薄胶鼓冷却装置的论文（使用机械机电类）.doc

东北大学专 科 毕 业 设 计 （论 文）薄胶片鼓冷却装置的设计题 目 _盛忠起指导教师_辅导教师_刘江涛学生姓名_学生学号_1机电一体化黄金学院_院（部）_专业_班2013720_年 _月 _日摘 要文章选择薄胶片鼓冷却装置的设计作为本课题探讨的核心，在结合研究背景与综述的基础上，对其装置的工艺流程与常用设备架式垂直回转型薄胶片鼓冷却装置进行了分析，确定了总体方案结合客户的技术要求，选用高架式垂直回转型薄胶片鼓冷却装置，确定了总体方案，并按工艺流程对其主要装置进行一一阐述。为了提高整机的自动化程度，在机械整体方案进行了细致的分析，对其结构和工作过程作了一定的说明。并对薄胶片鼓冷却装置中挂胶装置的速度同步控制进行了研究，采用高精度检测装置编码器，设计了基于PLC的PID控制器来实现接取提升装置和挂胶装置工作节拍的一致。该控制理论和设计方法应用在薄胶片鼓冷却装置中，不仅能够满足更多客户对速度的要求，提高了设备的自动化水平，而且对同类设备的发展具有一定的参考价值。关键词：胶片鼓；冷却；装置；工艺目 录1绪论11.1研究背景与综述11.1.1水浸泡式冷却11.1.2喷淋式冷却11.1.3 风冷却式冷却21.1.4 鼓式冷却21.2本设计的内容研究22薄胶片鼓冷却装置的设计方案32.1薄胶片鼓冷却装置装置的驱动原理及其示意图32.1.1薄胶片鼓冷却装置32.1.2 悬挂式薄胶片鼓冷却装置42.1.3薄胶片鼓冷却装置的示意图52.2 薄胶片鼓冷却装置总体方案设计62.3薄胶片鼓冷却装置的齿轮计算参考公式73薄胶片鼓冷却装置的控制113.1 控制的基本方法113.2 总体设计113.3 薄胶片鼓冷却装置检测系统的实现123.3.1 PLC高速脉冲输出功能123.3.2 光电编码器抖动干扰处理和测量精度的提高173.3.2.1 光电编码器及其输出信号和位移检测原理173.4 PID 控制器在薄胶片鼓冷却装置中的应用203.4.1 控制算法213.4.2 控制器的调节原理223.4.3 控制算法在PLC上的实现25参考文献291.绪论1.1研究背景与综述随着国民经济的发展，塑料橡胶制品的需求量越来越大，并且广泛应用于国民经济各部门且与人民生活息息相关的橡胶制品也数不胜数。在这塑料橡胶工业中，无论是通过开炼机、锥形双螺杆辊筒机头挤出机制成片状的混炼胶，还是通过压延机、挤出机片状机头成型的半成品片材，都离不开胶片冷却装置。冷却装置的主要目的：一是进行应力松弛，减少内应力作用和胶片收缩率；二是增加胶片的挺性、便于储存供下到工序使用。胶片冷却装置可分为以下几种基本形式：水槽式浸泡冷却、喷淋式冷却、风冷式冷却和鼓式冷却。1.1.1水浸泡式冷却水浸泡式冷却是将胶片通过水槽进行冷却。该冷却装置的特点是结构简单，冷却后的胶片表面含水，需要吹干作业，适用于中小企业。1.1.2 喷淋式冷却喷淋式冷却是将水喷洒到胶片表面进行冷却，如图1-1所示。该冷却装置的特点是冷却效果好，冷却后的胶片表面也含水，需要吹干作业。夹持输送带将胶片送往喷淋输送带上，在喷淋输送带上往返四次，然后落入水槽中进一步冷却。图1-1 喷淋式胶片冷却装置1.1.3 风冷却式冷却风冷却式冷却是将胶片通过通过吹风进行冷却，如所示。风冷却有悬挂式和输送带式两种。风冷却式的特点结构简单、使用维护方便、冷却效果好，并且冷却后的胶片表面不含水，无需风吹干装置。图1-2 悬挂式胶片冷却装置悬挂式冷却装置的结构有多种形式，根据挂胶运输链的布置形式分有两种类型:垂直回转型和水平回转型。目前多数使用垂直回转型，垂直回转型的特点是设备宽度较小，但长度较长。夹持输送带将胶片送往挂胶冷却装置，胶片在其内由环形输送链被彼此间隔、迂回折垂、悬挂在系列挂赶上。挂胶的间隔距离，若大间距则为200mm左右，若小间距则为100mm左右，小间距挂胶可增加挂片容量。挂胶冷却输送装置的一侧设有若干个轴流鼓风机，对着悬挂的胶片吹风冷却。1.1.4 鼓式冷却鼓式冷却是把胶片包裹在几个速度相同的转动的辊筒表面，通过辊筒内冷却通道的介质将热量带走的冷却方式。该冷却方式的特点是冷却后的胶片表面不含水，适用于厚度较薄的胶片。1.2 本设计的内容研究设计一个三鼓式薄胶片冷却装置。包括：设计方案确定；有关力学、运动学计算；总装配图和零部件图绘制；设计说明书撰写等。2.