（电气工程专业论文）卷绕线张力控制系统的研究.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t t e n s i o nc o n t r o li sw i d e l yu s e di nt h ea r e a ss u c ha sp a p e r m a k i n g ，p l a s t i c s ， t e x t il e ，w h i c hr e q u i r e st h ec o n t r o ls y s t e mt oc o n t i n u o u s l ya n de f f i c i e n t l yc o n t r o l t h et e n s i o ni nt h ec o n d i t i o n so fa c c e l e r a t i o n ，d e c e l e r a t i o n ，a n du n i f o r ms p e e dw h e n t h es t r i pi sr u n n i n g i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n so f t e na d o p tt h ec l o s e d l o o pt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nd i r e c t l yd e t e c tt h ea c t u a lt e n s i o no ft h es t r i pt h r o u g h at e n s i o ns e n s o r ，t r a n s f o r mt h ev a l u ei n t os i g n a l st og i v eb a c kt ot h et e n s i o n c o n t r o l1 e r 。c o m p a r ei tw i t ht h ep r e t e n s i o nv a l u e ，c a l c u l a t et h ec o n t r o ls i g n a l ，a n d t h e ni m p l e m e n tt h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 i ft h ea c t u a lt e n s i o ni se q u a lt ot h eg i v e n t e n s i o nv a l u e t h es t a b i1it vo ft e n s i o nc a nb ea c h i e v e d t h ep r o j e c ti sg r o u n d e di nt h er e f o r mo fa u t o m a t i cw i n d i n gl i n e si nt h e e x p e r i m e n t a l d e m o n s t r a t i o nc e n t e ro fe 1 e c t r i c i t ya n de 1 e c t r o n i c so fc h a n g z h o u i n s t i t u t eo fl i g h ti n d u s t r yt e c h n o l o g y ，w h i c hi sa l s oap r o j e c ts u b s i d i z e db y j h z d 0 5 0 3 7i nj i a n g s up r o v i n c eh i g h t e c hi n d u s t r yd e v e l o p m e n tf u n d t h i ss y s t e mi s m a d eu po fp l c ，at e n s i o nc o n t r o ll e r ，af r e q u e n c yc o n v e r t e r ，a n dad i g it a ld cs p e e d r e g u l a t i n gd e v i c e ，e a c ho fw h i c hh a sd i f f e r e n tf u n c t i o n s t om a i n t a i nt h es t a b i i i t y o ft h es y s t e m ，i ti se s s e n t i a lt oe n s u r et h ec o n t r o lp r e c i s i o na n da c c u r a c y t o om u c h t e n s i o nc a nl e a dt ot h ef r a c t u r eo ft h es t r i p ：t o ol e s st e n s i o nc a nl e a dt oi t sw r i n k l e s t h et e n s i o no fi n s t a b i l i t yi sr e s p o n s i b l ef o rt h eq u a l i t yo fv o l u m e d u et ot h e p r o b l e m si nt h ec 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 gl