（电气工程专业论文）覆膜机电气控制系统改造的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 复合反渗透膜是一种新型高分子材料，覆膜机是关键的生产设备。进口覆膜 机的电气控制系统存在诸多问题，不能保证产品的质量。 论文对覆膜机电气控制系统的改造进行了总体方案设计。用编程简单、维护 方便的p l c 替代工控机，用变频器替代可靠性差的进口直流调速装置。 只有使设备运行时各段反渗透膜的张力恒定，才能保证反渗透膜的质量。放 卷采用张力反馈与磁粉离合器控制，有很好的张力跟随作用，且张力不会随着卷 径的大小变化而变化。 中间牵引电动机采用恒张力控制，提供基准转速的电动机采用速度闭环反馈， 用编码器和p l c 的高速计数器测量速度反馈值，由p l c 实现p i d 运算。 中间段的张力采用用前馈控制和张力反馈控制相结合的方案，控制器输出的 前馈部分与基准转速成正比，反馈部分由张力p i d 控制器提供。前馈控制提高了 升降速时张力控制的动态性能。 收卷要求张力几乎为零，否则反渗透膜片就会受到机械损伤，张力反馈很难 实现这样的要求。收卷由原来的张力反馈控制改为力矩电动机控制，同时根据卷 径大小对力矩电动机的电压分段控制，得到了理想的收卷效果。 控制系统用触摸屏作人机界面，人机界面的画面使操作更为直观方便，根据 人机界面的提示就能迅速发现系统存在的问题。 覆膜机改造后，系统的稳定性和跟随性得到大幅度的提高，反渗透膜抖动和 擦伤问题得到彻底的解决，产品质量有很大的提高。 关键词：张力控制，p l c ，p i d ，人机界面，变频器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t c o m p o s i t er e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n ei san e wk i n do f p o l y m e r i cm a t e r i a l ，w h o s e q u a l i t yd e p e n d sm u c ho nt h ec o a t e r b u tw i mal o to f p r o b l e m si nt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ei m p o r t e d c o a t e r , t h eq u a l i t yo f r e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n ec o u l dn o tb eg u a r a n t e e d t h ei m p r o v e m e n to ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ec o a t o ri sp r e s e n t e d t h e i n d u s t r i a lc o m p u t e ri sr e p l a c e db yt h ep l ct h a ti sm o r ef r i e n d l yf o rp r o g r a m m e ra n d e a s i e rt om a i n t a i n , a n dt h ed c s p e e dc o n t r o l l e rw a sr e p l a c e db yi n v e r t e r o n l yw i t ht h et e n s i o n so fa l lt h es e g m e n t si sc o n s t a n td u r i n gt h eo p e r a t i o n , t h e q u a l i t yo ft h ep r o d u c t sc a nb eg u a r a n t e e d f o rt h eu n w i n d i n gs y s t e m ，w eu s eas y s t e m t h a ti n c l u d e st e n s i o nf e e d b a c ka n dm a g n e t i cp o w d e rc l u t c h t h et e n s i o nw i l ln o tv a r i a t e w i t hac h a n g eo f t h eu n w i n d i n gr o l l sd i a m e t e r t h es p e e do fm i dm o t o ri sr e g u l a t e dw i t l lc o n s t a n tt o r q u em l e t h em o t o rw i t h b a s i cs p e e di sc o n t r o l l e dw i t t ls p e e df e e d b a c k e n c e d e ra n dh i 曲s p e e dc o u n t e rt e s t st h e s p e e dv a l u e , t h ep i dc a l c u l a t e db yp l c t h et e n s i o n so ft h em i d d l es e g m e n t sa l ec o n t r o l l e db yf e e d f o r w a r dc o n t r o la n d f e e d b a c kc o n t r o l 。