般 为6 0 m m i n 以下，在切纸机械向高速、自动化的发展趋势下，有必要开发新一代的 高速切纸机械增强企业的竞争力。 山东大学硕士学位论文 1 2 切纸机的现状分析 随着印刷行业的发展，对印后加工的要求也越来越高，而切纸机是印后加工的 重要设备。目前波拉、沃轮贝格、上海申威达、长春、中江等国内外著名切纸机厂 家的最新产品代表了切纸机的发展趋势。 波拉切纸机包括波拉9 2 e 、11 5 e 、6 6 、1 3 7 0 e d 等利用人体工程学原理设计产 出的新一代机型。其共同特点是在裁切尺寸显示、裁切误差自动补偿、安全防护方 面都有很大发展。p o l a re 型切纸机是适用于一般裁切业务的可编程式基本机型，有 1 2 8 k b 存储容量，约相当于1 2 万个裁切位置：而p o l a re d 型切纸机被称为最先进 的切纸机，代表了切纸机的发展方向。它向用户提供了多种附加功能包括清费功能， 是整个裁切生产线的中心，配备有在机外进行编程操作的编程软件，并与数据控制 系统联网。所以这些机型均为模块化设计。控制面板上的图形按钮，使人一目了然， 操作简单、方便；高分辨力彩色屏显示，备有2 9 种文字的操作信息；当裁切材料 发生变化或变形时，可选用相应修正功能，纠正纸张尺寸误差；自我诊断系统对切 纸机所有功能进行连续监视，如有任何错误和不正常，便立即有信号显示和文字显 示，以便操作人员尽快排除故障。p o l a re d 切纸机具有高精度测量和定位系统，包 括直接脉冲发生器、频率控制的驱动马达、带万向滚珠轴承的高精度主轴及推纸器 所使用的精确线性引导系统、裁切位置定位精度达o 0 1 m m ，推纸器最高速度为 3 0 m m i n 。 近年来，国产切纸机已形成品种、规格齐全的系列产品。上海申威达公司的 s q z k 程控切纸机是国内切纸机最高水平的代表。其外观、功能、安全性、稳定性 己达到国际9 0 年代中期水平，是采用模块化设计的集电脑程序、机、电、液、气 于一体的技术密集型智能切纸机。控制系统采用1 0 4 英寸彩色显示屏电脑，软盘驱 动，可以进行裁切数据的传递或软件升级，所存裁切数据容量巨大，可以人机对话， 实现双语( 英、中) 选择：具有所需裁切尺寸的工作表及裁切线可视图示功能。采 用纸堆高度监测装置及辨刀感应装置，最大程度地减少了纸张空行程时间：采用滚 珠丝杠使推纸器定位更快、更准；在1 1 5 c m 以上尺寸机型上可选配废边清除装置。 当压纸器压紧纸，前平板前移，使裁切时废边掉入废纸箱，而后前平板与后平板再 山东大学硕士学位论文 合拢，使裁切现场清洁有调理。为了贯彻欧洲c e 安全标准，申威达公司采取了多 种措施，以进一步切纸机的安全性：强电方面采用了两套p l c 可编程控制器；装 有1 2 束红外线光电保护装置、无触点感应开关、内置式电子刀锁等。另外还可选 购扶和c e 安全标准的红外光电装置、电气元件及移动部件和危险区域的罩壳。 特别值得一提的是，四川中江利通公司生产的利通牌切纸机普遍采用了获得国 家专利的双导轨整体无槽工作台，并采用先进的滚珠丝杠和线性导轨结构，引起了 同行的广泛关注。 应该说国产切纸机的进步很快，这是有目共睹的。它已能满足印刷、包装等各 方面的需求，但与国外著名切纸机仍有差距，主要表现在机器的性能、稳定性、可 靠性、故障频率、切纸机配套设备等方面。现在国内切纸机配套工业整套水平跟不 上世界科技发展的潮流，配套的电气元件、电脑、液压件、气动件等不能满足要求。 所以要真正使国产切纸机的稳定性、可靠性得到根本提高，除了切纸机厂家自身努 力之外，配套工业，尤其是电气元件、液压件等制造厂家必须提高其产品的稳定性、 可靠性。目前，国内只有极少数厂家如申威达公司生产切纸机辅机( 包括升降车、 闯纸机、卸纸机等) 。大多数厂家只生产切纸机主机，不能组成裁切生产线，而这 也是我国切纸机工业与世界先进水平的一大差距。据了解，p o l a r 切纸机正朝着整 体裁切系统取代单机裁切的方向发展，即将切纸机与辅助设备相互组合成网络系 统。这不仅可以提高裁切质量和劳动生产率，还可以大大减轻工人的劳动强度。如 果我们的切纸机想占领国外尤其是工业发达国家的市场，发展整体裁切系统是必不 可少的。 2 1 1 3 切纸机控制系统的现状 目前切纸机的控制系统也不断采用新技术，逐渐向更高的水平发展。丸石公司 的m a r u i s h i b i e l o m a t i k 切纸机控制系统代表了目前的最高水平，其具体方案如下： 1 、退纸架 退纸架正向全面自动化方面发展。如果退纸架和自动更换纸卷的调节装置以 及纸芯自动去除装置配用在一起，便可实现退纸换纸的全面自动化操作。同时，新 型的退纸架系统可以通过计算和控制卷筒纸的直径来实现张力自动控制。退纸架不 山东大学硕士学位论文 m 需要称重装置。而且，丸石公司不再使用那种老式的气动闸片，而是采用a c 伺服 电机控制的新型制动系统。这种新型制动系统比原先的气动闸片有许多优越之处。 