（机械电子工程专业论文）横切机控制系统研究与设计.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本课题的主要目的是利用可编程序控制器( p l c ) 实现对铝带横切机的自动 控制。作为板材领域重要的生产设备，横切机的剪切精度、剪切速度、自动化程 度直接影响到生产效率和产品的质量，因此对其技术要求非常高。它里面融合了 计算机自动控制、精密机械传动、电机调速、人机工程等多种技术，有着较深的 理论价值。 文章介绍了横切机的工作原理与工艺流程，详细分析了控制系统设计涉及的 关键问题，讲述了p l c 控制系统的设计和实现方法，并根据具体现场环境对系统 可靠性措施作了详细探讨。针对该横切机控制系统的核心飞剪车定位控制部 分，课题采用了快速简捷有效的定时控制方案使得飞剪车能够快速准确定位，另 外还提出了精确度更高的同步跟随初步方案，并在理论上进行了可行性验证。课 题所采用的控制方法不仅适用于铝带材剪切，还适用于其他板材横切机，具备较 强的通用性，有着广泛的应用前景。 第一章对本课题的开发背景、任务及横切机的发展概况进行了介绍：第二章 针对横切机各部分工作原理进行了叙述，并针对直流调速装置部分作了详细探 讨；第三章针对西门子s 7 2 0 0 系列p l c ，叙述了本课题开发所依据的技术原理 和理论依据，并着重针对工业应用中的可靠性与抗干扰问题进行了分析。第四章 针对横切机控制系统的关键问题进行了分析，并对一些关键公式作了推导；第五 章分析了系统的设计要求，并据此进行了系统的软硬件方案设计；第六章是对整 个课题开发进行了总结，并提出了一些改进建议。 关键词：横切机，飞剪车，直流调速，定时控制，p l c 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo ft h et h e s i si st oa c h i e v ea u t oc o n t r o lo ft h ea l u m i n u mp l a t e s h e a rc u t t e rw i t h p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) a s t h e i m p o r t a n t m a n u f a c t u r i n g m a c h i n ei n p l a t ep r o d u c t i o n , t h e c u t p r e c i s i o n ，v e l o c i t y a n d a u t o m a t i z a t i o no ft h es h e a rc u r e rw i l td i r e c t l ye f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h e p r o d u c t i th a sg r e a tt h e o r e t i cv a l u e ，b e c a u s ei ti n v o l v e sm a n yt e c h n i c si nf o l l o w i n g a r e a s ：c o m p u t e rc o n t r o l ，e x a c tm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ，d i r e c tc u r r e n ta c t i y a t o rm a d m a n m a c h i n e e n g i n e e r i n g ，e t c t h et h e s i si n t r o d u c e st h ew o r kp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g i cp r o c e s so ft h es h e a r c u t t e r ，a n da n a l y z e sk e yi s s u e so ft h ec o n t r o ls y s t e m i tt e l l sd e s i g nm e t h o d sa n d r e a l i z a t i o no fp l cc o n t r o ls y s t e m ，a n de m p h a s i z e so nt h ea n a l y s i so f r e l i a b i l i t ya n d a n t i - j a m m i n gi ni n d u s t r i a lu s e t h et h e s i sp r o v i d e st i m ec o n t r o ls c h e m et oc o n t r o l f l y i n gs h e a ro ft h es h e a rc u t t e r b e s i d e s ，i tp r o v i d e sm o r ea c c u r a t es 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 ma n d p r o v e sf e a s i b