t h ef e e d f o r w a r dp o r t i o ni s p r o p o r t i o n a lt ot h eb a s i cs p e e d t h e f e e d b a c ki ss u p p l i e db yt h ep i dc o n t r o l l e r s w i t ht h ef e e d f o r w a r dc o n t r o l ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo f t h et e n s i o nc o n t r o li si m p r o v e dw h e ns p e e di su po rd o w n o nt h er e w i n d i n gs e g m e n t , t h er e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n er e q u i r e sa l m o s tn o t e n s i o n , o t h e r w i s ei tw i l lb em e c h a n i c a l l yd a m a g e d b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tf o rt e n s i o n f e e d b a c kc o n t r o lt om e e tt h i sr e q u i r e m e n t t h et e n s i o no fr e w i n d i n gs y s t e mi s c o n t r o l l e db yt o r q u em o t o r t h ei n p u tv o l t a g eo ft h et o r q u em o t o ri sc o n t r o l l e d a c c o r d i n gt ot h ed i a m e t e ro f t h er e w i n d i n gr o l l ，s ot h ea b o v er e q u i r e m e n tc a nb em e t t h ec o n t r o ls y s t e mu s e st h et o u c hs c r e w l la st h eh m it h a tc mm a k ei tm o r e c o n v e n i e n tf o ro p e r a t o r s a n dw i t ht h ea l e r to ft h eh m i t h ef a i l u r ec a nb ef o u n da s s o o na sp o s s i b l e a r e rt h ei m p r o v e m e n t , t h es t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sm u c hb e t t e r t h e p h e n o m e n ao f t h ep r o d u c t st r e m b l i n ga n dt h ed a m a g ed i s a p p e a r e da n dt h eq u a l i t yo f t h e p r o d u c t si m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：t e n s i o nc o n t r o l ，p l c ，p l d ，h m i ，i n v e r t e r n 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，也不包含为获得重废太堂 或其他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。 签字日期：司年妒月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重宏太堂有关保留、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。本人授权重庆太堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) = 书 签字目期：x 沁1 年印目 导师签名： c ie t签字日期：年月 e t g k 重庆大学硕士学位论文i 绪论 i 绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 复合反渗透膜与覆膜机【2 8 】 复合反渗透膜是一种新型的高分子材料，主要用于海水、苦咸水淡化和纯水 生产；还用于生物工程、食品工业、医药工业、石油化学工业和环境保护工业等 领域。 