2 、纵切刀 丸石切纸机有两种切纸刀：一种是单刀，另一种是对刀。同时，切刀分为板条 式和碗式切刀。新型的顶刀和低刀都采用板条式切刀。丸石公司生产的切刀都是通 过单独的a c 马达驱动。根据过去的供货经验，丸石公司建议使用对切刀裁切克重 比较大的纸。 3 、横切刀 横切刀有两种：一种是v g l 型，另外一种是d d 型。两种切刀组合在一起， 组成新的d d 型。使用1 2 6k w a c 同步电机，操作运行速度为4 0 0 m m i n 。因此， 大大地提高了生产效率。 4 、无废纸系统 使用这种系统，在更换纸垛时，对纸没有损害，因此不会产生废纸，可以增加 生产的稳定性，提高生产效率。 5 、机器人平板输送系统： 机器人平板自动输送系统可以把平板包装的物料进行前后、上下和左右 方向上的移动。同时，这种自动输送系统配有1 8 0o 的旋转机构，可以在一定的空 间范围之内自由地移动和输送平板包装的产品，不需要使用输送带。 丸石公司不断地利用最新的自动化控制技术来更新改进其设备的控制系统，其 中包括由i p c ( 工业用p c ) ，中心控制，控制网络，数据管理，b b s 诊断系统和非模拟 控制系统组成的整个稳定可靠的控制网络。这种高科技的网络控制系统由丸石公司 自主开发研制，因此，丸石公司可以根据的客户的要求优化配置设备的性能。 1 4 交流变频调速技术的发展与应用 1 4 1 交流变频调速技术的发展 自从2 0 世纪8 0 年代以来，交流电动机变频调速技术在工业化国家已开始了规 模化的应用。目前，国外许多优秀的变频调速系统和成套设备已大举进入中国市场， 山东大学硕士学位论文 如欧洲的a b b ，德国的西门子，丹麦的丹佛斯，日本的三菱、松下、欧姆龙等，法 国的施耐德，韩国的三星、l g ，英国的欧陆等变频器系列。国内目前也生产了几 种变频调速设备，其质量可与国外的变频器产品相抗衡，如佳灵公司的佳灵变频器、 深圳华为公司的e n y d r i v e 变频器，台达公司的d v p 变频器等。 变频调速技术在我国的发展及应用经历一个曲折的过程。虽然直流电动机具有 优秀的调速性能，但同时也存在着一些难以克服的问题，如：直流电动机故障率较 高，在各种场合下不节能、噪声大等。工业及民用建筑中大批量交流电动机在定速 拖动机械运动的情况下，由于无法与实际的运行情况相匹配，处于低效率运行，造 成电能的浪费较大。这些传统系统由于交流电动机的定速拖动，不能使传动与拖动 系统具有良好的控制性能。 为解决交流电动机的调速问题，采取了一些措施，如滑差离合器调速、异步电 动机的变极调速、定子定压调速、转子串电阻调速等。直到后来出现了绕线式异步 电动机的串极调速及变频调速。尤其是变频调速，其适合于任何种类的交流电动机， 前景广阔，发展尤为迅速。在变频调速发展的初期，由于电力半导体元器件体积大、 可靠性差、造价高，导致调速设备也存在体积大、价格昂贵、可靠性差的缺点。进 入7 0 年代后，电力半导体技术、大规模集成电路技术都获得了长足的发展，计算 机技术向控制领域渗透于融入，使变频调速技术迅速的发展起来。高性能、高可靠 的变频调速装置已大量的进入工业、生活领域。 2 0 世纪8 0 年代以前，由于国产的可控硅元件在安全性、可靠性、大功率化方 面都没有过关，极大的限制了国内变频调速技术的发展。直到8 0 年代初，我国的 可控硅生产制造技术才取得了实质性的重大进展，生产出了能够长时间稳定、可靠、 安全工作的大功率可控硅元件。从总体上看，我国在变频调速设备所用的元器件生 产技术、成套设备的生产技术与国外先进水平相比，还有较大的差距。相信在不久 的将来，我国的变频调速技术及应用将赶上国际先进水平。 1 4 2 交流变频调速技术的特点 与传统的调速技术如直流电动机相比，变频调速具有极大的优越性，整个调速 系统体积小，重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单、 山东大学硕士学位论文 通用性强，使传动控制系统具有优良的性能，从而实现生产过程自动化及大幅度提 高质量和增加产量。具体有以下特点： 一、优异的性能 变频调速系统具有优异的控制性能，如：优异的加减速特性，优异的增速特性， 对不良环境的封闭性等。 二、生产过程自动化 可实现传送带等搬运机械的控制过程自动化；可拖动多电机运行，并控制电机 速度同步或保持一定比例运行：变频器配合鼠笼型电动机性能可与直流电机相媲 美：可提高机床类机械的生产效率。 三、提高产品质量 将变频调速引入传动过程，可使机械、装置性能提高，而装置、机械性能的提 高又使生产过程中的产成品质量提高。 四、使节能效益显著 用变频器调速装置驱动电动机去拖动机械设备时，与常规的不调速电机拖动相 比，节能效果十分客观。几十年来工业领域应用的一些单项节能技术，其数量级一 般为几个百分点，而采用变频调速技术后，在泵类及机械类工作运行中，可产生3 0 4 0 的节能效果，使节能数量发生了飞跃。 五、其他优点 可使拖动系统减少维护量；可减小电源设备容量：可使电机告诉运行，从而不 受工频同步转速的限制。