薄胶片鼓冷却装置的设计方案2.1 薄胶片鼓冷却装置装置的驱动原理及其示意图薄胶片鼓冷却装置的用途是将塑炼胶及混炼胶经压片机(开炼机或螺杆挤出压片机)压出的胶片进行涂隔离剂、冷却和切割(或折叠)叠片存放，以供下道工序使用。薄胶片鼓冷却装置的完善与否影响到炼胶工段的劳动强度，且其结构受车间工艺条件的影响。控制方案选择过程中，要充分考虑到用户的需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又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、可靠性高且易于操纵的智能化设备。在设计控制系统之前，首先了解设备的组成及其生产工艺。目前，国内外有多种结构形式的胶片冷却装置，择其主要介绍如下。2.1.1薄胶片鼓冷却装置1.结构简介简易式薄胶片鼓冷却装置主要由隔离剂水槽、电热切刀和递棍挂胶装置组成。在隔离剂水槽和安装切刀的机架上装有宽为650mm的橡胶输送带，输送带的速度根据压片机的前辊速度来决定。调节无级变速器可改变输送带速度的快慢。从压片机出来的薄胶片鼓连续通过隔离剂水槽，涂上隔离剂后进入切割装置，由切刀在输送带上按一定长度切断，切断后的胶片由输送带继续往前输送，至输送带端头时下垂，挂于递棍挂胶装置的小棍上。操作人员将挂上胶片的棍子依次推移到挂胶小车上，直到一车料挂完为止。而后，把挂片小车推至鼓风机附近进行吹干冷却。这种薄胶片鼓冷却装置结构简单，价格低廉，适用于胶种多变，用胶量不大的中小型工厂2.主要零部件结构（1）隔离剂水槽和切断装置隔离剂水槽由普通钢板焊接制成，槽内可设有喷吹压缩空气的管子，在采用滑石粉及陶土等水浊液作为隔离剂时作搅拌用。在采用油酸钠液等作为隔离剂时，则可不装此压缩空气喷吹管子。利用螺杆可上下调整压在水槽中上层输送带上的槽辊的位置。槽辊表面开有沟槽，以防胶片从槽辊和橡胶输送带之间通过时打滑。槽辊后面设有弧形挡板，用于防止胶片从槽辊导出后翘起来包卷在槽辊上而影响操作。切刀用于将胶片按一定长度切断。当切刀转到下面时，由于胶片及输送带下方的托辊和弹簧的支承将胶片切断。切刀可用 45 号钢制造，刃部热处理，硬度HRC4045，刀宽 620mm。切刀装有电热装置。切刀轴上设有凸轮和限位开关，用于控制递辊挂片装置的动作。凸轮的位置可用元宝螺母调整。（2）递辊挂片装置设于机架上的贮棍箱由倾斜底板和挡棍架组成。贮棍箱两侧分别装有按一定间距设有挂钩的挂胶棍链条。当薄胶片鼓从切断装置输送带端头下垂到一定程度时，挂棍链条即启动运行，将挂胶棍提升并运到一定高度时，胶片即挂于棍上，再用人工推移到挂胶小车上。2.1.2 悬挂式薄胶片鼓冷却装置 悬挂式薄胶片鼓冷却装置具有结构简单，使用维护方便，冷却效果好和机械化程度高等特点，适宜于和大型密炼机配套使用。 1.结构简介 悬挂式薄胶片鼓冷却装置的结构有多种形式，其主要区别在于胶片冷却方式、胶片挂架结构形式以及胶片冷却后的处理方式。目前，根据挂胶运输链的布置形式分有两种类型:垂直回转型和水平回转型。但目前多数使用垂直回转型。垂直回转型的特点是设备宽度较小，但长度较长，多数挂胶辊处于空载状态，其利用率约为,且宜用于单一胃.种胶料连续生产。水平回转型的设备宽度较大，长度较短，适用于胶料.胃.种多变的场合，挂胶辊利用率达80%以上。 垂直回转型有高架式和普通式两种，高架式薄胶片鼓冷却装置将胶片冷却挂架架离地面，下方留出空间，可方便车间内的交通，但高度增大。普通式胶片冷却装置的胶片冷却挂架就地安装，安装使用较方便，高度也较小。 2.主要零部件结构 (1)涂隔离剂装置 胶片涂隔离剂有两种方法:浸泡法和喷淋法。浸泡法用隔离剂水槽，喷淋法用几根钻有喷淋小孔的管子。浸泡法所用的隔离剂水槽通常用钢板焊接接承，设有接取输送带，用以将胶片引入水槽内，由直流电机经蜗轮减速器及链条传动。在接取输送带上而有一气动压辊，用以将胶片接头压紧。工作时，水槽内存放油酸钠隔离剂或其他隔离剂，用以浸泡胶片，使胶片冷却；涂上隔离剂。油酸钠液可循环使用。在接取输送带将胶片送入水槽之前的部分，在胶片两而装有喷淋隔离剂的管子，将胶片先喷上一层隔离剂，防止胶片浸入隔离剂水槽前接触粘在一起。胶片在引出水槽后进入夹持提升输送带前，胶片两侧设有压缩空气喷管，用于将胶片上的水分吹掉。在靠近夹持提升输送带处，在水槽的上部设有安全装置，当水槽中没有胶片时，控制夹持提升输送带停车。 （2）挂胶冷却输送装置 这是冷却胶片的主要工作部分，主要由挂胶环形输送链、机架和鼓风机等组成。机架由型钢焊接而成，轴流鼓风机设置在机架的一侧，对着,挂的胶片吹风冷却。 输送链上的挂胶杆的间距目前有两种，一种是大间距，为200-220mm,另一种是小间距，为100-120mm，在同样设备长度条件下，小间距挂杆可增加挂片容量，增加冷却时间，提高胶片冷却程度。 （3）切断摆胶叠片装置 其结构形式众多，但功能一样，完成胶片冷却后的切断(或不切断)摆胶叠放。2.1.3薄胶片鼓冷却装置的示意图 设备的研制包括功能方案确定、机械结构设计、电气原理设计和软件编程四个方面内容。 本课题中如皋轮胎厂提出的主要技术规格如下: 用途:本装置用于对挤出机排下的（1200mm宽、2mm厚）薄胶片进行冷却、叠放等功能。由于薄胶片鼓冷却装置生产线占地面积较大，同时控制任务比较复杂，可以将整个设备分为接取输送装置、打印装置、接头压合装置、隔离剂冷却装置、夹持提升装置、机械手自动抓胶装置、挂胶冷却输送装置、胶片纵裁装置、摆片叠片装置和称量打印装置。本设计机械结构具有客户要求的所有功能装置。跟常用设备的机械结构相比较而言，核心部分主要是设计了一个复合式机械手，大大提高了设备的自动化程度。薄胶片由右方进入冷却装置，后经过皮带传送与三个鼓分别面面结合，在电机带动下进行双面冷却从而提高冷却效率2.2 薄胶片鼓冷却装置总体方案设计 一.胶片进入1接胶装置: (1)传送装置装有能够传送750mm宽胶片的宽1000mm皮带，传带装置必须能承受12 Kg/m的负荷。 (2) 传送装置装有滑动滚轮，支承上的每一点上能承受125Kg力。2浸胶槽:不锈钢浸胶槽用于涂隔离剂。 （1)不锈钢储存槽位于浸胶槽下方，用于储存隔离剂。 （2)提供两个水泵(一备一用)调节两槽之间的液位。 (3)用不锈钢制成的传送网带。(4)链条带动网带传送。(5)变频调速电机(调速器安装在操作位置)能自动调整输送速度。(6)电机含变频器。二.风冷输送装置（1)装置由挂胶杆和强制风冷部分组成。（2)挂胶杆为标准结构并且传递灵活。（3)链条驱动由步进汽缸完成。（4)胶片必须在拐角顶部进入挂胶，以保证以拐角半径最大打开。（5)摆胶杆用不锈钢制成，每个杆上含四个防滑钉。（6)一个倾斜杆或其他合适的装置用于倾倒挂胶底部的隔离剂。（7)提供足够的风扇用于冷却和干燥，二个风扇安装在前段顶部，其余装在侧面。（8)倾斜空气偏转，其中一个安装有门，允许进入风冷通道(在风扇的相反侧可见)。（9)光栅传感器感应薄胶片鼓到达风冷通道的末端。三.自动抓胶装置1.自动抓胶装置将薄胶片鼓从挂胶末端提升到第一层摆胶系统。2.装置能感应到胶料的末端位置，抓取后输送到传送带上。如果第一次抓取失败，可以尝试第二次，如果再次失败，需提醒操作者，并在堵塞前停止挂胶移动。四.摆胶输送装置1.提供2层传送带。（1)一层输送薄胶片鼓到第一层次摆胶装置(最终成品)。（2)二层输送薄胶片鼓到另一位于密炼机操作区的摆胶装置(不是最终产品)。2.传送带装有自动裁断装置，切刀位于摆胶前。3.传送带倾斜角度不超过250。4.提供一个普通变频电机用于驱动胶片脱离传送带输送到摆胶装置上。五.摆胶装置1.提供两个电机用于摆胶。变频控制。2.两摆胶装置均配置有拍胶装置与自动升降平台。2.3薄胶片鼓冷却装置的齿轮计算参考公式3.薄胶片鼓冷却装置的控制 3.1 控制的基本方法 自动化生产线运行的动力和速度都是由各个驱动装置提供的。因此，对各条输送链速度的控制实际上是对相应驱动装置转速的控制。这样，很多电机的调速方法都可以用来实现速度同步的功能。以下是几种较为常见的同步控制方法。 (1)全反馈PC机控制同步:这种方法是在驱动装置电机或其它输出动力的转动部位装设光电脉冲编码器进行测速，将信号输入PC机，再由PC机将变频信号反馈给每个驱动装置的变频器，从而控制各电动机同步运行。这种方法是通过PC机反馈变频，成为一个封闭随机的自控环路，因而响应速度快、准确度高。其主要缺点是对生产线运行的均衡性要求较严，台则同步状态将因各种原因产生的短暂停机而崩溃。例如生产操作中的工艺性急停，事故停电等。一旦发生这种情况，控制系统的恢复必须由专业人员才能完成。(2)定向反馈改变励磁电流控制同步:这种方法采用笼型异步电动机、转差离合器、测速发电机和控制器组成电磁调速电动机，依靠测速发电机和控制器来改变转差离合器的励磁电流，从而调整调速电机的转矩和转速，使调速电动机获得所需要的机械特性。