i n e s ，t h ep a p e ri st os u g g e s t an e wc o n t r o ls y s t e mb a s e do np r o f i b u s d pw i t ht h ed es p e e d r e g u l a t i n gd e v i c e6 r a 7 0 ， $ 7 - 3 0 0p l ca n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h es y s t e mo fa u t o m a t i cw i n d i n g1 i n e si so fg o o ds c a l a b i l i t ya n dw i l li m p r o v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y e x c h a n g e sa n dc o o p e r a t i o ni sb e i n g s t r e n g t h e n e dw i t hh y u n d a ip r o f i b u sc o n t r o ll a b ，s i e m e n sp r o g r a m m a b l ec o n t r o l 1 e rl a b a n dt h el i k e ，w h i c hp r o v i d et h er e l i a b l et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h er e s e a r c ha n d p r o m o t i o no ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt e c h n o l o g i ct r a n s f o r m a t i o ni n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nv i e wo ft h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d t h ec o n c l u s i o n so ft h ep r o j e c ta r e a sf o l i o w ：s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ew i n d i n g u n w i n d i n gp r o c e s s ，e x p l o r et h e s t r u c t u r eo ft h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n di t sm a t h e m a t i c sm o d e l ，d i s c u s st h em e t h o d s o ft e n s i o nc o n t r o lf o rt h ea cf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，d e s i g nap l cc o n t r o ls y s t e ma n d u s et h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et om o n i t o rt h et e n s i o n i nt h eu n w i n d i n gp r o c e s s ，t h e i n v a r i a b l et e n s i o nc o n t r o li sa c h i e y e db yt h em a g n e t i cp o w e rb r e a k e r a n dd o u b l e c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mf o rs p e e da n dt e n s i o ni sd e s i g n e dw i t hac o d e ra n dat e n s i o n s e n s o rf o rt h ed e t e c tio nm e a n s t h es y s t e misc o n m n is sio n e d k e yw o r d s ：t e n s i o nc o n t r o l ，a u t o m a t i cw i n d i n g1 i n e s ，d cs p e e d r e g u l a t i n gd e v i c e ， c o n v e r t e r ，p l c 江苏大学工程硕士学位论文 独创性声明 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 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文储虢孩薄 日期：2 力。