i l i t yo f t h es c h e m et h e o r e t i c a l l y t h es c h e m e sc a nb e a p p l i e dt o n o to n l yt h ea l u m i n u m p l a t es h e a rc u r e r ，b u ta l s ot h eo t h e rp l a t e ss h e a r c u r e r t h e y h a v ew i d e a p p l i e a t i o np r o s p e c t c h a p t e r o n ei n t r o d u c e st 1 1 e b a c k g r o u n d a n dt a s ko ft h et h e s i s a n dt h e d e v e l o p m e n to f t h es h e a rc u t t e r c h a p t e rt w ot e l l st h ew o r k p r i n c i p l eo f t h ep a r t si n t h es h e a rc u r e ra n dd i s c u s s e st h ed i r e c tc u r r e n ta e t i y a t o rp a r t i c u l a r l y c h a p t e rt h r e e t e l l st h et e c h n o l o g ya n d t h e o r yw h i c h w i l lb eu s e di ns y s t e m d e s i g n ，t h e ni n t r o d u c e s s i e m e n sa g s i m a t i cs 7 2 0 0p l ca n d e m p h a s i z e so nt h ea n a l y s i so fr e l i a b i l i t yi n i n d u s t r i a lu s e c h a p t e rf o u ra n a l y z e s k e y i s s u e so ft h es h e a rc u t t e rc o n t r o ls y s t e ma n d d e d u c t sc o r r e l a t i v e f o r m u l a s c h a p t e rf i v ea n a l y z e sd e s i g nd e m a n d ，t h e nb a s e do i l i t ，d e s i g n s t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o n t r o l s c h e m e s c h a p e r s i xs n l t x e s u pt h e d e v e l o p m e mo f t h e t h e s i sa n d p u t sf o r w a r da d v i c ef o rs y s t e mi m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s h e a rc u t t e r ，p l c ，d i r e c tc u r r e n t a c t i y a t o r ，f l y i n gs h e a rc a r r i a g e i i 独创性声明 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。据我所知，除了文中特另, l j n 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：二李j 址日期：舻4 年7 月，f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：歹耄毒誓够导师签名：幽 日期：卅年弓月i 1 日 电子科技大学硕士论文 1 1 概述 第一章引言 在纸张纸板、金属板材等工业生产领域，经常需要将原材料切边、矫直后进 行高精度定长切割，所采用的生产设备就是本文所研究的横切机。受原材料的硬 度、柔韧度、厚度等各种参数影响，横切机的设计一般是定位为专用机组，所采 用的机械结构、传动装置、执行机构及控制设备等都具有非常强的针对性。比如 纸行业有纸张纸板横切机，玻璃业有玻璃横切机，钢行业有钢板横切机，铝行业 有铝蒂材横剪机组等等。 过去传统的横切机( 如机械横切机) 自动化程度不够高，成品长度需要人工 配合测量，剪切过程也由人工控制，整个生产过程人工干预太多，剪切速度缓慢， 成品精度不高，生产效率非常低下，严重制约了板材生产领域的发展。 随着市场经济的飞速发展，人们对生产效率以及成品质量的要求越来越高， 同时微枫控制技术发展趋于成熟，各种自动化程度很高的高性能横切枫迅速发展 起来。比如卷筒料( 纸、铝带等) 高速横切机、凹板横切机、玻璃切割机、钢卷 整平横切机等等，基本都具备了微机控制、定长设置、块数设置、速度实时监测、 交直流调速、自动计数等功能，剪切的速度与精度达到了比较高的水平，扩展功 能如声光报警、自动装卸等也都比较齐全。 