我国膜产业起步较晚，远远落后于欧美国家。2 0 世纪9 0 年代，为了推动膜技 术向工业化生产转化，国家相继在绗州国家海洋局水处理技术所建立了国家液体 分离膜工程技术研究中心，在中国科学院大连化学物理研究所建立了膜技术国家 工程研究所，但是到2 0 0 0 年国内膜工业化生产还是一个空白。 贵阳车辆工厂抓住机遇，于2 0 0 1 年从美国引进复合反渗透膜设备、膜生产技 术和水净化处理等成套设备和技术，成立了汇通源泉环境科技有限公司。这是目前 国内唯一的工业化生产反渗透膜元件的生产基地。 覆膜机是复合反渗透膜生产的最重要设备之一( 见图1 i ) 。单层厚度为0 1 6 5 1 1 1 1 n 、卷径为5 0 0 r a m 左右的无纺布基膜卷首先被放卷，无纺布上已涂了一层高分 子材料。六台直流电动机使无纺布以2 r r d m i n 的速度运行，匀速经过很多个化学药 品箱( 槽) ，前后还通过两个长9 5 m 的烘干箱，最后收卷。 图1 i 反渗透膜生产线 f i g1 i r e v e r s eo s m o s i sm e m b r a n ep r o d u c tl i n e 覆膜机使用的是美国的生产设备，用增量式旋转编码器来检测速度，用张力 传感器来检测张力。r e d l i o n 公司的g 3 0 6 人机界面用于设置无纺布的总速度和六 根主传动轴的张力，给定值和反馈信号送给p a r k e r 公司的a c r 8 0 1 0 工控机，工控 重庆大学硕士学位论文1 绪论 机对它们进行比较，并对误差值进行p i d 运算，通过直流调速系统控制直流电动 机。此外还有多台循环水泵、加热器和风机需要控制。报警装置由p i c o 控制器控 制。 1 1 2 原控制系统存在的问题 在美国，反渗透膜的工业化生产也是从上世纪八十年代后期开始的，有些专 利技术现在还受到完全保护。我公司的设备是原来在美国一家小规模反渗透膜公 司供职的两位退休工程师凭自己的记忆和想象设计出来的，所以有很多缺陷，开 始安装完后很长一段时间无法正常生产，主要存在下述问题： 由于设计的问题，直流调速系统没有完善的保护，很容易出现不可修复的 故障，运行近一年的时间，就有六块电路板被烧坏。同时直流调速板的抗干扰能力 差，例如在点动某一台电动机时，其它电动机也可能误动作，各电动机联动时的协 调性也很差。设备的电源电压是1 1 0 v a c ，在国内使用很不方便。 设备生产厂家没有提供工控机的编程软件，国内也没有该型号工控机的代 理商，工控机的程序有明显的错误，同步运行特别困难。今后的生产过程中如果工 控机发生故障很难处理，将会直接影响生产。 厂家设计的人机界面加装了密码，由于和合作方在合同上有一些纠纷，他 们不提供开机密码，我们只好清空原程序，重新编写。但是我们对该软件的熟悉程 度不够，编写的程序有很多不尽人意之处。 张力传感器是整条生产线的关键部件，以成对的形式安装在轴的两端。由 于生产中使用了各种化学药品，环境非常潮湿，张力检测装置很容易出现故障。出 现故障后又很难判断是传感器的故障或是放大器的故障。同时它们的价格很高，每 个张力传感器1 30 0 0 元，每块放大器65 0 0 元。由于经常损坏，需要寻找国内产品 来替代。 由于上述的原因，公司决定对现有的生产线进改造，以适应不断增长的市场需 要。 1 1 3 设备改造的要求 通过对覆膜工艺的分析，所有的化学反应都是在无纺布的界面进行的。因此 对加工时无纺布速度的匀速性要求不高，只要求在某一区间内反应时间恒定。但 是对无纺布的张力控制和传动电动机的同步要求很高。 为了解决设备存在的问题，保证设备的正常运行，提高产品的质量，降低设 备维护的费用，准备对该设备进行下列改造： 用可编程序控制器( p l c ) 替代工控机，因为p l c 比工控机编程简单，维 护更方便。 用国内当前使用的主流人机界面替代原有的人机界面。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 用交流变频器替代直流调速系统。 张力传感器的国产化。 图1 2 是控制系统的示意图，p l c 是控制系统的核心设备，p l c 用模拟量输入 模块检测张力反馈值，用高速计数器测量转速，用模拟量输出模块输出的模拟量 信号作为变频器的给定信号，来控制各电动机的转速和各动力轴之间的张力。p l c 还通过开关量输入、输出模块控制循环水泵、加热器和风机等设备。 l 襻卜 i _ j 隈冲 p l c 1 _ j 曝砷 i _ j 图1 2 控制系统示意图 f i g1 2l a y o u to f c o n t r o ls y s t e m 根据设备对张力的稳定性和精度的要求，采用p i d 控制器控制张力。闭环控制 系统由p i d 控制器、变频器、调速电动机和张力反馈环节组成。 图1 3 覆膜机示意图 f i g1 3l a y o u to f t h ec o a t o r 辊 根据实际张力与给定张力之差，经p i d 运算，求出控制器的输出量，用它作为 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 变频器的输入信号，来改变调速电动机的转速，以保持张力的恒定。