彦俾f2 ，月f 8 日 江苏大学工程硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权江苏大学可以将 本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 妊靠u 导师签名：厄膨婆 - 叭 签字日期：加孵l 工月r f r签字日期：炒艿年f 2 月，彦日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 张力控制，比较通俗的讲，就是要控制卷取物体时保持物体相互拉长或者绷紧的力。早 期的工业应用中，张力控制并未引起人们足够的重视。直到人们对卷取材料的质量和表面质 量提出越来越严格要求的时候，张力控制技术才逐渐被各国电气工程师重视起来，特别是张 力应用最广泛的纤维、造纸、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业中，带材或线材的收 放卷张力对产品的质量起着至关重要的作用。 在纤维缠绕工艺中，缠绕张力不仅关联到树脂含量的控制，更重要的是缠绕张力的大小、 各束纤维间张力的均匀性及各缠绕层间纤维张力的量级变化对制品强度影响极大。大量研究 证明，张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失2 0 一3 0 ，在生产涤纶 薄膜电容的过程中，要求被控制的张力小，稳定度高，而且卷绕时速度变化大，经常呈现间 隙运行状态。所以，需要对张力的变化情况进行在线检测和实时控制，以实现对张力的有效 控制，满足实际生产的要求。在此类电容的生产过程中，应用张力控制系统能够起到保持张 力动态平衡，保持电容器参数一致，减少人为因数影响，提高产品质量：可以减少设备启动、 制动时间，提高卷绕速度，减少卷绕过程中的中断带次数，提高生产率：能够适应于自动化大 批量生产和微量化生产。 在许多包装机械设备 二，如分切机、印刷机、复合机等在卷材的生产加工过程中，即在 收卷和放卷的过程中，卷简直径是变化的，直径的变化会引起卷材张力的变化，张力太小， 卷材容易松弛产生向漂移：张力太大，则又会导致卷材表面起皱甚至断裂。因而在收卷和放卷 的过程中，为保证生产的质量及效率，保持恒定的张力是很重要的。 早期的张力控制系统，一般都是以模拟器件为主，系统复杂，调试困难，可设置选项少 系统的控制精度不高。随着电力电子技术，计算机实时控制技术，检测技术的发展，全自动 张力控制系统逐渐由模拟控制转向数字化控制，并从单纯的单机单回路控制转向一机多路控 制，全面采用单板机、可编程序控制器( p l c ) 控制，目前以大规模集成电路，彩色液晶显示， 多层菜单操作为主。 根据控制系统输出的控制对象分，目前市场上主要有以下两种张力控制系统：一种是以 磁粉制动器( 离合器) 为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动器的输出转距与通过其 电感线圈的电流具有优良的线性关系，因而只要通过相应的压力检测器件检测现场的压力 值对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流就能实现动态控制，保持现场张力的恒定。 这类张力控制系统主要用于低张力控制的造纸纺织等行业中：另外一种就是以变频电机为执 行部件的张力控制系统，其主要特点就是通过控制变频器的激励电流或者激励电压来实现电 机转速的控制，从而实现现场压力的恒定，该类系统应用于对速度和张力都有较高要求的大 规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技术于一身， 向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力控制系统设备不仅对于 卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制， 并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓冲启动，防松卷功能、手动自动控制、模式选取、 控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力 控制系统基本停留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输 出的产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。 张力控制是指能够持久地控制料带在设备上输送时的张力的能力。这种控制对机器的任 何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下，它也 有能力保证料带不产生丝毫破损。如今常采用的张力控制基本上分手动张力控制，开环式半 自动张力控制和闭环式全自动张力控制三大类。手动张力控制就是在收卷或放卷过程中，当 卷径变化到某一阶段，由操作者调节手动电源装置，从而达到控制张力的目的。不过在高速 连续生产的设备中手动张力控制系统己基本被淘汰，而仅仅作为闭环式全自动张力控制系统 中的一种操作模式存在。开环式半自动张力控制又称卷径检测式张力控制，它是用安装在卷 轴处的接近开关或编码器、检测出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始值和材料厚度， 累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出控制信号，以控制收卷转矩或 放卷制动转矩，从而调整料带的张力。因为卷轴每转一圈，卷径会发生倍于料带厚度的变化。 此种张力控制不受外界刺激的影响，能实行稳定的张力控制。但是，由于受传动装置的转矩 变化、线性变化和机械损耗等因素影响，这种张力控制的绝对精度较差。 闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转 换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制 信号，自动控制执行单元则使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。它是目 i j i 较为先进的张力控制方法。另外，张力执行机构上，由于设备速度越来越高就对张力控制 提出了更高的要求，使得磁粉离合器制动器己不能胜任该类系统的执行单元。因此在高速设 备中已被交、直流电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。这正是基于变频 传动的张力控制系统研究的意义。在变频传动系统中，变频器本身就是一集自动控制理论和 计算机技术于一身的高性能控制器，它有良好的接口可与外部控制信号对接，它可很容易构 建闭环控制系统提高控制精度，并正在实现全自动控制。 1 2 张力控制的现状 闭环全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转换 成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信 号，自动控制执行单元，使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定目的。它是目前 较为先进的张力控制方法。另外，张力执行机构上，由于设备速度越来越高就对张力控制提 出了更高的要求，使得磁粉离合器制动器已不能胜任该类系统的执行单元。因此在高速设备 2 中已被交、直流电机执行单元所取代，实现了更加先进的张力伺服控制。 本卷绕机是一种重要的生产机械，其车速应为纸机速度的2 3 倍，一般为1 5 0 0 1 8 0 0 m m i n ，最高达3 0 0 0 m m i n 以上，引纸时，要以最高车速的1 ：1 0 0 运行。为保证在复卷过 程中不断纸和松纸，必须保证纸幅的张力恒定：为保证成品纸内紧外松的品质，必须对前后底 辊电机进行负荷分配。因此：卷绕机对电气传动系统的主要性能要求是线速度长期稳定，速 度可调且调速范围宽，具有快速响应的特点。 早期张力控制以直流传动为主，采用分立元件或模拟调节器组成直流调速系统实现上述 控制功能。由于模拟信号的传输需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高了计算机速度 和精度的开销，信号传输的抗干扰能力较差，在生产过程中经常出现断纸和起皱现象。于是 在2 0 世纪8 0 年代中后期，模拟调节器被数字式调节器所取代，出现了张力控制直流数字控 制系统。这种控制系统比模拟系统更稳定、可靠和宜于维护，更宜于与工厂的计算机接口。 进入上世纪9 0 年代中期，国内造纸工业所有新投入的张力控制大都采用国外生产的全数字直 流调速装置，比较有名的是西门子的6 r a 7 0 系列和欧陆传动公司的5 9 0 系列直流调速装置。 由于直流电机换向器及电刷的原因，在稳定条件下，张力控制系统的设计车速只能达到 1 8 0 0 m m i n ，数字式调节器的精确度仍限于最高速度的0 0 8 左右，满足不了高速纸机的配套 要求。在2 0 世纪8 0 年代早期，欧洲和日本开发了交流变频调速装置。这项技术在8 0 年代中 期被成功地引入美国，并使用于张力控制系统。交流传动的最大优点是交流电机结构简单， 运行可靠，它比直流电机所需的维护和维修要少得多。交流传动最早在欧洲、日本的纸厂迅 速获得成功，大多数主要传动制造商现在均可为纸厂提供交流传动装置，国内纸厂大部分使 用a b b 、西门子等公司的成套张力控制交流传动系统。例如西门子公司6 s e 7 0 系列调速装置， 其调速性能己全面达到甚至超出了直流调速性能而成为传动的首选方案。国内张力控制系统 交流传动大约始于2 0 世纪9 0 年代中后期，由于厂家对张力控制的交流传动系统了解和研究 不太深入，很少有较成熟的成套设备推向市场。 目前，在国内造纸行业中张力控制的传动控制系统正在逐步由全数字直流传动控制系统 向交流变频传动控制系统发展。随着复卷机生产工艺和车速的不断提高，对张力控制生产过 程进行实时控制和监测的要求也越来越高，为了减少张力控制生产现场与控制室之间的大量 布线，提高信号的传输速度和质量，现场总线和人机界面开始于9 0 年代术应用于张力控制系 统。现场总线是一种全数字、双向通信的新型控制系统。由于现场总线设备的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由 于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提 高了系统的工作可靠性。此外，现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数 字通信将相关的设备运行信息和诊断维护信息送入人机界面，用户可以监控所有设备的运行 状况，查询故障原因，并可以根据张力控制工艺的不同要求，设定和修改工艺参数。正因如 此把现场总线技术和h m i 技术应用于张力控制已经成为张力控制的发展趋势。随着变频器、 h m i 技术和现场总线技术在张力控制应用中的不断推广以及计算机技术和通信技术的结合， 张力控制的设计车速可以达到3 0 0 0 m m i n ，工作车速2 5 0 0 m m i n ，张力控制系统中的许多人工 操作实现了自动化，手工操作大量减少，其自动化程度和控制精度、控制速度和系统的稳定 性将提高到一个新的水平。 