作为板材领域重要的生产设备，横切机的剪切精度、剪切速度、自动化程度 直接影响到生产效率和产品的质量，因此对其技术要求非常高。它里面融合了计 算机自动控制、精密机械传动、电机调速、人机工程等多种技术，有着较深的理 论价值。 针对不同的板材，横切机组采用的切割方式不尽相同。如对于硬度不高的纸 板，剪刀一般采用普通旋转式切刀进行定长剪切；丽对于硬度非常高的铜质板材， 对剪刀硬度又有非常高的要求，一般是板材达到定长后，停止运行，然后下刀剪 切；对于大部分普通硬度( 如铝板) 板材，一般都是进行随动剪切，即在板材运 动中，进行下刀剪切，以满足剪切速度的更高要求。 此外，横切机组采用的电气传动方式也因切割对象而各异。随着交流调速技 术的迅猛发展，越来越多的厂家开始采用高性能交流调速系统，但在要求高控制 性能的工业场合，仍有很多采用直流传动装置进行直流调速以满足高控制要求。 针对横切机的自动控制，一般采用传统的电气控制线路与p l c 结合控制，采 电子科技大学硕士论文 用这种控制方案，系统具有可靠性高、故障率低、便于维修等优点。 1 2研究对象简要介绍 本文的研究对象为一台毫米级厚度铝带材横切机。它由意大利g a b e l l a m a c c h i n e 公司所生产。实物照片如图卜1 所示。 图l l意大利g a b e l l am a c c h i n e 公司s p e z z o n a t u r a 横切机 根据图卜1 实物图及现场的安装情况，给出横切机组成示意图如图卜2 所示。 电子科技大学硕士论文 图1 - 2 横切机组成示意图 据图卜2 所示，该横切机组包括开卷机、切边机、矫直机、飞剪车、风机与 传送台、垛板台、电气控制柜、操作台等几个大的部分。各部分工作原理将在后 面章节详细讲述。系统主要的接触器、继电器及直流电动机调速装置装配在电气 控制柜内。 其技术性能参数如下： 最高剪切速度：6 0 m r a i n 剪切长度：1 0 0 0 4 5 0 0 m m 剪切误差：小于士2 m m 开卷最大张力：2 0 0 0 0 n 卷筒直径：5 0 0 17 0 0 m m 铝带宽度：6 2 0 1 2 6 0 m m 铝带厚度：0 2 3 2 m m ( 取决于矫直机) 。 通过现场调研，我们得知： 该横切机组控制部分采用了意大利a s i a 品牌p l c ，具体型号无从查起。直 流调速部分采用了三套意太利a n s a l d o 公司的全数字直流调速装置，型号为 s p d m1 6 0 r d e 。其中一套配置成张力控制系统，对开卷部分电动机进行控制， 另外两套分别针对矫直电动机和飞剪车电动机，在p l c 协调下进行调速工作。 多年的使用使得这台横切机已经不堪重负，某些机械部分老化磨损十分严 重，控制部分也暴露出越来越多的问题，亟待改造以满足生产需要。主要表现为 下面几个方面： 夺原有p l c 工作开始不够稳定，出现频繁性死机； 夺自动剪切方式下，偶尔出现突然性非正常停车： 电子科技大学硕士论文 夺飞剪车反应不够灵敏，预定时间内达不到预定的剪切速度 夺剪切精度严重下滑并出现不稳定，一般+ 5 r a m ； 夺铝板块数检测部分已经损坏； 1 3 课题目的、内容及其意义 本课题的主要任务是对上一节中所介绍的横切机控制部分进行全新设计。 横切机机械部分问题较容易解决，由于市场上有众多配件可以选择，对于磨 损老化的机械更换新的即可。 控制部分有所棘手，横切机并不是通用机械，各厂家有各自的硬件与相应配 套软件。p l c 作为横切机控制的核心部件，也是整个系统的大脑部分，它指挥协 调周边设备共同工作，一起完成高质量高效率的生产，所以，一旦它出现问题， 造成的损失将十分严重，由于没有相关资料，修复原来控制部分的可能性极小， 所以最直接的方案就是更换控制部分硬件( p l c ) ，重新设计硬件控制线路及相关 程序。 改造完成后的横切机，除要求达到原有的指标水平，同时还要保证更可靠更 快速的工作，为此需进行详细的现场调研工作及相应的理论分析研究。 本课题的主要目的是利用可编程序控制器( p l c ) 来完成对横切机的自动控 制，实现预定的控制任务，并在原有基础上增加一些优化功能( 比如增加了触摸 屏，优化了人机界面，增加了声光报警功能等等) 。主要包含了五方面内容： 1 熟悉横切机工作原理及其工艺生产流程： 2 对直流调速与剪切控制两个关键问题进行详细理论分析； 3 针对现场情况，探讨p l c 控制系统应用中对某些具体问题( 尤其是可靠 性与抗于扰) 的处理； 4 利用p l c 设计理论制定实施控制方案； 5 仿真与现场调试。 4 电子科技大学硕士论文 第二章横切机系统与相关理论研究 本章是课题的重点部分，也是控制系统设计的关键所在。 2 1 横切机各部分工作原理 2 1 1 开卷部分 开卷机结构示意图如图2 。1 所示。 倒2 1 开卷部分示意图 开卷部分执行装置主要为电磁阀，包括启动、停止，运卷车( 图中未给出) 左移、右移，开卷臂上升、下降，铝带卷筒支架左移、右移，动作装置有开卷电 机和开卷臂电机。 在转滚下方有运卷车轨道，铝带卷筒由运卷车运至转滚处，由吊车配合装到 转滚上。通过控制按钮，开卷臂可上升或下降，使小转滚压紧铝带卷筒，开卷臂 原动力由液压站提供。在开卷臂上有一开卷臂电机，此电机带动小转滚转动，用 以协助铝带卷筒开卷。 