(3)PLC指令+变频器控制同步:这种方法是对每台需要进行同步控制的驱动装置使用变频器；在生产线特定位置安装必要的检测装置。生产线运行时，PLC根据当前各条输送链的状态输出相应指令控制变频器加速或减速，从而实现各驱动装置的同步运转。这种控制方式可根据情况选择有级变速或无级变速的电机调速形式，虽然在相应速度和准确度方而比全反馈PC控制稍差，但其灵活性较强，便于调整，且不受生产线运行均衡性的影响，控制相对可靠，因而在自动化生产线中的应用相当广泛。对于以上3种速度同步控制的方法，需根据其适用性和现场的设备条件加以选择。本文下面便是以应用最广泛的第3种方法为基础，研究挂胶装置与接取提刀装置实现速度同步控制的方法。3.2 总体设计下图示出了此思想的系统控制原理框图。提升电机变频器1PLC变频器2挂胶电机编码器1编码器2图3-1 同步控制控制原理框图Fig.3-1 Block diagram of synchronization control由图可知，将原有设备的挂胶步进汽缸换成三相交流异步电机，变频器2。系统以PLC为控制核心单元。增加检测装置编码器1(安装在提升电机内)，编码器2(安装在挂胶电机内)，通过光电编码器分别采样两个电机转速信号，送到PLC的高速计数口。以这两个速度信号数据为输入量，进行PID控制，运算结果作为输出信号送PLC的D/A模块转换，以控制电机的变频器。这样，保证挂胶电机速度跟踪提升电机速度按比例变化而发生变化，使两个速度保持比例同步，达到控制的目的。相较前一章开环系统而言，该转速闭环调速系统响应速度快，准确性高。3.3 薄胶片鼓冷却装置检测系统的实现 测速装置中将光电编码器安装在三相交流电动机非负载轴端。光电编码器的高速数字脉冲输出与可编程控制器PLC的高速接口相连，通过高速计数器来记录光电编码器的脉冲。由于光电编码器有一两路输出且相位相差900，因此我们可以利用两路信号的超前和滞后关系来判别编码器的正反转，从而来消除由于编码器振动引起的输出误差。同时利用PLC的高速计数器的4倍频正交计数模式，通过软件编程实现将编码器输出信号进行4倍频，从而提高测量精度和分辨率。 目前许多文献都介绍了采用硬件电路单片机的方法来实现这一电机测速法。但是本方案中运用PLC可编程控制器来进行控制，如何在PLC上实现这一方法就显得尤其重要。3.3.1 PLC高速脉冲输出功能 这一功能具有广泛的应用价值，本课题利用已实现速度同步跟踪功能。西门子S7-300PLC每个CPU都集成有一两个PWM/PTO发生器，分别分配在数字输出口Q0.0和Q0.1，用以产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的方波。其最大输出脉冲频率为20kHz。 需要注意的是，PTO/PWM发生器和映象寄存器共同使用Q0.0和Q0.1输出口。当Q0.0和Q0.1设定为PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器控制输出，在输出点禁止使用通用功能。映象寄存器的状态输出、强制或立即输出指令的执行不影响输出波形。当不使用PTO/PWM发生器时，输出由映象寄存器控制。映象寄存器决定输出波形的初始和结束状态，以高电平或低电平产生波形的起始和结束。因此，建议在允许PTO或PWM功能操作前把Q0.0和Q0.1的映象寄存器设定为0。一.脉冲串(PTO)功能 脉冲串(PTO)功能提供指定脉冲个数的方波(50%占空比)输出，用户控制周期和脉冲数。周期可以用微秒或毫秒为单位指定。周期的范围是50到65535s或2到65535ms。如果设定的周期是奇数，会引起占空比的一些失真。输出脉冲的范围是:1到4294967295。如果周期时间少于2个时间单位，系统自动把周期缺省地设置为1个脉冲。同时，状态字节中的PTO空闲为(SM66.7或SM76.7用来指示可编程脉冲串完成。另外，根据脉冲串的完成调用中断程序。如果使用多段操作则根据包络表的完成调用中断程序。PTO功能的另一个优点是允许脉冲串的排队机制。当激活的脉冲串完成时，立即开始新脉冲的输出，这就保证了顺序输出脉冲串的连续性。此功能有两种基本应用，即单段管线和多段管线。