1 3 课题简介 本课题来源于对我院电工电子实验示范中心的一条自动卷绕线的改造，该卷绕线生产系 统具有良好的可扩展性，能够不断随着科学的发展而进行补充和扩展，目前正积极与现代总 线控制实验室、西门子可编程序控制器等实验室加强交流与合作，努力争取建立计算机集成 制造系统中心，该实验室与时俱进，紧跟时代的步伐及工业生产先进技术的进程，自动控制 技术的研究、推广以及在工业生产中技术转化都提供可靠的技术依据。 该项目要设计一整套控制系统方案，实现规定的动作、变频传动、稳定的段张力、计算 机测控等。本项目难点在多电机的同步控制，加减速时张力要求平稳，主电机调速范围广， 张力锥度控制等。 1 4 本文研究的重点和要做的工作 在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，本课题主要进行以下几方面工作，深入研究了 收放过程的特性，讨论了张力控制系统的基本组成及控制原理，讨论了交流变频传动时张力 控制策略，设计p l c 控制系统和利用组态软件进行计算机监控。 设计放卷部分以磁粉制动器为张力执行部件，通过张力传感器构成闭环控制实现张力的 恒定控制，设计了以编码器和张力传感器为检测单元构成速度和张力双闭环控制，从而实现 张力的恒定控制，并现场调试验证控制效果。 4 第2 章张力控制系统的设计 本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的n b 合 需求，在具体实现的过程中，叉以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一 个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。 张力是十分重要的一个生产工艺指标，张力控制的效果将直接影响到产品的质量。因此， 张力控制机构在纺织、造纸、印刷、电子等行业中得到了广泛应用。 在卷绕自动线控制系统中，要使系统稳定的运行，张力控制精度是较为关键的一点。因 为许多因素如：收卷和放卷直径的不断变化；卷筒纸的质量；环境的温度湿度；纸带的速度 变化等都会导致纸张张力小稳定，从而使系统工作技术指标超出正常范围。为使系统工作稳 定，必须保持纸带的张力恒定不变及保持适当的人小。张力过大会造成纸带的断裂，张力过 小会使纸带产生皱褶，而张力的不稳定会使纸带跳动，影响收卷质量。因此为了保证系统的 工作品质、效率及可靠性，良好的张力控制系统是必需的条件。 21 自动卷绕生产线的总体方案 本系统由一台交流电机和台直流电机进行驱动，交流电机转速由变频器控制。采用两 个三菱张力控制器l e - 4 0 m t a e 来对放卷和收卷进行张力控制，放卷张力控制器控制磁粉制 动器，收卷由数字直流调速器6 r a 7 0 控制直流电机的转速，使前后张力恒定于设定值。为防 止所卷产品纵向偏移，在前后各安装气液纠偏装置和光电纠偏装置。自动卷绕线的结构如图 21 所示。系统电气原理图如图22 所示“。 图2l 自动卷绕线实物图 丑咭 图2 2自动卷绕线电气原理图 在卷绕生产线上，放卷辊和收卷辊分生产线两侧，中间为主驱动辊，用两个控制环来控 制整条线的张力，当该段张力太小时，经张力控制器的处理单元与系统设定的张力值相比较 后，自动增大稳流电源的给定电压，使稳流电源的输出电流增大，加大了磁粉自动器上的制 动力矩，在主驱动电机的牵引下，使该段张力增大，反之，当张力太大时，经该张力控制环 调节后，张力就会下降。后张力控制环由张力控制器、数字直流调速器6 r a 7 0 和收卷直流电 动机组成，当该段的工作张力太小时，经张力控制器处理后，就会增大输送给直流调速器的 电压，相应直流调速器的输出电压就会增大，直流电动机的转速相应就会提高，因而纸张就 被拉紧，工作张力上升，反之亦然2 1 。 整个控制系统以西门子s 7 3 0 0 系列p l c 作为基础，其扫描速度在其他工业控制系统中处 于领先地位，每1 0 0 0 条指令约需0 3 m s 。通过材料，机械，电气的综合考虑，我们的设计达 到了预期目标，且在实验室也调试成功。 系统结构框图如图2 3 示该系统采用s 7 3 0 0p l c 作为系统的控制中心由西门子6 s e 7 0 矢量变频器为驱动单元，频率分辨率为0 0 1 h z 以上；变频专用电动机作为执行单元；欧姆龙 编码器提供速度反馈信号，使纸机传动在速度闭环运行模式下运行，从而使控制系统稳速精 度达到0 0 1 由p l c 通过西门子u s s 协议、r s 4 8 5 网络与变频器实现速度链功能、速差控制、 负荷分配功能、总车速升降、各分部点的速度升降等功能，较理想地满足生产线正常工作的 需求。 6 图2 3 自动卷绕线结构图 p l c 作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无法进行复 杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没 有良好的界面。这些不足，我们选用上位机来弥补。上位机完成监测数据的存贮、处理与输 出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打 印各种图表。 为提高p l c 及系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入 信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接 地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。