开卷电机由a n s a l d o 全数字直流调速板进行张力控制，通过传动机构带动 转滚转动，使得铝带卷简开卷。 电子科技大学硕士论文 2 1 2 切边与卷边部分 切边机结构示意图如图2 2 所示。 图2 - 2切边机缩构示意图 铝带从左方进入，右方输出。 图中上方左侧为校平滚，中部为传动滚、矫直滚，右侧为传动皮带、切刀。 它们均由矫直电动机通过链条拖动。左方可活动托板及其传动部分，可由人工控 制向上升起至一定位置，以协助铝带进入切边机。 铝带先是进入切边机上的校平滚进行初期校平，而后进入压滚，压滚间隙根 据带的厚度不同可由操作人员调节，由传动压滚带动铝板前行，由于传动压滚的 拉动作用，使得铝带中存在张力，张力的大小反馈回开卷电机调速板，由调速板 自动控制调整开卷电机速度，使得张力始终维持在某一数值附近。然后，铝带通 过矫直滚进行初期矫直，经传送皮带进入切刀剪切区域，根据人工调整的宽度， 切出定宽的铝带，送入矫直机。切下来的废边由切边机右下方的两个张力电机进 行卷边( 图中未给出) 。 切边机动作装置由矫直电机通过链条传动带动切边，这样可以保证铝带不会 因为速度不同步而导致损坏。 2 1 3 矫直机与飞剪 这两部分是整个设备的关键部分。示意图如图2 一所示。图2 - 4 为飞剪与飞 6 电子科技大学硕士论文 剪车结构图。 切边机 图2 - 3矫直机与飞剪部分示意图 图2 - 4飞剪及飞剪车结构示意图 工作过程如下： 铝带经过切边机切边后，进入矫直机的矫直滚，其作用是对即将进行切割的 铝带进行再一次整平矫直，矫直滚由下方的矫直电动机拖动。与切边机类似，其 上下滚之间的间隙根据铝带厚度可由操作人员手动调节至合适值。 从矫直机出来后，铝带进入剪切前的区域，在这里，我们用了一个定尺编码 器来计量铝带走过的距离，根据编码器发给p l c 的脉冲数及编码器规格，容易 计算出铝带走过的长度及运行速度，当铝带长度达到设定值时，p l c 发信号给飞 剪车电机调速板，使飞剪车由零位快速启动，在有限的距离( 零行程开关与最大 限位开关之间的距离) 内达到与铝带相同的速度，然后p l c 发信号给气动电磁 阀控制剪刀下刀剪切，剪切完毕后飞剪车又快速返回零位，准备下次剪切。此处 飞剪车的控制是本课题的关键问题，在第四章将有详细讨论。 飞剪车固定在滚珠丝杠螺母副上，丝杠转动时，飞剪车左右平移。在丝杠的 最右端固定有定位编码器，用做飞剪车位置检测。 电子科技大学硕士论文 2 1 _ 4 风机与垛板台 结构示意图如图2 5 所示。 ，墅一i 一笺螽传送皮带碡涮后雨i 黼 图2 5风机与垛板台结构示意图 这两部分结构简单，主要作用是运送剪切后的铝板。 动作装置有传送皮带与风机以及两个垛板台电机( 图中未给出) 。传送皮带 由矫直电动机拖动，铝带被切成板后，经传送皮带前行，为防止铝板表面划伤， 特别采用一个风机把铝板吹起落入垛板台。铝板积累到一定块数后由人工控制垛 板台电机运出垛板台，打包装箱。 2 1 5 控制台 控制台置放有各种按钮、指示灯、c r t 、键盘等设备。其作用是用来输入要 切的铝板长度与块数，并实时显示剪切速度与系统关键状态，完成实时监控。 2 2 a n s a l d o 直流调速装置与相关理论探讨 2 2 1 横切机系统电气拖动要求 在横切机中，开卷部分采用张力控制；矫直部分的矫直电动机除了带动矫直 滚外，还通过链条传动带动切边机切边，负载转矩较大；飞剪车需要频繁的启动、 制动、正转、反转，要求短时间内达到与铝板运行相同的速度，需要电动机要有 良好的启动、制动性能和优异的平滑调速性能。因此，矫直电动机需选择大容量 他励直流电动机，为保证飞剪车快速启停，飞剪车电动机需选用低惯量电动机。 与此相对应，调速系统也需选择高性能的直流调速装置。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，在轧钢 机、横切机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电 梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛应用。与之对应的直流调速系 统历经多年的发展，在理论和实践上都趋于成熟。有单闭环调速系统、多环( 双 闭环、三闭环) 控制调速系统、直流可逆调速系统、直流脉宽调速系统等。 在横切机工作过程中，矫直电动机运行在匀速状态并且不需要频繁起动、制 动，因此其调速系统配置相对简单，下面重点分析飞剪车电动机的调速。 飞剪车电动机频繁的快速起动、制动，显然，采用单闭环系统难以满足需要。 电子科技大学硕士论文 主要原因就是在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或者转 速。即便采用了电流截止负反馈环节，与转速负反馈调速系统结合在一起，可以 专门用来控制电流，仍然不能有效缩短启动与制动时间。它只能是在超过临界电 流k 值以后，才能靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制 电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程如图2 - 6 ( a ) 所示。 ( a ) 带电流截止负反馈单用环调速系统起动过程( b ) 理想快速起动过程 图2 - 6调速系统起动过程电流与转速波形 所以对于飞剪车电机调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产效率 和加工质量的重要因素。