图1 3 是简化 的覆膜机示意图。 1 2 论文的主要工作 研究张力控制的基本原理和张力控制的方案，对覆膜机电气控制系统的改 造进行总体方案设计，对设计方案的可行性进行论证。 选择张力变送器、p l c 、变频器等主要设备的型号，设计p l c 和变频器的 外部硬件接线图。经过一年多的努力，与上海英泰科技公司共同开发的张力传感 器已在生产线上试运行。已经用安川交流变频调速和交流电动机成功地替代了直 流调速系统。 设计p l c 的开关量控制程序、模拟量检测程序和张力闭环控制程序，实现 放卷、收卷和中间各段的张力控制。 研究触摸屏在工业控制中的应用，选择触摸屏的型号，根据覆膜机的工艺 特点和工作过程，设计触摸屏的画面。 4 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 2 1 张力控制系统的方案设计 2 1 1 张力控制的基本概斜2 7 】 张力控制在反渗透膜生产中的作用 张力控制广泛应用于纺织、印染、造纸等行业。这些生产线在处理纸张、塑 料薄膜、丝、线、布等长尺寸材料时，必须保证它们在生产过程中具有给定的恒 定的张力。覆膜机控制系统改造的难点在于张力闭环控制和多台电动机联动的同 步控制。 在反渗透膜的生产过程中，为了使膜片稳定，必须保证膜片有适当大小的稳定 的张力。张力太小，传动轴的摩擦力不够，膜片的运行不稳定，将会严重影响膜片 的性能；张力太大，会使膜片皱褶，并且容易拉断膜片。 影响张力恒定的因素1 2 5 【2 6 】 在生产过程中，如果整个生产线的反渗透膜的张力恒定，各处的反渗透膜的线 速度基本上相同。如果相邻两点( 例如电动机驱动的两个相邻的滚筒) 反渗透膜的 线速度差值过大，将使这两点之间的反渗透膜的张力过大或过小。 通过控制各点的线速度相等来间接地控制张力是很困难的，这是因为只能检测 各滚筒的转速，很难直接检测反渗透膜的线速度。因为膜片与滚筒之间会打滑，滚 筒表面的线速度与膜片的线速度有一个差值。由于摩擦力等因素的影响，这一差值 并非定值，很难准确估算。 随着放卷卷径的减小和收卷卷径的不断增大，要控制膜片的线速度不变，就必 须根据卷径的变化改变驱动电动机的转速，而卷径的测量是很困难的。在起动和停 车的动态过程中，保证膜片在各动力轴的瞬时线速度相等更为困难。 2 1 2 张力闭环控制系统【2 7 为了保证反渗透膜的生产过程中各段膜片的张力恒定，最简单有效的方法是采 用张力闭环控制。张力控制装置由3 部分组成( 见图2 1 ) ： 张力检测装置； 控制装置：本系统的控制装置为p l c ，图2 1 虚线框中的部分用p l c 实现。 图中的a d 和d a 分别为模拟量输入模块和模拟量输出模块，p i d 控制器用程序 实现，给定值用触摸屏输入。 执行机构及驱动器：p i d 控制器的数字量输出值被模拟量输出模块转换为 模拟量，作为变频器的转速给定信号，变频器通过电动机调节滚筒的转速。 5 重庆大学硕士学位论文 2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 翟 骨巨旧 囤一 图2 1 张力闭环控制流程图 f i g2 1 t h ef l o w c h a r to f t e n s i o nc l o s e dl o o pc o n t r o l p l c 是系统的控制核心，它接收传感器采集来的速度和张力信号，根据事先给 定的控制指标，按照一定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，完成对张 力和速度的调整。 如果张力反馈值与张力给定值不相等，它们的差值作为p i d 控制器的输入量， 经p i d 运算后，用变频器调节电动机的转速，通过转速来调节张力。 在控制系统中，触摸屏用于速度、张力等参数的设定，还可以实时显示速度、 张力等参数。 要求系统的控制精度高、反应快、稳定性好。操作人员可以在机器的多个部位 进行启动、加速、减速或停止操作。另外控制系统还应实现高速不停机全自动接料 及切料，收、放卷预驱动，安全自动报警及长度测量、显示和控制等功能。 2 1 3 张力控制系统的整体结构 图2 2 是覆膜机张力控制系统的示意图。靠近放卷轴的一号电动机采用编码器 速度闭环反馈，该电动机的转速作为整个生产线的基准转速。中间的牵引电动机 采用张力闭环反馈控制。 在生产线起动和停机过程中，膜片的线速度变化是张力控制最主要的扰动量， 此时如果完全通过闭环来控制张力，很难得到理想的效果。 为了解决这一问题，张力闭环采用前馈控制( 见图2 3 ) ，控制器输出量中的前 馈分量与速度同步信号( 基准转速) 成比例，送给s 7 3 0 0 的p i e ) 系统功能块s f b 4 1 的扰动输入端，张力p i d 控制器的输出作为速度微调信号。这样在基准转速变 化时，各p i d 控制器输出中的前馈分量立即变化，提高了系统的动态响应性能。 各张力传感器的输出信号送给p l c 的模拟量输入模块，张力给定值与张力反 馈值的差值经p i d 运算后，p i d 控制器的输出信号与速度同步信号( 即p i d 控制 器中的扰动信号) 相加，通过模拟量输出模块输出变频器的给定信号，实现张力 闭环控制。 