在软件设计和编程上，加上一些抗干扰模块。 2 2 系统的运行方式 运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。 ( 1 ) 手动：各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行； ( 2 ) 单步：按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。再按启动，则进入下一工步运行； ( 3 ) 周期：从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回到第一 步开始位置停止。 ( 4 ) 自动：按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循 环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止：若按 下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。 根据卷绕线的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。与运行方式的 设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时 停运和紧急停运三种。根据控制系统要求，由于卷绕线运行期间采用循环工作方式，只有在 工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系 统采用硬件切断电源，使系统立即停车。生产线控制功能要求： 手动运行可以用按钮对生产线的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修全自 动运行按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收 到停止运行信号旧1 。 7 2 3 控制系统硬件设计 2 3 1 总体结构关系 本系统采用可编程控制器( p l c ) 和工控机两级控制的结构。p l c 负责按钮、行程开关和其 它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，进而控制 各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控 制、在线监视、传送信息等工作。工控机通过串行口与p l c 相连，进行相互通信，所以工控 机是通过发出命令去控制p l c 的运行以达到进行全自动控制的目的。 2 3 2 控制系统主要器件的选择 卷纸包装机控制系统主要器件包括工控机( 另配显示器) 、p l c 、变频器等。它们的选择都 是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，具体情况如下： ( 1 ) 工控机 本系统上位机选用研华i p c 一6 1 0 工控机，1 2 8 m 内存，1 0 0 硬盘，内部底板上有4 个i s a 总线插槽、2 个p c i 总线插槽和一个c p u 插槽，可以方便地进行系统扩展，另外选配飞利浦 i o s a 型显示器，可清晰地显示各种图形和文字，运行w i n d o w s n t 操作系统，外接打印机，打 印报表。工控机由一台不间断电源u p s 供电，保证报表数据的完整记录。 ( 2 ) 下位p l c 的选型及其模块配置 在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。然后确定系统的规 模、机型和配值。据统计，该包装机控制系统需要配置如下的不同性质的i 0 点： 1 6 个开关量输入； 1 6 个开关量输出； 4 个模拟量输入； 4 个模拟量输m ； 根据对卜述控制任务的分析，本项目选择了s i e m e n s 的模块化中小型p l c 系统$ 7 - 3 0 0 ， 它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现 分布，易于用户掌握等特点使得$ 7 - 3 0 0 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又 经济的方案。s 7 3 0 0 系列所具有的多种性能递增的c p u 和丰富的且带有许多方便功能的i o 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时， 可随时使用附加的模块对p l c 进行扩展。s i m a t i c $ 7 - 3 0 0 所具备的高电磁兼容性和强抗振动， 抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。它具有很强的计算能力和完善的指令集，以 及通过m p i 接口和s i n e c l a n s 联网的能力，适用于高速的过程处理需要h 引。 奉系统所用的主机模块是c p u 3 1 5 2 d p ，可以通过m p i 转接电缆或通讯模块与计算机进行 通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合 本系统的需求。除此之外，它自带的s t e p 7 编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变 得简单快捷。