【3 】 4 】【5 】 1 g 课题研究的内容和任务 通过查阅大量关于切纸机和变频调速控制技术的文献资料，对高速切纸机控制 系统的设计过程中，在保证系统的性能的同时，也考虑了产品性价比。本文的主要 研究内容和任务如下： ( 1 ) 介绍了切纸机的机械机构 ( 2 ) 对切纸机控制系统中的关键技术送纸电机与切刀电机的速度比例 控制以及纸张的张力控制进行了讨论 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 对控制方案进行了详细的硬件和软件的设计 ( 4 ) 从提高产品性价比的观点出发，对所需硬件设备进行了选型 ( 5 ) 最后，提出了切纸机控制系统的结构优化方案，对未来造纸机械控制系 统的发展方向进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章高速切纸机的整机结构分析 准确了解和掌握目前我国切纸机的设计、制造水平，广泛调研、收集资料，实 地调查研究多家造纸机械工厂的设计制造水平和工艺状况以及造纸厂的使用情况 和反映的问题和建议，研究对国产设备的基本评价和影响我国自制设备水平的主要 因素。同时，与国外多家造纸机械生产厂家进行联系和交流，对国际上目前流行的 切纸机设备的设计制造技术进行了比较全面的分析。在此基础上，形成了自主开发 的方向，对切纸机方案进行全面设计论证。本设计结合中国的基本国情，首先满足 国内用户的需要。根据市场需要，设计参数确定为：采用双刀双旋设计，切纸宽度 2 8 5 0 m m ，设计工作速度2 5 0 m p m 、3 0 0 张m 。切纸机的三维结构设计如图2 1 所示。 图2 t 切纸机整机结构 2 12 8 5 0 型切纸机技术参数 ( 1 ) 、最大纸卷直径。采用独立型纸架，每架一次装一卷纸，考虑到引纸长度和 纸卷间距，纸卷直径不大于3 0 0 0 m m ，重量小于3 t 卷。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 、最大切纸宽度。采用两把2 9 5 0 m m 长的横切刀，适应宽度在2 8 5 0 m m 内各 种规格纸张的横切。 ( 3 ) 、最高切纸克重。切纸甩刀具有一次切下6 9 m 2 切纸能力。 ( 4 ) 、切纸长度选择范围。加工纸的规格最短切长为5 4 0 r a m ，最大纸长度可达 1 6 0 0 m m 。 ( 5 ) 、最大堆纸高度。切纸后的自动堆垛高度为3 0 0 1 5 0 0 m m 。 ( 6 ) 、最高设计车速。最高设计车速2 5 0 m p m 。实际切纸车速受各种因素的制约， 如切纸操作工人的熟练程度、纸张挺度等。如果切卡纸、板纸一般车速可达 2 5 0 m m i n 。 ( 7 ) 、切纸长度误差。采用变频电机和进口无级变速箱，使机械的切纸精度有了 充分保障，完全可把切纸精度控制在土0 6 m m 之内。 ( 8 ) 、切纸直角误差。切纸横向精度误差采用刀辊水平可调装置，对刀辊进行水 平调正，可以纠正切纸直角度的精度误差。【1 2 _ 2 机械结构技术方案设计分析 切纸机结构按其性能分为四大部分：退纸部分、裁切部分、重叠送纸部分、接拍 整纸部分。四大部分的机械结构及机能初步设计如下： ( 1 ) 退纸部分。由纸架本体、气动涨力控制、纸卷纵横调整、弯曲纸张展平引导 装置组成。包括： 纸架本体部分 气动涨力控制装置 纸卷纵横调整部分 纸张展平引导装置 ( 2 ) 裁切部分。纸卷经退纸架被送到裁切部分，裁切部分是切纸机的主要工作部 分。这一部分包括：紧急停车装置、修边纵向分切装置、橡胶送纸压辊装置、刀辊 横切装置、纸边抽吸装置、纸灰吸尘装置、纸张直角度调正装置等。包括： 紧急停车装置 修边纵( s l i t t e o 分切装置 9 山东大学硕士学位论文 橡胶压辊送纸装置 刀辊横切装置 纸边抽吸装置 纸灰吸尘装置 纸张直角度调整装置 ( 3 ) 重叠送纸装置。该部分是切纸机的关键部位。纸张经过高速裁切后，被快速 送到重叠送纸部分，重叠送纸的主要目的在于降速，使纸能平稳地进人接拍整纸系 统。重叠送纸部分主要包括以下五部分： 高速送纸部分 重叠输送部分 分纸门部分 静电消除 低速送纸部分 ( 4 ) 接拍纸整纸部分。此部分的构成包括： 自动截肢控制部分 接纸台部分、横向拍纸整纸部分 纵向拍纸整纸部分 位置规格调整装置 换纸机械手部分 自动插标部分 2 3 传动及控制原理 ( 1 ) 传动原理。高速切纸机共有十台主要电机组成，分别是液压电机、主电机、 吸尘电机、纵切刀电机、送纸辊电机、输送带电机和整纸拍纸电机。主电机是切纸 机的转动核心，设计采用的主电机为变频电机。主电机通过联轴器带动变速箱，变 速箱通过同步皮带带动切纸刀辊，同时送纸辊电机通过同步皮带带动下引辊旋转作 同步运行。在电机恒速运行中，在变频调速系统的作用下，切纸机根据用户需要自 由变换尺寸和车速。 