放卷部分用磁粉离合器作张力控制的执行机构，以防止放卷轴转动太快，张力 6 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 过小。收卷部分用调压控制的力矩电动机作张力控制的执行机构。 图2 2 张力控制系统示意图 f i g2 , 2l a y o u to f t e n s i o nc o n t r o ls y s t e m 基准转速 图2 3 张力控制系统中的前馈控制 f i g2 3 f e e d f o r w a r dc o n t r o li nt e n s i o nc l o s e dl o o pc o m r o is y s t e m 2 1 4 放卷控制系统 放卷控制方式 放卷装置按设定的运动方式将一定直径的卷材打开。原来的放卷轴上没有制动 力矩，放卷过程中卷材的转速可能越来越快，使张力过小，因此需要在放卷装置的 转轴上加装制动装置。 放卷的制动方式通常有四种：机械制动、气动制动、电气比例阀控制和磁粉 离合器控制。机械制动的结构比较简单，一般在要求较低的场合使用；气动制动主 要在大卷径纸张制动中使用，在这种场合使用气动制动比磁粉制动要经济得多。电 气比例阀控制根据检测到的张力的大小，自动调节电气比例阀，但是由于压缩空 气不稳定和有一定的压缩量，所以在运行过程中波动较大。磁粉离合器制动利用电 7 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 磁原理对卷材进行制动。 磁粉制动器和离合器是一种性能优越的自动控制元件。它以磁粉为工作介质， 以激磁电流为控制手段，达到控制、制动或传递转矩的目的。其输出转矩与激磁电 流呈现良好的线性关系，而与转速或滑差无关，并且具有响应速度快、结构简单的 优点。复膜机张力控制系统采用磁粉制动器产生放卷时需要的制动力矩。 磁粉离合器的工作原理【刎 磁粉离合器是电磁离合器的一种。它由主动转子、从动转子、固定支撑三部分 组成( 见图2 4 ) 。图中的l 为磁扼，2 为磁通，3 为隔磁环，4 为从动转子，5 为输出 轴，6 为输入轴，7 为主动转子，8 为磁粉，9 为线圈。 圆 图2 4 磁粉离合器外形与示意图 f i g2 4 f o r ma n dl a y o u to f m a g n e t i cp o w d e rc l u t c h 当主动转子旋转，而线圈不通电时，工作间隙和储粉腔中的导磁率高、耐热性 好的不锈钢磁粉在离心力作用下被压附在主动转子内壁上，此时主、从动转子处于 脱离状态，从动转子不转动。当线圈两端加上激磁电流，在磁场作用下，工作缝隙 中的磁粉粒子被磁化，形成了“磁粉链”。当主动转子旋转时，靠磁粉间的电磁力造 成的摩擦力把转矩从主动转子传到从动转子。 磁粉离合器能传递的转矩由磁粉链的剪切强度决定，而剪切强度又随磁场强度 的增加而增大，直到磁饱和为止。当激磁电流足够大时，从动转子与主动转子同步 旋转，当激磁电流在一定范围内减小时，从动转子与主动转子不同步，呈滑差运行。 磁粉离合器有下列特点： 1 ) 磁粉类器件传递的转矩如图2 5 所示，在额定转矩的5 9 5 内，激磁电流 与转矩大致成线性关系。 重庆大学硕士学位论文 2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 2 1 稳定的滑差转矩。当激磁电流保持不变时，转矩将会稳定的传递，不受转 速或滑差的影响( 见图2 5 ) ，静止转矩和转动转矩相同。只需控制其激磁电流， 便能控制输出转矩，达到恒张力的要求。 1 0 0 80 琶6 0 嵌 磐4 0 2 0 0 | | 1 蓦圣 2 04 06 08 01 0 0 2 04 06 08 01 0 0 激磁电流( a )转速( r p m ) 图2 5 磁粉离合器特性 f i g2 5 c h a r a c t e r i s t i co f m a g n e t i cp o w d e rc l u t c h 3 ) 响应速度快。磁粉离合器或制动器的响应时间、转矩上升时间和转矩下降 时间都极短，因此可以用于频繁启停或换向的场合。 4 ) 功率放大倍数高，控制功率小。可以用很小的激磁电流控制很大的传递功 率，易于实现自动控制。 5 ) 运转平稳，无振动、无冲击、低噪音。 6 ) 在转矩超载时，自动滑差运行，起到了过载保护的作用。 磁粉离合器放卷控制系统的结构 。 张力闭环控制系统如图2 6 所示。人机界面提供张力给定信号，用张力传感器 检测张力，经过张力放大器送到以p l c 为核心的控制器，p l c 输出张力控制信号， 稳流电源调节磁粉制动器的激磁电流，对放卷轴施加固定的制动力矩。 磁粉离合器 图2 6 磁粉离合器放卷控制系统 f i g2 6u n w i n d i n gc o n u o ls y s t e mw h i rm a g n e t i cp o w d e rc l u t c h 9 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 2 1 5 收卷控制系统 2 9 】 力矩电动机属于三相异步电动机，结构与普通异步电动机基本上相同，维护保 养简单方便。与普通异步电动机的主要区别在于其转子具有较大的阻抗，堵转电流 小。功率较大时采用强制通风冷却方式，能长期运转在低速范围内，甚至可以处于 堵转状态。