此外，s 7 3 0 0 系列p l c 还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优 越，装卸方便等优点。 r 根据1 o 点数的确定要按照实际点数再加2 0 一3 0 的备用量及其特性，配置了如下的模 块： 1 个模拟量输入模块s m 3 3 1 为1 6 路的模数转换通道； 1 个模拟量输出模块s m 3 3 2 为1 6 路的模数转换通道； 1 个数字量输入模块s m 3 2 1 输入通道； 1 个数字量输出模块s m 3 2 2 关量输出通道； 中央处理单元c p u 315 - 2 d p ： 通讯处理器c p 3 4 3 - 5 在本系统中，p l c 的主要任务是接受外部开关信号( 按钮、行程开关、继电器节点) 的输 入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任 务。除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机( 上位机) 的控制命令，以进行全自动生产 循环。 ( 3 ) 变频器的选择 考虑到张力控制系统对速度控制精度要求比较高，但负载不大的特点，在选择变频器时 选用了西门子6 s e 7 0 v c 矢量型变频器( 容量在2 2 - 3 7 k w ，属于小功率变频器) ，配套电机则是 西门子专用带光电编码器交流感应电动机( 3 相，3 8 0 4 6 0 v ) 。该系列变频器采用最新的矢量 控制技术、从而提高了系统的控制精度和动态响应精度，同时，由于其内部有开关量连接器 和模拟量连接器及各种功能数据组，加上提供的丰富的自由功能模块和自由控制方式，使该 系统变频器较多应用于高动态性能传动系统的频率控制、转速控制和转矩控制。满足了不同 控制系统的要求。特别是在近年来投产的造纸机电气传动系统中较多采用了这种工程型变频 器来组态系统。反映出这种变频器在造纸传动中的卓越性能6 s e 7 0 系列变频器功能强大、组 态灵活，能适合各种场合的应用需要。 9 第3 章恒张力转矩控制方案的分析 在正式讨论实验卷绕生产线控制系统之前，有必要对现行的恒张力转矩控制方案做一个 分析。 3 1 现行控制方案介绍 3 1 1 方案简介 首先，在复卷机中，纸幅张力的产生在于退纸辊驱动电机工作于回馈制动状态。纸幅张 力的大小，或者张力的稳定与否，在于对退纸辊电机的控制。 复卷过程中，原纸卷在纸幅张力的作用下顺时针旋转，如图3 1 所示，并设顺时针方向 为正向。为了产生张力作用，退纸辊电机双闭环控制器的速度环给定为一个负值，即速度给 定是逆时针方向的。由于实际转向与给定方向相反，因此速度环很快就进入了负饱和状态， 此时起作用的是电流环，电流环的输入等于转矩模块的限幅值。纸幅负载力矩是随着复卷过 程的进行、原纸辊半径的减小而减小的，为了使得张力平稳，则电机电磁转矩也应随之逐渐 减小，若令负载功率近似等于电机电磁功率间，则电磁转矩就近似等于负载转矩，并且随着 负载转矩的变化而变化，是一个转矩随动控制系统1 6 1 。 压娥麓 詹赢麟茸麓羲 图3 1 复卷机工作示意图 由于速度环负饱和，因此处于开环状态。为了取得电磁转矩对负载转矩的跟随效果，采 取了控制转矩负限幅的办法，强迫电流环的输出随着负载转矩的变化而变化。 设张力设定值为e ，退纸辊半径为墨，负载转矩m ：为 m ：= 只r ( 3 一1 ) 则对负载转矩的跟随，就成为对退纸辊半径置的随动。若后底辊处的纸幅线速度为圪， 如图所示，由于后底辊的直径在复卷过程中总是不变的，所以只要测量到后底辊的转速k 总 能计算出来。同时令退纸辊线速度k 近似等于圪，则退纸辊半径墨也就得到了。 1 0 r：=：=1 v 2 _ 3 _ 4 9 5 5 v 2 4 q l啊 ( 3 - 2 ) 其中，4 一退纸辊减速比；q 。一退纸辊电机轴角速度：惕一退纸辊电机轴转速。将( 3 2 ) 代入( 3 - 1 ) 就得到了负载转矩m ，同时将其折合到电机轴上，则 m ：丝： ( 3 3 ) c 49 5 5 惕v 2 f , 根据上式计算出来的电磁转矩值，就是符合当前速度、张力给定以及转速( 或者半径) 的 电机转矩要求值，将其作为电机电磁转矩的限幅，以达到控制电机电磁转矩的目的盯1 。 从前面的分析可以看出，转矩负限幅的绝对值与半径r l 成正比关系，与转速成反比关系。 因此随着复卷的进行，半径越来越小，电流也越来越小。但是当转速达到基速以后，若要继 续升速，只能利用弱磁的手段。 在弱磁调速阶段，现行的控制方案以及一般文献中都是以恒功率原则来调整弱磁量的， 其出发点依然是基于负载功率恒定，并且等于电机电磁功率这样一个假设。控制方法是，在 弱磁阶段保持转矩限幅为恒值，则由于速度环为负饱和，速度环的输出为负的1 0 0 ，因此转 矩计算模块的输出( 也是电流环的输入) 为恒值，等于转矩限幅。从而可知电流环的输出也为 恒值，即在弱磁阶段，电枢电流保持不变| 8 1 。 3 1 2 现行方案控制框图 将前一小节所叙述的现行控制方案框图绘出如图3 2 。图中，一n 木是速度给定，在正常复 卷时为了产生反向制动转矩，速度给定应为负值，所以这罩特意加了一个负号；为后底辊 转速。 图3 2 现行方案控制框图 这种方式的优点是结构简鹃易于实现跟随性能较佳：易于调试对纸张的适应性较强； 占用硬件资源少，所以目前在复卷机的电控系统中仍然有很多的应用。 