在电机最大电流( 转矩) 受限的情况下，我们希望充分 利用电机的允许过载能力，在过渡过程中始终保持电流( 转矩) 为允许的最大值， 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，达到稳态转速后，又让电流迅速降 低，使转矩与负载相平衡，转入稳态运行。这样的理想起动波形如图2 - 6 ( b ) 所示， 起动电流呈方形波，转速线性增长。这是在最大电流( 转矩) 受限制的条件下调 速系统所能得到的最快的起动过程。而实际上由于主电路电感的作用，电流是不 能突跳的，理想的起动波形只能近似逼近，不能完全实现。为实现这一功能，关 键是要获得一段使电流保持为最大值k 的恒流过程。依据反馈控制规律，采用 某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得 到近似的恒流过程。 最终要解决的问题则是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转 速负反馈同时加到同一个调节器的输入端；到达稳态转速后，又希望只要转速负 反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。 为解决上述的问题，依照反馈控制规律，不难论证，采用转速、电流双闭环 调速系统基本上可达到允许条件下最快起动的要求。 根据2 1 节横切机工作原理：飞剪车不仅需要频繁的起制动，还需经常的正 反转，在一般两象限直流调速系统中，由于晶闸管的单向导电性，它只能为电机 提供单一方向的电流，电动机在工作时只能向一个方向旋转，电机的电磁转矩方 向也是单一的，因此对于要求电机经常正反转的机械中，显然得考虑采用可逆调 9 丞 “ o 一 。一 一赵 电子科技大学硕士论文 速系统。 综上所述，要理想的控制飞剪车运动，直流调速装置至少应具备速度环与电 流环组成的双闭环控制环节，同时还应能够可逆运行。 2 2 2a n s a l d o 直流调速装置简介 为满足横切机系统中电力拖动控制的需要，调速系统选择了意大利安莎而多 ( a n s a l d o ) 公司的四象限可逆型全数字直流调速装置s p d m l 6 0 r d e ，该系 列为全数字变流装置，具有高稳态精度和优良的动态响应，其控制、调节及可控 硅出发均由1 6 位微处理器执行。其随部采用了速度调节器、电流调节器和电动 势调节器，除了具备基本的调压调速方式，还具有弱磁升速方式配合控制。只需 人为配置各参数，即可设定相应的调速方案，应用于有不同控制要求的工业场合， 有着很强的通用性。 由于数字技术的运用，使得a n s a l d o 直流调速装置具备如下优点： 夺可使用多种方式通过软件进行调试，以适应系统需要； 夺具备高效故障诊断功能； 夺用户与装置之间可通过接口交换数据、命令和其他信息； 夺电流、速度、电势环的自调节功能( p 、i 参数的自优化调整) ； 夺可作为集中数控系统的组成部分，通过串行通讯总线可进行大量的数据 交换： 夺高精度控制算法简便易行。 a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 性能参数如下： 输入电压：z , o = 3 8 0 4 1 5 v ( 三相a c ) ； 输出电压：v o 。= 4 0 0 v d c ； 额定电流：1 6 0 a ： 功耗：5 0 0 w ； 配两个单相风机：2 2 0 v ，5 0 h z ，0 1 5 a ： 稳态精度：测速反馈0 1 ；编码器测速反馈0 0 1 ：电压反馈2 ； 速度分辨率：带编码器0 0 0 5 ； 整流桥逆变死区：3 3 m s ； 电流调节器最大频带宽度：4 0 0 r a d s ； 速度调节器最大频带宽度：4 0 0 r a d s ； 工作温度：o 4 0 。c ；在4 0 6 5 。c 之间，每升高一度装置容量降低1 2 ： 1 0 电子科技大学硕士论文 海拔高度：0 - 1 0 0 0 m ；在1 0 0 0 3 0 0 0 m 之间，每升高1 0 0 m 装置容量降低1 ； 2 2 3a n s a l d 全数字直流调速装置控制系统的实现 2 2 3 1 可逆直流调速系统的实现 在a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 调速装置中，采用了两组共1 2 只晶闸管组成反 并联电枢可逆电路实现电机的可逆运行，如图2 7 所示。 图2 7a n s a l d o s p d m l 6 0 r d e 可逆连接线路 由图2 7 可知，线路中包含正反两组晶闸管，正组为电动机提供正向电流， 反组为电动机提供反向电流。这两组装置分别由两套触发装置控制，来实现电动 机的可逆运行。 根据电力电子变流技术中的知识可知，晶闸管有整流和逆变两种工作状态， 整流状态时，从电网吸收能量；逆变状态时，把电能回送至电网，就此可分析图 2 7 所示的可逆线路工作原理。 当正组处于整流状态，反组处于阻断状态时，电机处于正向电动状态，从电 网吸收电能，电机正转，运行在第1 象限。 当正组处于阻断状态，反组处于逆变状态时，电机反电动势大于反组逆变的 工作电压，电机转速方向与转矩方向相反，电机处于回馈发电状态，电能经晶闸 管送往电网，电机工作于发电制动状态，运行在第1 i 象限。 