1 0 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 控制部分。本切纸机控制系统分为三部分，分别是：电器控制部分，液压控 制部分和气动控制部分。 电器控制部分：采用p l c 控制系统指挥和调动整个切纸机系统的协调工作，具 有故障诊断和决策、自动纠偏、送纸速度同步匀速调整的功能。电器控制系统采用 触摸屏控制技术，通过触摸方式可在屏幕上直接设定切纸的尺寸，读出切纸速度， 显示机械工作中的各种参数，使机械的工作情况在触摸屏中一览无遗。在电气控制 系统中装有机器工作数据输出接1 2 1 ，可把机器的工作数据输送到管理部门的电脑 中，使管理人员及时准确的掌握该机械的开机时间、切纸的规格、切纸张数等机器 的工况数据。同时打印机可以把该机的数据打印输出，作为每班工作情况的统计， 避免人为误差。 ( 3 ) 液压控制部分。液压控制部分主要用在接纸台部分，两台液压泵分别控制两 组液压缸作上下运动。 ( 4 ) 气动控制部分。主要用在以下几个方面：退纸架刹车，主要根据气动涨力 控制来调整涨力。纵切刀上刀架，主要控制上切刀上下落刀和抬刀动作。橡胶 引纸辊的压力控制。气动整纸部分，本机采用气动系统。 2 4 本章小结 本章主要介绍了2 8 5 0 型切纸机的机械结构和机械性能。由此可以看出，切纸 机是一个机械结构复杂，运行动作繁多的机电一体化产品。要保证工作中精确的切 纸长度，必须保证各部分的动作协调。因此只有了解了各个部分的特性，从而才能 设计出高性能的控制系统。 山东大学硕士学位论文 第三章高速切纸机系统的控制方案 切纸机整个控制系统庞大而且复杂，由于时间原因，本人只针对放纸、送纸 和切纸三个电机的同步控制和张力控制系统做了详细设计，而这部分是切纸机工作 的核心。卷绕在纸筒上的纸张根据用户要求由切纸机切成长度5 4 0 1 6 0 0 m m 左右 各种规格的包装用纸。在切纸过程中，切纸刀和送纸滚筒必须保持绝对同步，才能 保证切纸长度的一致性。 多年以来，直流调速系统在纸张电气传动中占有较大的比例，尽管直流调速 具有调速性能好、启动转矩大等优点，但直流电机相对于交流电机存在着许多缺点： 成本高；整流子、电刷维护困难；难用于防爆、防腐蚀、防潮场合。所以， 人们一直想用交流调度拖动来替代直流调速拖动，特别是当前电机变频调速技术的 飞速发展，提供了这种可能。近年来，发达国家切纸机械己由传统的直流电机的长 轴传动方式向微机控制下的变频多电机同步传动方式转移。国外的大型切纸生产线 均采用了变频调速多电机传动控制。由于价格昂贵，且须成套引进，同时因为技术 局限和国内配件的差异使得系统维护比较困难，所以国外设备难以在国内切纸行业 中广泛采用。我国国产切纸机以低、中速中小型纸机为主，它必将会被大中型高速 切纸机所取代，因此对同步传动控制系统的要求会越来越高。总之，进一步研究变 频器驱动异步电动机的同步传动问题对我国造纸机械的发展具有重大的现实意义。 3 1 系统控制方案选择 在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量等模拟量 等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的 测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业 控制主要由继电器和分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却 存在着不少弱点。仅适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性， 一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工控行业比较 有代表的控制方式主要有以下几个类别：继电器控制系统、p l c 控制系统、单片机 控制系统、微型计算机系统、集散型控制系统等。“1 山东大学硕士学位论文 3 1 1p l c 与继电器控制系统的比较订3 继电器控制是采用硬接线逻辑利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延 迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在 现场做一些更改和扩展更是难以实行。而p l c 是利用其内部的存储器以数据形式将 控制逻辑存储起来的，所以只要改变p e t 内存储器的内容，也就可以实现更改控制 逻辑的目的。对于p l c 来讲，只要用p l c 配备的编程器在现场就可以完成更改。至 于p l c 对外部的联系，只有i 0 点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任 何改动。 