图3-3给出了利用单段管线功能来产生占空比为50%的高频方波输出的实例。图3-2 PTO功能单段管线输出波形示例二.脉冲宽度调制(PWM)功能脉冲宽度调制(PWM)功能提供连续、占空比可调的脉冲输出，用户控制周期和脉冲宽度。周期和脉宽的增量单位为微秒或毫秒。周期变化范围分别为50-65535微秒或2-65535毫秒。脉宽边话范围分别为0-65535微秒或0-65535毫秒。当脉冲宽度大于等于周期时，占空比为100%，即输出连续接通。当脉宽为0时，占空比为0%，即输出断开。如果周期小于2个时间单位，那么周期时间被缺省地设定为2个时间单位。图3-32给出了这一功能的输出波形实例。图3-3 PWM功能输出波形需要注意的是，使用此功能时有两个方法可改变PWM波形的特性:同步更新和异步史新。同步史新是指如果不需要改变时间基准，就可以进行同步史新。利用同步更新，波形特性的变化发生在周期边沿，提供平滑转换。异步更新是指在不使用PWM的典型操作(当周期时间保持常数时通过变化脉冲宽度来调节占空比)，而需要改变PTO/PWM发生器的时间基准时就需要使用异步更新。异步更新会造成PTO/PWM功能别瞬时禁止，使输出波形和PWM波形不同步，从而引起被控设备的振动。因此使用中建议采用PWM同步更新，选择一个适合于所有周期时间的时间基准。三.两种高速脉冲输出功能的实现 具体应用时，PTO/PWM发生器和PLC映象寄存器共同使用Q0.0和Q0.l。每个PTO/PWM发生器有一个控制字节(8位)，无符号的周期时间值和脉冲宽度值(16位)，还有一个32位无符号的脉冲计数值，这些值全部存储在指定的特殊存储器中。用户只需将这些存储器位置成所需操作，通过执行脉冲输出指令(PLS)即可调用这些操作。1.PTO操作 PTO功能的实现一般包括PTO的初始化和PTO周期和脉冲数的修改两部分。为方便起见，此处以单段操作且使用输出Q0.0为例说明PTO单段操作初始化的步骤: （1)用初次扫描存储器位(SMO.1)复位Q0.0输出为0,;补调用执行初始化操作 的子程序。由于采用了这样的子程序调用，后续扫描不会在调用这个子程序，从而减少了扫描时间，也提供了一个结构优化的程序: (2)初始化子程序中，把16#85送入SMB67，使PTO以微秒为增量单位(或16#8D使PTO以毫秒为增量单位)。用这些值设置控制字节的目的是允许PTO/PWM功能，选择PTO操作，选择以毫秒或微秒为增量单位，同时设置更新脉冲计数和周期值，为子程序或中断程序中修改脉冲数或周期值做准备: (3)向SWM68(字)写入所希望输出脉冲的周期值; (4)向SWD72(双字)写入所希望输出的脉冲计数; （5)可选步骤。如果希望在一个脉冲串输出(PTO完成后立刻执行一个相关功能，则可编程使脉冲串输出完成中断事件调用一个中断子程序，执行全局中断允许指令; (6)执行PLS指令，使57-300PLC对PTO/PWM发生器编程; (7)退出子程序。 关于PTO周期和脉冲数的修改的实现与上而的初始化类似，只需把特定的控制字节送入SMB67，写入希望的周期值或脉冲数，最后执行PLS指令即可，此处不再详述。2、PWM操作PWM功能的实现与PTO类似，与PTO功能实现的不同之处在于，使用PWM功能时需要向特殊存储器字节写入脉冲宽度而不是脉冲数，具体参见前而PTO功能实现的初始化步骤部分。表3-1 PTO/PWM控制宇节参考Tab.3-1 PTO/PWM Yu-reference control section控制寄存器(16进制)执行PLS指令的结果模式选择PTO段操作PWM更新方法时基脉冲数脉冲宽度周期16#81PTO单段1s/周期装入16#84PTO单段1s/周期装入16#85PTO单段1s/周期装入装入16#89PTO单段1 ms/周期装入16#8CPTO单段1 ms/周期装入16#8DPTO单段1 ms/周期装入装入16#AOPTO单段1s/周期16#A8PTO单段1 ms/周期16#D1PWM同步1s/周期装入16#D2PWM同步1s/周期装入16#D3PWM同步1s/周期装入装入16#D9PWM同步1 ms/周期装入16#DAPWM同步1 ms/周期装入16#DBPWM同步1 ms/周期装入装入 此处我们利用PLC脉冲输出(PTO功能)来产生实现速度检测系统所需的高速标频脉冲信号。