张力控制系统 毕业设计

1、常州轻工职业技术学院电子电气工程系毕业设计常州轻工职业技术常州轻工职业技术常州轻工职业技术常州轻工职业技术学院学院学院学院毕业设计毕业设计( (论文论文) )说明说明书书题 目 张力控制系统 姓 名 XXX 学 号 XXX 班 级 XXXX 指导教师 XXX 职 称 教授 日 期 2010 年 6 月 11 日 C C C Z Z Z I I I L L L I I I 毕业设计用纸共 37 页 第 1 页常州轻工职业技术学院毕 业 论 文（设 计）任 务 书学生姓名XX专业班级XX学号XXX指导教师姓名及职称 杨劲松 教 授题 目张力控制系统论文（设计）的主要任务与具体要求论文（设计）的主要

2、任务与具体要求本毕业设计对项目经行了初步论述。绪论分析了 PLC 在张力控制的应用。第一章详细地介绍张力控制的特性和各种应用场合，以及详细的介绍了 PLC、变频器、伺服电机、传感器的工作原理及概况。第二章对方案进行确定。方案中采用的 PLC、传感器、伺服电机、变频器的详细参数、型号。在选择构成项目的各种构件时，考虑到了技术因素和经济因素。第三章是对整个项目的各部分电气连接图和输入输出的断口分配方案及程序的设计。设计主要任务：张力控制系统的初步了解PLC、变频器、传感器、伺服电机、松下伺服电机的使用张力系统的数学建模张力控制的硬件设计张力控制的软件设计指导教师意见：指导教师意见： 签名 年年 月

3、月 日日教研室意见：教研室意见： 签名 年年 月月 日日系审核意见系审核意见（公章）年年 月月 日日毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 毕业设计用纸共 37 页 第 2 页学 生姓 名XX专 业班 级XXX学号XXX指导教师及职称XXXX题 目张力控制系统结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 500 字左右的文献综述：一、选题的背景和意义：当今社会，一般的线缆、造纸、纺织印染、印刷、食品、薄膜生产中，在处理如线缆、纸张、丝、线、布、膜等材料，进行复卷、分切、排绕、复合、印刷时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，在此类线上，常需实现各环节速度、张力同时受控

4、的目标，即通常所说的张力控制系统。特别是随着变频器性能的提高、小型 PLC 运算功能的完善,由高性能通用变频器和小型PLC 组成的恒张力控制系统成为了可能。本文从恒张力卷绕系统的要求出发,提出了变频器、异步电动机恒张力控制系统的实现方式。根据纸机生产工艺要求, 设计了基于 S7200 PLC 的纸机张力控制软、硬件系统。采用速度控制兼张力控制的方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力,较好地实现了中、高速大型造纸机变频传动控制系统中的张力控制,从而为工业生产提供便利。二、课题研究的主要内容：本课题分析了 PLC 在张力控制的应用。第一章详细地介绍张力控制的特性和各种应用场合，以及详细的介绍了

5、 PLC、变频器、伺服电机、传感器的工作原理及概况。第二章对概述本设计所建的张力系统。第三章对方案进行确定。方案中采用的 PLC、传感器、伺服电机、变频器的详细参数、型号。在选择构成项目的各种构件时，考虑到了技术因素和经济因素。第四章是对整个项目的部分程序的设计。本设计在实际应用中是有巨大现实意义及很大的经济效应，利用 PLC 来控制张力的方法被广泛应用在线缆、造纸、纺织印染、印刷、食品、薄膜生产中，极大的提高了生产效率和产品的合格率，随着科学技术的不断成熟和发展，PLC 张力控制技术将越来越深入到社会的各个行业。 毕业设计用纸共 37 页 第 3 页三、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究

6、手段（途径）：为提高造纸机运行的稳定性,防止纸幅断裂现象,从分析纸幅张力检测的原理及方法出发,设计了基于 SIMATIC S7200 PLC 的造纸机张力控制系统。同时该系统采用的速度控制+ 张力控制方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力,较好地实现了纸机张力控制功能,取得了满意的控制效果。从理论上建立张力控制系统的模型能对其进行深入地研究,为先进控制算法的引入奠定理论基础。以放卷张力控制系统为研究对象,在深入分析自动卷绕线张力控制系统放卷部分受力情况的基础上,推导了放卷张力系统的数学模型。四、毕业设计（论文）进度安排：第一月广泛阅读文献资料，以了解张力控制系统研究的现状和存在的问题。第二