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一 般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而p l c 是以微 型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒( 对于高速p l c 则 是5 微秒以下) 。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。 对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电 器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方 便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而p l c 则是由晶体振荡 器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为 0 1 秒，也有0 0 1 秒的，精度一般高于1 0 毫秒，只要根据需要由编程器送入时间 常数即可实现定时时间的设定或更改。由于p l c 的定时是对时基脉冲进行计数来实 现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的p l c 一般都具有定时 器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点， 连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接 线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而p l c 则采用了无触点的电子电路来替代 继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而 且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运 行过程成为透明。 p l c 一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。 山东大学硕士学位论文 继电器逻辑只能对开关量进行控制。而p l c 除了具有开关量控制功能外，有些功能 较全的p l c 还具有a d d a 转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在 成本方面p l c 还比继电器贵，一般进口产品每个i o 点为人民币8 0 元左右：国产一 般每个r o 点为6 0 元左右。 3 1 2p l c 与单片机控制系统比较 虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控 制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较 差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制大都为开关量控制， 所以其长处仍得不到发挥。单片机与p l c 的比较：在很大程度上，p l c 是专为工业控 制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代p l c 的核心就是单片 微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到 工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然p l c 也有必不可少 的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。 而p l c 用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易 学，现场就可以开发调试。 单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受c p u 、内存容量 及i o 接口的限制：软件上主要受限于与c p u 类型有关的编程语言。一般说来单片 机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性 都比较差。