力矩电动机用途很广，主要用于卷绕。在金属材料、纤维、造纸、塑料、 橡胶及电线电缆加工过程中，卷绕是最后一道工序，也是最重要的一道工序。随着 产品的卷绕，卷筒的直径逐渐增大，在这个过程中要求保持均匀的张力。张力太大 会造成产品厚簿不均，或被加工材料的直径不均匀，甚至拉断；而张力过小将使卷 绕的产品松弛。卷绕时张力变化的最大原因是由于卷盘的盘径逐渐增大，卷绕力矩 随卷径增大而增加，在生产线中主传动轴的速度固定不变时，应使卷盘转速随卷径 的增加而降低。 在卷取过程中要求被卷取材料以恒张力、恒线速度运动，则功率 p = p v ：常数 或pfmn=常数 式中p 为功率，为张力，为线速度，m 为力矩，以为转速，因此卷取负荷的理 想机械特性( m - n 曲线) 应为一双曲线。 由于转子电阻大，力矩电动机的机械特性很软，较小的负载变化就能引起电动 机转速有较大的变化。最大转矩m 。在堵转点处( 见图2 7 ) ，可以从接近同步转速 一直到接近堵转都能稳定运转。 在图2 7 的阴影区域内，力矩电动机的机械特性与理想的卷取负荷特性比较接 近，具有良好的匹配关系，力矩电动机的机械特性基本上能满足卷绕负载的要求。 o珈 转速n 图2 7 力矩电动机特性曲线 f i 蜉7 c h a r a c t e r i s t i cc l l x v eo f t o r q u em o t o r 1 0 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 如果卷径比较大，用调压装置调节电动机的输入电压，就可以增、减它的输出 力矩。对于三相平衡调压，力矩基本上与电压的平方成正比。 力矩电动机用于卷绕有下列优点： 电动机性能与卷绕特性能协调匹配，能代替复杂的张力自动调节系统，成 本较低。 张力调节方便，一次调节后可以正确地重复； 电动机结构简单可靠，控制电路简单，调整维护简便； 由于工艺的要求，每一卷产品的前1 0 0 多公尺为导引段，要求卷得越紧越好， 力矩电动机的输入电压应较高，以获得较大的卷取张力。导引段之后应保持较低 的适当的卷取张力。经实验得到在保证适当的卷取张力的前提下，力矩电动机的 定子电压与卷绕的膜片长度之间的对应关系( 见表2 1 ) 。 表2 1 电压与膜片长度的关系 t a b l e2 1 r e l a t i o n s h i pb e 伯r e e nv o l t a g ea n dm e m b r a n el e n g t h l 运行长度( m ) 1 0 0 0 l 定子电压( 、，) 2 0 01 9 01 8 51 8 01 7 51 7 01 6 51 6 01 5 51 5 0 可以用旋转编码器和高速计数器来测量长度信号，根据长度信号，用p l c 的 开关量输出信号来切换调压器的抽头，从而改变调压器的电压，通过力矩电动机 调节卷取的张力。 2 1 6 张力传感器 张力传感器与机械紧密地结合在一起，检测装置中没有移动部件。通常是两个 张力传感器配对使用，将它们安装在检测导辊两侧的端轴上，料带通过检测导辊施 加负载，使张力传感器中的敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并 将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器，最终实现张力闭环控制。张力传 感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位移张力传感器、应变电阻片张力传感器 和压磁式张力传感器。 根据设备的特点，我们选择超薄式张力传感器，它采用防尘防腐蚀设计，内置 轴承，可配合隋轮辊安装或者活轮辊安装，具有输出信号线性好和响应快的特点。 图2 8 中给出了张力传感器工作压力的计算公式，公式中的变量如下： m w f ：最大工作压力( n ) ； t ：最大张力( n ) ； k ：瞬时张力过载系数( 通常取1 4 2 ) ； a ：包角( 度) ； 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 w ：悬臂辊重量( n ) ； b 角如果在水平线下，公式中使用加号，如果在水平线上，使用减号。 m w f = t x k x s l n ( a 2 ) 6 v 2 xs h ( b ) + 图2 8 张力传感器与工作压力计算 f i 9 2 8 t e n s i o n $ e q l i s o ra n dc a l c u l a t i n gf o ro p e r a t i o np r e s s u r e 2 1 7 旋转编码器 旋转编码器的分类 旋转编码器是一种采用光电等方法将轴的机械转角转换成数字信号输出的精 密传感器，已经形成增量式编码器和绝对式编码器两大系列。 光电增量式旋转编码器的工作原理如下：随转轴一起转动的脉冲码盘上有均匀 刻制的光栅，即在码盘上均匀地分布着若干个透光区段和遮光区段。这两种区段分 得越密，则分辨率越高。利用由光电发射管、光电接收管组成的光电耦合器将转轴 转过的角度转换为相应的电气脉冲信号输出。增量式旋转编码器的价格便宜、信号 线少，使用方便。 