反转运行的情况与正向运行类似，此时反组处于整流状态，正组处于阻断状 态，电机处于反向电动状态，从电网吸收电能，电机运行在第1 i i 象限。 反向制动与正向制动也类似，此时反组处于阻断状态，正组处于逆变状态， 电机处于反向回馈发电状态，电能经晶闸管送往电网，电机的转速、电压与转 矩方向同正向运行时合好相反，电机运行在第象限。 电机整个运行范围如图2 - 8 所示。 电子科技大学硕士论文 i 组逆 薏缓 正组垄 制动断，4 一i d 缓阚 十i d 组阻 反组匪 运行 变，6 ，反组阻 正向运行 ，正组逆 阐馈制动 图2 - 8电机运行范围 在直流可逆调速系统中又分有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统，前 者利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，即使电动机空载或轻载，晶闸管装 置也可工作在电流连续区，避免了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性 能的影响，并且存在的环流可以保证电流的无间断反向，加快反向的过渡过程。 无环流可逆调速系统又分逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统，它适用于 对系统过渡特性要求不高的工艺过程。 。 a n s a l d o 直流调速装置有无环流调节方式是根据跳线来设定的，结合横切 机拖动控制要求，设置为有环流可逆调速系统。 2 2 3 2a n s a l d o 直流调速装置工作原理探讨 结合前面几节的分析，针对直流调速装置在横切机中的应用，我们给出 a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 的原理框图，既非独立控制励磁的可控环流直流可逆 调速系统，如图2 - 9 所示。 主电路采用正反两组晶闸管反并联连接线路。调压和弱磁调速用同一个速度 给定装置操作，弱磁升速靠系统内部信号自动进行。 电枢电压控制线路采用了典型转速、电流双闭环系统，电流互感器和电流调 节器都用了两套，分别组成正反向各自独立的电流闭环，在正、反组电流调节器 a c r l 、a c r 2 输入端分别加上了控制环流的环节。该环节包括环流给定电压一矿 和由二极管v d , 与峨、电容c 、电阻r 组成的环流抑制电路。为使得a c r l 和 a c r 2 的给定信号极性相反，矿经过放大系数为1 的反号器a r 输出一旷，作为 a c r 2 的电流给定。这样，当一组整流时，另一组就可作为控制环流来用。 励磁控制采用了电动势环和励磁电流环调节方式。电动势调节器a e r 和励 磁电流调节器a f r 均采用p i 调节器。由于很难直接测电动机的反电动势e ，采 用由和l 的检测信号u 与u ，通过电动势运算器a e ，获得反电动势信号u ，o 电子科技大学硕士论文 与由基速电动势给定电位器魍给出的电动势给定信号虻比较后，经过a e r ，得 到励磁电流给定信号蝣。再与励磁电流检测信号比较，经过a f r ，控制电动 机的励磁。 图2 - 9a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 原理框图 采用电动势调节器来提供励磁电流给定信号是自动实现电枢电压与励磁的 配合控制所需要的，因为直流电动机感应电动势的规律是e = 疋中”，当磁通中减 弱而转速一上升时，电动势e 应维持不变，采用p i 型电动势调节器恰好可以保证 电动势无静差的控制要求。 图2 9 所示调速系统具体的起动制动过程，根据自动控制原理知识容易分析， 此处不再赘述。 针对励磁控制环节，有如下简要分析： 在基速以下时，电动势a e r 已知处于饱和状态，相当于电动势环开环，a e r 的输出电压一直保持在限幅值，通过a f r 的调节作用，保证额定的励磁电流不 变。这样，基速以下完全靠转速、电流双闭环系统调节电枢电压来控制转速。 在基速以上时，a s r 仍起转速调节作用，a c r 的输出限幅值限制了最大电 电子科技大学硕士论文 枢电压，由于此时的反电动势维持恒定，电流受到a c r 的调节，尽管转速在上 升，电枢电压却不会再升高，a e r 和a f r 则在反电动势不变的条件下控制励磁 电流。 针对可控环流环节，有如下分析： 当速度给定电压u ：= 0 时，a s r 输出电压矿= 0 ，a c r l 和a c r 2 仅依靠环流给 定电压一矿，使两组晶闸管同时处于微微导通的整流状态，输出相等的电流 ，= ，= f ( 给定环流) ，在原有的瞬时脉动环流之外，又加上恒定的直流平均 环流，其大小可控制在额定电流的5 1 0 ，而电动机的电枢电流为 l = i ，一，= 0 。正向运行时，珥为负，二极管嘎导通，负的盯加在正组电流 调节器a c r l 上，使正组控制角口，更小，输出电压。，升高，正组流过的电流， 也增大：与此同时，反组的电流给定f 为正，二极管v d ：截止，正电压曰通过 与v d 2 并联的电阻r 加到反组电流调节器a c r 2 上，扩抵消了环流给定电压一矿 的作用，抵消的程度取决于电流给定信号的大小。