【8 3 3 1 3p l c 与计算机控制系统的比较 p l c 是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设 计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，p l c 较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、 输入、输出一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可 控硅( 也有用晶体管) 输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面 山东大学硕士学位论文 向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统 则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有 相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业 控制并非必需。因此p l c 显然较微机系统更适合于工业控制。”1 3 1 4p l c 与集散控制系统的比较 p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统 d c s ( d i s t r i b u t i o n c o n t r o l s ys t e m ) 是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制 系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。p l c 随着微电子技术、计 算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上， 都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以p l c 为重要部件的分布 式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，p l c 与p l c 及计算机的互联，可以形 成大规模的控制系统，在数据高速公路上( d a t ah i g h w a y ) 挂接在线通用计算机，实 现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控 制系统的形态，加上p l c 价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞 争。1 由于以上的原因，可以预见随着p l c 成本的下降和机器要求的提高，将很快在 大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还 是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面p l c 都 具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手 段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门 的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接 受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。 3 2 高速切纸机结构及工作原理 切纸机的结构如图3 1 所示。其中纸筒放卷用一台电机拖动，变频器根据转速 的反馈调节电机的转速，保持放卷过程中的恒张力。切纸机在工作过程中，送纸辊 山东大学硕士学位论文 图3 1高速切纸机工作原理图 连续送纸；刀辊连续旋转，每转一周切一次纸。送纸辊的拉纸速度和刀辊的旋转 速度共同决定了切下的纸张长度。对这两个速度的比例加以控制，便可得到所期 望的切纸长度。其中某一个速度发生变化时，另一个也需要根据速比同时进行相 应的变化。两个电机的速度信号由旋转编码器来反馈，编码器的脉冲信号送p l c 的高速计数器，转换为速度数据后，作为p i d 算法的输入参数，运算结果作为输 出参数，输出控制各电机的变频器。 i l l 利用p l c 可以构成多种控制系统：单机控制系统，集中控制系统，分散型 控制系统和远程i ，0 控制系统。由于高速切纸机控制对象较多，有放纸部分的张 力控制，切刀电机与送纸电机速度的同步控制，纸张的输送等，且被控对象比较 集中，因此我们采取集中控制系统方案。 制对象与可编程控制器指定i o 相连接， 集中控制系统如图3 2 所示，每个被控 因此各被控对象之间的数据、状态的变 换不需要另外设置专门的信号线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置 比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。单主机控制方式，对主机要求 较高，危险相对集中。远程i o 控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制 系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较集 中、工程费用较低的场合。 