具体做法是将一个高速脉冲输出端口Q0.0(或Q0.1)设置成PTO功能输出，输出信号的周期设置为2s,输出脉冲个数设置为一个较大的数。同时将PLS指令的执行放在主程序中供CPU反复扫描，由于PTO输出功能提供脉冲串的排队机制，因而输出信号为一个连续的频率为20KHz、占空比为50%的方波。然后将输出的信号接到可编程控制器的高速脉冲计数器HSC输入端，形成一个简单的反馈回路，从而用作测速所需的高速标频脉冲信号。图3-33给出了产生这一标频信号的实现原理图。图3-4实现原理图由图可见，将PLC的输出口Q0.0设置成频率为20KHz、占空比为50%的高速PTO脉冲输出，送到高速计数器HSCO输入端作为标频脉冲信号进行计数。同时把光电编码器的两路相位差为900的脉冲信号分别送入PLC高速计数器HSC1的两个输入端进行计数。将高速计数器HSCO的计数模式设置模式0，即为带内部方向控制的增计数器:高速计数器HSC1的计数模式设置为模式9，即A/B相正交计数器方式，另外还要选择计数器设置为正交4X模式(4倍频计数方式)。选用4倍频正交计数方式的好处在于通过倍频使得光电编码器的分辨率提高了4倍，同时利用正交模式，消除了由于编码器振动引起的编码器计数误差。3.3.2 光电编码器抖动干扰处理和测量精度的提高由原理图可知光电编码器脉冲个数的精确计量在整个控制系统中极其重要，已是速度测量的信号源。正常情况下，编码器的测量精度和编码器的分辨率即光栅数是成正比的，但是实际上编码器光栅数的提高总是有限的，尤其是高分辨率编码器的价格也不菲，因此这种完全依靠提高分辨率的方法来提高测量精度的方法是很有限的。下节将介绍光电编码器的检测原理，利用可编程控制器提供的高速计数器功能通过软件实现和编码器输出信号四倍频同样的效果，使得编码器的测量分辨率提高四倍，且大大消除了测量过程中由于编码器的振动造成的抖动干扰问题，提高了测量精度。3.3.2.1 光电编码器及其输出信号和位移检测原理 光电编码器是一种通过光电转换可直接将位移信号转换为数字信号的传感器州，它广泛应用于角度、位置、及速度等测量系统中。根据它产生脉冲的方式可分为增量式、绝对式和复合式三种。由于增量式光电编码器的广泛应用，此处主要介绍增量式光电编码器。增量式光电编码器是直接利用光电转换原理输出三路方波A,B和Z的传感器。主要由编码盘、平行光源、光敏元器件及信号处理电路等构成。编码盘上刻有3路编码头光栅，其中，码道A, B被称之为计数码道，码盘两侧分别固定有平行光源和光敏感元件。当码盘相对于平行光源运动时，编码器产生相应的三相输出脉冲信号，下图给出了计数码道结构示意图及对应信号波形。图中，小矩形是透光窗，两路透光窗等窗宽编排，且相互错开1/2窗口宽度，因而A, B相脉冲信号的相位差是900:A, B码道透光镜总数决定了光电编码器的固有分辨率。显然，编码盘相对于平行光源点的绝对运行量，完全对应于A, B相信号的脉冲数。利用光电编码器检测绝对变化量，只要精确计量A或B相信号的输出脉冲即可。光电编码器朝单一方向运动时，A, B两相信号的相位差900固定不变，因而可以准确计量出A（B）相脉冲信号上升沿或者下降沿的个数，即根据A（B）相脉冲信号的上升沿或下降沿时刻所对应的B（A）相脉冲信号的逻辑电平值进行计数，可判断出光电编码器的运动方向。图3-5编码器码道结构不息图及输出信号波形光电编码器把角位移信号转换成脉冲数字信号后，每转动一圈，输出固定的脉冲。通过计算光电编码器旋转产生的脉冲个数，从而达到位移检测的目的。在实际应用中，通常为了提高编码器的固有精度，人们常把编码器的输出经过四倍频处理，获得高于原来4倍的分辨率，从而提高检测精度。3.3.2.2光电编码器4倍频检测原理及实现目前许多文献都介绍了光电编码器四倍频检测原理，其原理大同小异，实现方法也大都采用单片机来实现。其中最主要的部分是脉冲上升沿和下降沿的检测电路。利用光电编码器A, B相输出之间的关系，首先检测出光电编码器的上升沿和下降沿，然后通过一定的逻辑运算处理得到正反转四倍频脉冲输出。通过检测光电编码器A, B相输出脉冲的上升沿和下降沿，得到四倍的脉冲数目，使得对一定的旋转角度，输出更多的脉冲数目，从而提高光电编码器的检测精度。 由于系统采用了可编程控制器PLC作为主控单元，因此不能和单片机控制一样采用外接硬件电路来实现。后文将利用PLC的高速计数功能中的正交4X模式，通过软件编程避开繁琐的外部电路来轻松解决这一问题。