i ) 单通道增量式旋转编码器 单通道增量式编码器内部只有i 对光电耦合器，只能产生1 个脉冲序列； 2 ) 双通道增量式旋转编码器 双通道增量式编码器又称为两相( a 、b 相) 型编码器，内部有2 对光电耦合 器，能输出相位差为9 0 。的2 组独立脉冲序列；a 、b 相型编码器可以识别出旋转 的方向。需要增加测量的精度时，可以采用4 倍频方式，即将a 、b 相波形的上升 沿和下降沿分别微分，得到4 倍的输出脉冲，分辨率可以提高4 倍。 3 ) 三通道增量式旋转编码器 内部除了有双通道增量式编码器的2 对光电耦合器外，在脉冲码盘的第2 道有 1 个通光段，每转l 圈，输出1 个脉冲，该脉冲称为z 相的零位脉冲，用做系统清 零信号，或坐标的原点，以减少测量的积累误差。 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 增量式编码器常用于检测旋转轴的转速，如果轴是单向运行的，可以选用单通 道编码器。如果轴是双向运行的，可以选用双通道或三通道编码器。 旋转编码器的选型与接线 复膜机要求测量作为转速基准的电动机的转速和产品的长度。因为不能直接测 量产品的长度，用测量单位时间内电动机转轴旋转角度的方法来间接测量转速。由 于对测量的精度要求不高，可以忽略转轴与产品之间的打滑引起的相对误差。 c p u3 1 3 c 有3 个可以计数和测量频率的通道，集成了很强的计数和频率测量 功能，最高计数频率3 0 k h z ，可以对a b 相型2 4 v 增量式编码器产生的脉冲计数， 编码器的电缆必须屏蔽。 选择1 0 0 0 线的三通道增量式旋转编码器，a 、b 相输出脉冲用于测量转角和转 动的方向，z 相脉冲用于测量产品的长度。 编码器安装在电动机轴上，变频器输出频率为5 0 h z 时，4 极电动机的转子频 率约为2 5h z ，编码器输出脉冲的频率约为2 5k h z 。 频率测量的积分时间( 即采样周期) 为l o o m s ，最大频率为3 0 k h z 时，绝对误 差为5 h z ，相对误差为1 6 0 0 0 t 引，可以满足系统的要求。 图2 9 是c p u 模块与编码器的接线图，x 2 是c p u3 1 3 c 的2 号前连接器。c h 0 ( 0 号通道) 用于计数，c h l 用于测量电动机的转速。 c p u 3 1 3 cx 2 a2 z 编码器 c h d 3 b _ _ 一 a5a c h l 6 bb 1+ 2 4 v l 2 0o v 1 m 图2 9 编码器接线图 f i g2 9w i r i n gd i a g r a mf o re n c o d e r 2 1 8 变频器选型与接线 目前市场上低压通用变频器品牌很多，选用变频器时并非档次越高越好，其实 只要根据负载的特性，满足使用要求就可以了，以便做到物尽其用、经济实惠。在 选型前，首先要根据机械对最高转速和转矩( 起动转矩、连续及过载转矩) 的要求， 用下式计算机械要求的最大输入功率： p = n t 9 9 5 0 ( k m 1 3 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 式中p - 一机械要求的输入功率( k 、聊，卜一机械的转速( 转分) ，z l 机械的负载转矩 ( n m ) 。根据机械的最高转速和减速比选择电动机的极对数。 然后，根据生产的实际要求，确定控制方式、反馈装置、速比、起动转矩、静 态速度精度、控制响应等参数。反渗透膜生产线所用的电动机负载较小，但是要求 响应的速度快，精度高，所以我们选择安川的v s 6 0 6 v 7 型变频器。 安川v s 6 0 6 v 7 变频器是最早的电流型矢量控制变频器之一，其调速范围达到 1 ：1 0 0 0 ，控制精度达到o 0 2 ，零速启动力矩可以达到1 5 0 额定值【2 3 1 。 图2 1 0 是安川v s - 6 0 6 v 7 变频器在反渗透膜生产线的接线图。 下面是变频器部分参数的设置： 运行模式：n 0 0 2 = 0 ，、佰控制模式。 运行方式：n 0 0 3 = l ；用控制回路端子控制运行和停止。 频率指令：n 0 0 4 = 2 ；控制端子电压指令( o 1 0 v ) 有效。 其它设置：最高频率、加速时间和减速时间根据实际情况设置。 p l c 开关量，控制起动 与停止正转与反转 p l c 模拟 量给定 图2 1 0 变频器接线图 f i g2 1 0w i r i n gd i a g r a mo f i n v e r t e r 2 2 p l c 选型与i o 地址分配 2 2 1p l c 的硬件选型7 】【8 】 复膜机控制系统需要对多个模拟量进行闭环控制，对p l c 的运算速度、指令 功能和可靠性的要求较高，为此选用性能价格比很高的西门子s 7 3 0 0 系列p l c 。 s 7 3 0 0 提供了功能强大的p i d 控制系统功能块，通过简单的编程，用户能方便地 实现p i d 闭环控制。 在选择p l c 的硬件型号时，首先应确定所需的p l c 数字量输入、数字量输出， 模拟量输入和模拟量输出的点数，并留有一定的裕量。本系统需要8 1 点数字量输 入，3 1 点数字量输出、6 点模拟量输入和6 点模拟量输出。 s 7 3 0 0 有多种型号的c p u 模块可供选择，各种c p u 的性能和价格相差很大。 