3 2 原纸卷惯性转矩的计算 设退纸辊电机的电磁转矩为丝，负载转矩为丝，纸幅线速度为k ，半径为墨，原纸辊 轴芯半径为j r 0 ，张力给定值为只，减速比为4 ，退纸辊的转动惯量为，电机轴的角速度为 q l ，电机转速为啊，根据系统运动方程，有 等一丝= 丢垫：亮堕( 3 - 4 ) d t 3 0d ta l 箕餐 转动惯量有如下计算公式： ，= 三2 仃6 万( 群一r 1 0 7 ) + 山 、 1 ，。u 其中，仃一一纸张的密度：b 一纸幅的宽度：厶轴芯的转动惯量。 根据上节得到的半径与转速的关系( 3 2 ) ，连同上式可将( 3 4 ) 式右边的系数部分化成下 式： 岳= 丛6 0 4 ( 警) 4 + 生3 0 4 一丛6 0 4 2 硝：筹+ c 一= 一l o i l 二，_ 一一一d 一一1 3 0 彳i 惕7 rj 。孑忆 代入( 3 - 4 ) 式，得 等一丝= 净c ) 鲁 仔5 ， 其中k ，c 分别为 k：丽o-bz2丁304v z 4 a 1 4 = 1 3 6 7 8 4 0 - bv 260 4 彳 詹矿 。i 、 c ：二l 一三堕 9 5 5 篷6 0 8 盛 在( 3 5 ) 式中，线速度圪就是后底辊处的线速度，而轴芯转动惯量厶，纸张密度盯、纸幅 宽度6 、轴芯半径r 、减速比4 等均可在现场经过测量以及查询产品说明书或铭牌得到，因 此当车速恒定时k 、c 都是常数。而负载转矩项也可通过上一节( 3 3 ) 式，得 m ：c r l3 0 巧f 9 5 5 v ，e = _ = 三= o 44 万一 将上式代入( 3 - 5 ) 式，有 2 半一睁c 鲁 洚6 ， 式( 3 - 6 ) 建立了电机电磁转矩与当前电机转速之间的关系【9 1 。但该式是微分方程，若要实 时求解须将其离散化。离散化后的差分方程为 丝= 半一睁c ) 毕 浯7 ， 胛l 刀 其中，采样序号n = 1 ，2 ，3 ，；丁采样周期。 该方程在现场经由p l c 实时计算并不困难，它修正了现行控制方案中，计算转矩限幅值 时的不足之处，即没有考虑到退纸辊做加速旋转运动的影响。( 3 - 7 ) 式的计算结果是否准确， 取决于转速采样值的准确性，可考虑对转速采样值进行适当的滤波处理【1 引。 3 3 转矩差对张力控制的影响 在( 3 7 ) 式中，右边第二项为原纸卷的惯性转矩，是纸幅张力转矩需要额外付出的、用 来驱使原纸卷做旋转加速运动的力矩，也可形象地称为纸幅负载转矩与电机电磁转矩的差， 既转矩差。在计算电机电磁转矩时，原纸卷惯性转矩，既转矩差的计算，是对电机电磁转矩 的修正。很明显，这个修正量不是一个常数，它随着复卷的进行，随着卷径的变化而变化。 为了进一步定量分析的方便，我们仍然以( 3 6 ) 式所示的微分方程为对象来讨论。设：纸张的 厚度为h ，原纸卷的初始半径为k ，则半径墨有如下计算公式： r i = k f 急刃 ( 3 _ 8 ) 该等式的原理是，每当纸卷旋转一周，则半径减少一个纸张的厚度，由于转速是时间的 函数，因此转速在 0 ，t 区间的积分表示了在该段时间内总的旋转圈数，与厚度的乘积即为 半径的总衰减量。 由于在上节中的( 3 2 ) 式中，通过线速度k 和转速m 也可求得半径r i ，将其与等式( 3 8 ) 联立，得 k f 告击= 半 将上式两边对时间t 求导，并整理得 堕：丑( 3 9 ) 土= 上一 t ，一hj d t 5 7 3 圪群 且，z l ：9 5 5 v 2 4 玛 将上述两式以及系数k 、c 都代入等式( 3 6 ) 中右边的第二项，并令其为埘，整理后就 得到a m 与半径冗和线速度( 车速) k 的关系如下： a m = 半+ ( o 邯9 苈砷硝) 嚣( 胁) ( 3 - 1 0 ) 上式中，纸张密度仃、纸幅宽度b 、纸张厚度h 、轴芯转动惯量山、轴芯半径r 以及减 速比a i 都是可知的常数，而当线速度k 一定时，该式就表示了转矩差埘与半径的关系。显 然，埘随着半径尺。的变化而变化，并不是一个恒值。经分析知，在( 3 1 0 ) 式中，只有当山 非常小，或者说只有当原纸卷轴芯辊的壁厚接近于零时，式中第二项的系数j 会出现负值， 否则必大于零。因此，在对( 3 一l o ) 式进行极值判断后可知，在复卷的初始阶段，即半径较大 时，转矩差肼随着半径的减小而减小，最终会出现一个极小值，然后逐渐上升1 。 在上一节的讨论中我们知道，现行控制方案中的转矩限幅是令当前的半径冠乘以张力给 定值f 得到的，意图使得电机制动转矩与要求的纸幅张力负载力矩相平衡。但结果却是使纸 幅的实际负载力矩升高一个肼，也就是说，电机的电磁转矩是按给定张力来控制的，而纸 幅负载转矩为了克服原纸卷的旋转加速运动就不得不比要求值高出一部分来，因此纸幅张力 也就要比设定值高出一部分来。如果这个高出来的部分是一个固定值，那么站在张力稳定性 的立场上看，也是可以接受的，可是事实并非如此，具体说明如下。 在现行方案中，电机电磁转矩等于设定值，折合到电机轴上后为 m ，：f , r t 。 4 同样，将实际的纸幅负载转矩也折合到电机轴上后为 m ：f r l 4 其中f 是实际张力。将它们代入运动方程并转换后就得到 n 只+ 鲁肼 ( 3 - l1 ) 上式右边第二项就是实际张力的变化量，或者称其为实际张力的偏移量。显然这个偏移 量的大小与肼有关，通过等式( 3 1 0 ) 可知，埘除了与一些纸张的基本数据有关外，主要 是受到了线速度k 的影响。为了能够进一步得到相关的具体数据以利于比较，我们对纸张的 基本数据做一些设定和计算。 首先设退纸辊传动系统的减速比a i = 2 ；再设纸幅宽度b = 3 6 0 0 m m 。另外，一般原纸辊的 轴芯辊是空心的，其壁厚可通过设计图纸查到。在这里设其厚度为1 0 c m ，并设其外径r 为