一.PLC高速计数器及其4X正交计数模式除了普通的加减计数器外，西门子公司提供的57-30。系列PLC集成了个数不等、最高频率为20KHz的高速计数器，可以用来累计CPU扫描频率不能控制的高速事件。每个计数器可以配置最多12种不同的操作模式，且对它所支持的时钟、方向控制，复位都有专用的输入。各个计数器相互完全独立，且不影响它的高速功能，所有高速计数器都可同时以最高速率工作而互不干扰。由于采用光电编码器来对速度进行检测，其输出的脉冲信号的频率远远大于普通的计数器所能记录的频率范围，因此必须采用高速计数器来完成计数。使用高速计数器前，必须选定一种工作模式，这一工作只需执行HDHF指令即可。同时为了优化程序，可以利用初次扫描存储位SMO.1调用一个包含HDFF指令的子程序来定义高速计数器。只有定义了计数器和计数器工作模式，才能对计数器的动态参数进行编程。每个高速计数器都有一个控制字节，包括以下几项:允许或静止计数，计数方向控制(只能是模式0,1,2)或对所有其它模式的初始化计数方向，要装入的计数器当前值和要装入的预置值。执行HSC指令时，要检验控制字节和有关的当前值和预置值。二.四倍频检测在可编程控制器PLC上的实现四倍频计数原理是同时利用了A, B两相输出脉冲的上升沿和下降沿，从而达到四倍频计数的结果。因此利用这个功能，通过软件上设置适当的计数模式和参数可以达到同样的计数效果，将光电编码器的分辨率提高四倍。其初始化操作简单介绍如下(以选择高速计数器HSC1为例):(1)初次扫描存储器位(SMO.1)调用执行初始化操作的子程序。由于采用了这样的子程序调用，后续的扫描不会再调用这个子程序，从而减少了扫描时间，也提供了一个结构优化的程序:(2)初始化子程序中，根据所希望的控制操作对SMB47置数。以4X正交计数模式，允许计数，写入新的当前值和预置值，置HSC的初始化计数方向为增为例，置SMB47=16#F8将产生上述结果:(3)执行HDFF指令时，HSC输入置1, MODE输入置9(无外部置位和启动);(4)用所希望的当前置SMD48(双字)中，若装入零则清除当前值，同时把所希望的预置值装入SMD52(双字)中;(5)为了捕获当前值(CV等于预置值(PV)中断事件，编写中断程序，指定CV=PV中断事件调用该子程序:(6)执行全局中断允许指令来允许HSC1计数器中断:(7)执行HSC指令，使S7一300对HSC1进行编程。以上为对计数器进行编程来实现4X正交模式计数的初始化操作。除初始化外，主程序调用中还需要用到写入新的当前值和预置值等，这些操作与上述方法类似，此处不再详述。利用软件方法通过对编码器输出进行4倍频计数，使得光电编码器测量精度提高了4倍，也提高了一定程度上消除了由于抖动产生的干扰。3.4 PID 控制器在薄胶片鼓冷却装置中的应用 在设计中2个编码器分别测得的速度信号反馈到PLC上与给定值进行比较，得到偏差信号。经过PLC中编写的PID算法的运算，得到控制信号。尽管常规PID控制器在控制性能方而不如自适应控制器、模糊控制器等，但常规控制器以其算法简单，参数易于调整，稳定性好，易于工程实现等特点，在工业控制领域得到了广泛应用。目前PID控制器在薄胶片鼓冷却装置中的应用还没有。现把PID控制算法引入到该系统中，实现控制接取提升装置与挂胶装置速度同步，从而有效的提高系统的控制精度。Mv（t）Mv（n）E（n）Sv（n）PID控制器D/APL图3-6 PID控制器原理图3.4.1 控制算法由控制论可知离散化PID控制算式为：令则式中 T采样周期；P、I、D分别表示比例环节、积分环节、微分环节；KP、KI、KD分别表示比例系数、积分系数、微分系数。实际使用过程中，若执行机构需要的是控制量的增量，则采用增量式 PID 控制算法。增量式PID控制算法的离散表达式为:式中：3.4.2 控制器的调节原理PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 Sv 与实际输出反馈值 Pv 构成的偏差值，将偏差值的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，实现对被控对象的控制。在数字 PID 控制器中，引入积分环节的主要目的是为了消除静差、提高控制精度。