稳态时，电流给定信号基本上 和负载电流成正比，因此，当负载电流小时，正的旷不足以抵消一矿，所以反 组有很小的环流电流通过，电枢电流t ，= i ，一，i 随着负载电流的增大，正的曰 继续增大，抵消一u ：的程度增大，当负载电流大到一定程度时，研= | i ，环流 就完全被遏制住了。这时正组流过负载电流，反组则无电流通过。与r 、v d 2 并 联的电容c 则是对遏制环流的过渡过程起加快作用的。反向运行时，反组提供负 载电流，正组控制环流。 2 _ 2 3 3 调速装置数字控制的实现 采用模拟电子电路组成的控制系统，由于参数不便调整，对被控对象适应能 力差，难于实现各种新的控制策略和控制方法，模拟电路对状态量的检测精度不 高，使得连续控制系统控制性能不易提高。连续控制系统众多缺点严重制约了传 动技术的发展。 随着计算机技术发展日趋成熟，微机技术的运用给传动领域注入了新的活 力，微机控制的传动装置对被控对象各状态量可实现快速、宽范围、高分辨率、 高精度的检测，为高性能传动系统实现提供了基本条件，可以灵活的改变参数， 节约成本，大大提高了控制系统可靠性。 对照图2 - 9 原理框图，给出a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 全数字直流传动装置 的功能框图，如图2 1 0 所示。 电子科技大学硕士论文 图2 - 1 0a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 调速系统功能示意框图 由连续控制系统里面的传递函数公式以及算法，经过拉普拉斯变换及z 变 换，容易转化为数字控制系统里所需要的数字p i d 调节器，此处不再赘述。 a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 的测速部分，可通过跳线设置为测速发电机或者 旋转编码器作为反馈设备。 微机根据采样得到的数据及速度给定值，按照相应算法即可计算出相应的输 出值，由d a 转换器件送出，触发相应装置，从而驱动电动机运转。 a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 的速度给定有多种方式供选择，有可编程模拟量 输入、可编程数字量输入以及差动模拟量输入等。针对横切机的控制要求，我们 选择了差动模拟量输入方式，用p l c 模拟量输出模块直接给定。 此外，a n s a l d os p d m l 6 0 r d e 带有较多的附加功能，可通过硬件跳线或 软件参数设置，以适应各种不同的工业控制场合，满足各种被控对象的控制要求， 有着非常好的灵活性。 电子科技大学硕士论文 第三章p l c 设计理论 根据系统技术要求及现场环境特点，征得厂方同意，我们采用了德国西门子 公司s i m a t i cs 7 2 0 0p l c 作为横切机的控制部分，本章主要针对该系列p l c ， 结合现场情况，探讨p l c 设计理论。 3 1s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 简介 西门子公司的s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 属于小型可编程序控制器，可用于 代替继电器的简单控制场合，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强 的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。 s 7 “2 0 0 系列p l c 的可靠性高，可用梯形图、语句表( 即指令表) 和功能块 图3 种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握、操作方便。内置有 高速计数器、高速输出、p i d 控制器、r s 4 8 5 通信编程接口、p p i 通信协议、 m p i 通信协议和自由方式通信功能，i o 端子排可以很容易地拆卸。最大可扩展 到2 4 8 点数字量i o 或3 5 路模拟量i o ，最多有2 6 k b 程序和数据存储空间。 s 7 2 0 0 系列p l c 在机床电气、纺织机械、印刷机械、塑料机械、包装机械、 烟草机械、冲压机械、铸造机械、运输带、食品工业、化学工业、陶瓷工业、环 保设备、电力自动化设备、实验室设备、电梯、中央空调、真空装置、恒压供水 和化工系统中各种泵和电磁阀的控制等领域得到了广泛的运用。 3 1 1 主控模块 德国西门子公司s 7 2 0 0 系列p l c 具有紧凑的设计、良好的扩展性能、低廉 的价格以及强大的指令，近乎完美的满足各种小规模控制要求。该系列包含了多 个型号的c p u ，有c p u 2 2 1 、c p u 2 2 2 、c p u 2 2 4 、c p u 2 2 6 和c p u 2 2 6 x m 等，各 个型号技术性能互有差别，供用户系统设计时按需选择。 c p u 2 2 1 无扩展功能，适于用做小点数的微型控制器。c p u 2 2 2 有扩展功能， c p u 2 2 4 是具有较强控制功能的控制器，c p u 2 2 6 和c p u 2 2 6 x m 适用于复杂的中 小型控制系统。 $ 7 - 2 0 0c p u 的指令功能强，有传送、比较、移位、循环移位、产生补码、调 用子程序、脉冲宽度调制、脉冲序列输出、跳转、数制转换、算术运算、字逻辑 运算、浮点数运算、开平方、三角函数和p i d 控制指令等，采用主程序、最多8 级子程序和中断程序的程序结构，用户可使用1 - 2 5 5 m s 的定时中断。用户程序 1 6 电子科技大学硕士论文 可设3 级口令保护，监控定时器( 看门狗) 的定时时间为3 0 0 m s a 数字量输入中有4 个用做硬件中断，6 个用于高速萌能。3 2 位高速加减计数 器的最高计数频率为3 0 k h z ，可对增量式编码器的两个互差9 0 度的脉冲列计数， 计数值等于设定值或计数方向改变时产生中断，在中断程序中可及时地对输出进 行操作。两个高速输出可输出最高2 0 k h z ，频率和宽度可调的脉冲列。 s 7 2 0 0c p u 主要技术性能请见表3 1 。 表3 - 1 s 7 2 0 0c p u 主要技术性能表 项目c p u 2 2 lc p u 2 2 2c p u 2 2 4c p u 2 2 6c p u 2 2 6 x m 程序存储器 4 k b4 k b8 k b8 k b1 6 k b 用户存储器类型e e p r o m髓p r o me e p r o me e p r o me e p r o m 本机i ，o6 入4 出 8 入6 出1 4 入1 0 出2 4 入门6 出2 4 入门6 出 扩展模块数量无 2777 数字量i o1 2 8 入1 2 81 2 8 入1 2 81 2 8 入j 2 81 2 8 入门2 82 5 6 入2 5 6 出出出 模拟量i o无1 6 入1 6 出3 2 入3 2 出3 2 入3 2 出3 2 入3 2 出 3 3 m h z 布尔指令0 3 7 u s 指令o 3 7 u s ，手目令0 3 7 u s 脂令o 3 7 u s 指令0 3 7 u s j ：5 令 执行速度 内部继电器 2 5 62 5 62 5 62 5 6 2 5 6 计数器定时器2 5 6 2 5 62 5 6 2 5 62 5 6 2 5 62 5 6 2 5 62 5 6 2 5 6 顺序控制继电器 2 5 62 5 6 2 5 62 5 62 5 6 内置高速计数器 44 666 模拟量调节电位器 11 222 脉冲输出 22222 通信中断】发2 收1 发2 收1 发2 收2 发4 收 2 发4 收 定时中断 222 22 ：硬件输入中断 444 44 通信口数量 1l12 2 支持协议 o 口：p p i ，d p t , 自由口p p i ，d p t , 自由口p p i ，d p f r , 自自口p p i ，d p 胆自由口p p i d r t , 自幽 1 】口：n an an ，ap p i ，d 叽自自口p p i d p t , 自由口 p r o f i b u s 点到点n e t r 肥t w n e t r 们e t wn e ”咖t wn e t 洲e t wn e t r e 下w 3 1 2 开关量i ( 3 模块 p l c 最擅长的就是开关量顺序控制，在工业领域中，大多数控制也是开关量 控制，因此i o 模块是最常用的模块。通常开关量i o 模块产品分3 种类型：输 电子科技大学硕士论文 入模块、输出模块以及输入输出模块。 为了保证p l c 的工作可靠性，在输入模块中都采用提高可靠性的技术措施。 如光电隔离、输入保护( 浪涌吸收器、旁路二极管、限流电阻) 、高频滤波、输 入数据缓冲器等。 由于p l c 要控制的对象有多种，因此输出模块也应根据负载进行选择，有直 流输出模块、交流输出模块和交直流输出模块。按照输出开关器件种类不同又可 分为3 种：继电器输出型、晶体管输出型和双向晶闸管输出型。这三种输出方式 中，从输出响应速度来看，晶体管输出型最快，继电器输出型最差，晶闸管输出 型居中；若从与外部电路安全隔离角度看，继电器输出型最好。在实际使用时， 亦应仔细查看开关量i o 模块的技术特性，按照实际情况进行选择。 s 7 2 0 0p l c 提供了三大类9 种数字量i o 模块，见表3 2 。 表3 - 2s 1 m a t i c $ 7 - 2 0 0p l c 数字量i o 模块 型号规格 e m 2 2 1 数字量输入模块8 点输入，2 4 v d c 8 点输出，2 4 v d c e m 2 2 2 数字量输出模块 8 点输出，继电器 4 点输入，2 4 v d c 4 点输出，2 4 v d c 4 点输入，2 4 v d c 4 点输出，继电器 8 点输入，2 4 v d c 8 点输出，2 4 v d c e m 2 2 3 数字量输a 输出模块 8 点输入，2 4 v d c 8 点输出，继电器 1 6 点输入，2 4 v d c 1 6 点输出，2 4 v d c 1 6 点输入，2 4 v d c 】6 点输出。继电器 3 1 3 模拟量i o 模块 在工业控制过程中，除了大量开关量i o 以外，还有很多模拟量控制，如电 电子科技大学硕士论文 压、电流、温度、压力、流量的控制，由此各种专用的模拟量i o 模块纷纷出现， 其主要功能就是完成模数转换和数模转换，一般都自带c p u 和存储器，只要p l c 上电，主控模块就将控制字装入其内部存储器中，模拟量i o 模块就能独立工作 并且与主控模块共享存储器，主控模块只需用读写指令便可对模拟量i o 进行操 作。 西门子s 7 2 0