在选型的初期，选择型号为c p u3 1 5 2 d p 的c p u 模块，此外还需要3 块3 2 1 4 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 点的数字量输入模块、2 块1 6 点的数字量输出模块、1 块8 通道的模拟量输入模块 和2 块4 通道的模拟量输出模块。为了检测电动机的转速，还需要1 块高速计数器 模块和自制的硬件测速电路。 后来发现c p u3 1 3 c 是一款性能价格比相当高的c p u ，它除了比c p u3 1 5 的 价格便宜得多外，最大特点是集成有较多的i o 点，包括2 4 点开关量输入、1 6 点 开关量输出、4 点模拟量输入、l 点温度输入和2 点模拟量输出。选用c p u3 1 3 c 后，另外只需要增添2 块3 2 点的数字量输入模块、l 块1 6 点的数字量输出模块、 1 块8 点的数字量继电器输出模块、1 块模拟量i o 模块( 4 点模拟量输入和4 点模 拟量输出) 。因为c p u3 1 3 c 集成有高速计数器和频率检测功能，省去了高速输入 模块。与选用c p u3 1 5 的方案相比，可以节约1 万多元。 表2 2 给出了p l c 选型的具体情况，c p u3 1 3 c 必须配置m m c 存储器卡才能 工作，前连接器是i o 点的接线端子板1 6 。 表2 2p l c 硬件型号 t a b l e 2 2t y p eo f p l ch a r d w a r e 订货号 名称特性 6 e s 73 1 3 5 b e 0 1 - 0 a b oc p u3 1 3 c2 4 d i ，1 6 d o ，4 a f 2 a o1 块 6 e s 79 5 3 - 8 u l1 - 0 a a 0 存储器卡5 1 2 k m m c1 块 6 e s 73 0 7 - l k a 0 0 - 0 a a 0 电源模块 p s 3 0 71 0 a1 块 6 e s 73 3 4 7 h g 0 0 - o a b 0 模拟量i o 模块 4 山4 氏o1 块 6 e s 73 9 2 一l a m 0 0 - 0 a a 0 4 0 针前连接器4 个 6 e s 73 9 2 i a j 0 0 - 0 a a 0 2 0 针前连接器3 个 6 e s 73 9 0 1 a e 8 0 - 0 a a o 导轨 4 8 2 m m 1 块 6 e s 79 7 2 0 c b 2 0 加d ( a o u s b 瓜但i 适配器编程接口1 个 6 e s 73 2 l l b l 0 0 - 0 a a 0 3 2 点数字量输入模块2 块 6 e s 73 3 2 一l f h 0 0 - 0 a a 0 1 6 点数字量输出模块 1 块 6 e s 73 3 2 一l f h l - o aa 0 8 点继电器型输出模块1 块 s 7 3 0 0 的编程口为使用m p i ( 多点接口) 通信协议的r s - 4 8 5 接口，考虑到现 在的笔记本电脑基本上没有r s 2 3 2 c 接口，选用了编程用的u s b m p i 适配器，用 它来连接p l c 的编程口和笔记本电脑的u s b 接口。 2 2 2f o 地址分配【1 0 】 i o 地址分配见表2 3 表2 9 。 重庆大学硕士学位论文2 张力控制系统的方案设计与硬件组态 表2 3 c p u3 1 3 c i o 地址分配表( 1 ) t a b l e 2 3i oa d d r e s sa s s i g nt a b l eo f c p u3 1 3 c ( 1 ) 名称地址作用名称地址 作用 m w l l蝌7 5 2张力放大器1 输出 q a 8 1 1 2 6 1 一号烘箱加热器热保护 m w l 2a r w 7 5 4张力放大器2 输出s b 31 1 2 6 2 二号烘箱加热器起停 m w b煳7 5 6张力放大器3 输出 q a 9 n 2 6 3 二号烘箱加热器热保护 m w l 4a i w 7 5 8 张力放大器4 输出 s b 41 1 2 6 4 t m c 加热起动停止 b p 6 a q w 7 5 2一号传动变频器给定q a l o1 1 2 6 5t m c 加热器热保护 b p 7 a q w 7 5 4二号传动变频器给定 s b 51 1 2 6 6 g 加热器起动停止 s b 21 1 2 6 0 一号烘箱加热器起停 q a l l 1 1 2 6 7 g 加热器热保护 表2 4c p u3 1 3 ci o 地址分配表( 2 ) t a b l e 2 4i oa d d r e s sa s s i g nt a b l eo f c p u3 1 3 c ( 2 ) 名称 地址 作用名称地址作用 b m l1 1 2 4 0 编码器信号a k a 5 q 1 2 4 4 一号传动电动机继电器 b m l1 1 2 4 1 编码器信号b k a 6 q 1 2 4 5 一号传动电动机继电器 b m l1 1 2 4 3 编码器信号z k a 7 q 1 2 4 6 二号传动电动机继电器 s b 61 1 2 5 o 一号水箱加热器起停1 k a 8 q 1 2 4 7 二号传动电动机继电器 q a l 2 1 1 2 5 1 一号水箱加热器热保护 k a 9 q