但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调甚至振荡，使系统的稳定性下降。为了消除积分作用的负面影响，增强系统的稳定性，在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生饱和现象；而到过程后期，应增加积分作用，以提高控制精度。因此采取积分分离的控制算法，即在适当的时候加入或去掉积分作用，以提高控制精度。实践中发现，积分作用随着偏差的变化而变化，将变量定义如下： 100e1e2误差e图 3-7 变量与误差的示意图此时PID控制算法可写成 mv(n)= mv(n-1) +dP+dI+dD。由上式可知，当是积分作用消失，当时积分作用随偏差的增大而逐渐减少，从而系统获得较好的动态特性和稳态特性。下图为 PID 控制算法流程图：NYNY采样时间到采样电机速度是否超限计算e（n）e2e（n）e1 dp=Kpe(n)-e(n-1) dI=KpTe(n)/TIdD=KpTde(n)-2e(n-1)+e(n-2)/Tdmv(n)=dP+dI+dDmv(n)= mv(n-1) +dmve(n-2) c(n-1)e(n-1) c(n)mv(n-1) mv(n)结果送 D/A报警及处理YYN3.4.3 控制算法在PLC上的实现 在S7-300的定时中断程序OB35中添加一个PID调节器程序FB41，为FB41分配参数(在一个DB块内)。 FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量。PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它,关键的是要控制COM-RST:PID的调用可以在OB35中完成。 以下将相关该算法的重要参数特别标明。其他的可以使用默认参数。 1.所有的输入参数: COM_RST: BOOL:重新启动PID:当该位TURF时:PID执行重启动功能，复位PID内部参数到默认值:通常在系统重启动时执行一个扫描周期，或在PID进入饱和状态需要退出时用这个位: MAN_ON: BOOL:手动值ON:当该位为TURF时，PID功能块直接将MAN的值输出到LMN，这可以在PID框图中看到:也就是说，这个位是PID的手动/自动切换位; PFPFR_ON: BOOL:过程变量外围值ON:过程变量即反馈量，此PID可直接使用过程变量PIW(不推荐)，也可使用PIW规格化后的值(常用)，因此，这个位为FALSE; P_SFL: BOOL:比例选择位:该位ON时，选择P(比例)控制有效:一般选择有效: I_SPL: BOOL:积分选择位:该位ON时，选择工(积分)控制有效:一般选择有效: P_TL ON: BOOL:积分初值有一效，I_ITLVAL(积分初值)变量和这个位对应，当此位ON时，则使用I_ITLVAL变量积分初值。一般当发现PID功能的积分值增长比较慢或系统反应不够时可以考虑使用积分初值; CYCLP: TIMP: PID采样周期，一般设为200ms; SP_INT: REAL: PID的给定值; PV_IN: REAL: PID的反馈值(也称过程变量):GAIN: REAL:比例增益; TI:TIME:积分时间; TD: TIME:微分时间; DEADB_W: REAL:死区宽度:如果输出在平衡点附近微小幅度振荡，可以考虑用死区来降低灵敏度:LMN_HLM: REAL: PID上极限，一般是100%LMN_LLM: REAL: PID上极限:一般为0%，如果需要双极性调节，则需设置为-100%;(正负lOV输出就是典型的双极性输出，此时需要设置-100%):PV_FAC: REAL: 过程变量比例因子PV_OFF: REAL：过程变量偏置值(OFFSET)LMN_FAC: REAL: PID输出值比例因子;LMN_OFF: REAL: PID输出值偏置值(OFFSET)I_TLVAL: REAL: PID的积分初值; 有I-ITL-ON选择有效:2.部分输出参数说明:LMN: REAL: PID输出;LMN_P: REAL: PID输出中P的分量:(可用于在调试过程中观察效果)LMN_I:REAL: PID输出中I的分量:(可用于在调试过程中观察效果)LMN_D: REAL: PID输出中D的分量:(可用于在调试过程中观察效果)3.规格化概念及方法