1 6 山东大学硕士学位论文 3 3 切纸机的控制方案 图3 2 集中控制系统 3 3 1 矢量控制变频调速方法的选择 异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过三相轴 系到两相静止轴系再到旋转轴系的数学变换，虽然使之降阶并简化，但也改变不了 其非线性、多变量的本质。 这是由于在交流异步电动机中，电流、电压、磁通和电磁转矩各量是相互关联 的，属于强耦合的状态；变频调速系统中有电压、频率两个控制变量，且电压是三 相的，系统为多变量系统：又异步电动机中，转矩正比于主磁通与电流，而这两个 物理量是同时变化的，决定了异步电机数学模型中有两个变量的乘积项，系统又为 非线性系统。 当前矢量控制和直接转矩控制都是已获得广泛应用的高性能电机调速控制，两 者都采用转矩和磁链分别控制，但直接转矩控制易产生转矩脉动，降低了调速性能， 只适用于调速范围要求不高的场合。矢量控制强调解耦，有利于分别设计转速与磁 链调节器，且实行连续控制，调速范围宽。按照转子全磁通幅值中。= 恒值进行控 制的矢量控制变压变频调速技术，可以得到与直流调速系统相媲美的静动态性能。 祧己罾 山东大学硕士学位论文 因此选用矢量控制变压变频调速。 矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换方法，把交流三相绕组a ：、 b 2 、c ：中的e g , 流i 。、of c 变换到两相静止绕组口、卢中的电流、，再由数 学变换把i 。、变换到两相旋转绕组m 。、乙中的直流电流啊、i ，。实质上就是通 过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量k ，一个是用来产生旋转 磁动势的励磁分量，另一个是用来产生电磁转矩的转矩分量f ，。在此基础上加上直 流电机的数学模型就可以找出矢量变换控制的三相异步电动机的数学模型，通过控 制i 。、的大小去等效的控制三相电流的瞬时值，从而调节电机的磁场和转矩以达 到调速的目的。n 2 3 3 3 2 送纸电机与切刀电机的速度同步控制 在最初的设计中，我们尝试了只用变频器的方案。将送纸变频器作为主变频 器，在电机运行中，主变频器的多机能模拟输出端子作为另外一个从变频器的主 速指令设定端。这样送纸电机运行中的频率信号输入到切刀、放纸变频器的主速 指令设定端，从而实现了从机的运行速度直接跟随主机的运行速度。但在跟中达 公司工程师的交流中，我们了解到，此种方案由于采用变频器模拟输出端子的信 号，容易受到电压变动的干扰且响应的速度较慢，且由于采用外部p i d 调节，比 例系数的设定必须在现场调试且调试比较困难。在设计中，无法具体计算出p i d 处理模拟信号的时间，这样，随动响应速度跟随性能的好坏很难估计，无法满足 切纸机2 0 0 m m i n 的设计要求。最终决定采用以下控制方案。 控制结构图如图3 3 所示。用p l c 控制2 台变频器，分别拖动送纸电机和切 刀电机。切纸机在工作过程中，送纸辊连续送纸：切刀连续旋转，每转一周切一 次纸。这样每次切纸的长度与送纸速度和切刀转速有关，而且两个速度存在如下 n 关系：n = u _ d v 。其中v 一拉纸速度( r r g s e c ) ；n 一刀辊转速( 转m i n ) ：三一切纸 l 长度( m ) 。由此可见，在切纸长度预先设定的情况下，送纸速度v 和切刀转速n 成 山东大学硕士学位论文 比例关系。即 = 加，其中= 譬；设定的切纸长度不同则得到不同的比例系数。 图3 3 送纸电机与切刀电机速度比例控制统结构图 以送纸电机速度为目标，由切刀电机变频器调节切刀转速来跟踪送纸速度。旋 转编码器采集的脉冲信号送入p l c 的高速计数器，转换成速度数据后，作为p i d 控制算法的输入参数。运算结果作为输出参数，经p l c 的模拟量输出模块标定后， 以电流或电压形式控制各电机的调速变频器。控制算法中，送纸速度v 为目标值， 切刀转速n 跟随( 七v ) 的变化。 目前可编程控制器实现p i d 控制的方法有：使用p i d 过程控制模块；使用p i d 功能指令；用自编的程序实现p i d 闭环控制三种。对于p l c 的p i d 计算，采用p i d 功能指令，与模拟量输入，输出模块一起使用，可以得到类似与使用p i d 过程控制 模块的效果，而且价格要比使用p i d 控制模块便宜。若采用自编写的程序实现p i d 运算，c p u 在进行复杂的运算时要耗费时间，会影响反映速度。因此，本系统的 p i d 控制算法决定采用p i d 功能指令。 山东大学硕士学位论文 3 3 3 放卷过程恒张力控制 对于纸张放卷的张力控制，一般有两种方法：直接张力控制和间接张力控制。 【1 6 】 l 、直接张力控制 纸幅张力转换成对张力辊的压力，压力传感器的输出信号输入到控制器，作为 实际张力的反馈值，反馈值和张力设定值