7、月明确研究目的、价值意义，确定实验方案。第三月根据理论分析和试验研究的结果，在完成总体设计和程序的基础上开始撰写论文第四月完成论文草稿送交老师，进行评阅和指导，指出不足之处，返稿，加以修改与完善。第五月最后完成论文的正式撰写。第六月打印成册，准备毕业答辩。五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日 毕业设计用纸共 37 页 第 4 页六、教研室意见： 教研室主任签名： 年 月 日中文摘要中文摘要当今社会，一般的线缆、造纸、纺织印染、印刷、食品、薄膜生产中，在处理如线缆、纸张、丝、线、布、膜等材料，进行复卷、分切、排绕、复合、印刷时，都会用上卷壳及滚筒组成的加工生产线，在此类线上，常需实现各

8、环节速度、张力同时受控的目标，即通常所说的张力控制系统。随着科技的发展，工业生产自动化的程度提高，PLC 在工业上具有普遍的应用，如线缆、造纸业、纺织印染业、印刷业、食品业、薄膜生产业等等。通过 PLC 对上述工业中的张力控制环节进行控制，是这些工业中的关键。为提高造纸机运行的稳定性,防止纸幅断裂现象,从分析纸幅张力检测的原理及方法出发,设计了基于 SIMATIC S7-200 PLC 的造纸机张力控制系统。详细介绍了该控制系统的结构、硬件配置及其控制功能的软件实现。将该控制系统应用于造纸机压光部的实践证明,该系统采用的速度控制+ 张力控制方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力,较好地实现

9、了纸机张力控制功能,取得了满意的控制效果。关键词：关键词：张力控制系统，PLC，工业生产 毕业设计用纸共 37 页 第 1 页ABSTRACTIn todays society, General cable, paper making, textile printing and dyeing, printing, food, film production, in processing such as cable, paper, yarn, fabrics, etc, and splitting to multiple volumes, winding, composites, printin

10、g, are available on volume shell and drum composition of processing line, in this type of line, often need to implement the link speed, tension and controlled target, commonly referred to as tension control system. With the development of technology, industry automation level, PLC in industry has a

11、universal application, such as cable, paper, textile dyeing, printing, food industry, the film production industry and so on. Through the PLC on the industry of tension control link control, is the industrys key. To increase the paper machine running stability, prevent paper ruptures, from analysis

12、of Web tension detection principle and methods start design based on SIMATIC S7-200 PLC paper tension control system. Describes in detail the structure of the control system, the hardware configuration and control features of the software. The control system is applied to paper-Department of proven,

13、 the system uses the speed control + tension control regulation between the points of each transmission speed chain relationships and Web tension, better implementation of the paper machine tension control functionality, achieved a satisfactory control effects. Key words: Tension Control System, PLC

14、, Industrial Production 毕业设计用纸共 37 页 第 2 页目录目录中文摘要.1ABSTRACT.2目录.3第一章 张力控制系统的初步了解.51.1 张力控制系统.51.2PLC 的使用.61.2.1PLC 介绍.61.2.2S7-200 可编程控制器.101.3 变频器.141.3.1 变频器介绍.141.3.2 变频器的组成.141.3.3 变频器的工作原理.151.3.4 变频器的用途.151.3.5 变频器 MD330.161.4 传感器.171.4.1 传感器作用.171.5 伺服电机.181.5.1 伺服电机原理.181.5.2 松下伺服电机.18第二章 项

15、目概述.202.1 张力系统的数学建模.202.1.1 收放料装置动力学模型.202.1.2 张力模型.222.1.3 锥张力控制数学模型.232.2变频器实现卷绕恒张力控制.242. 2.1直接张力闭环控制.252.2. 2控制电动机输出转矩间接控制.252.3 基于 S7 -200 PLC 的造纸机直接张力控制.262.3.1纸幅张力检测原理.262.3.2 直接张力控制的硬件设计.272.3.3 直接张力控制的软件设计.27第三章 项目说明.293.1 项目要求.293.2 项目总体设计构想.293.2.1 构图设想.293.2.2 构件组成设想.29第四章 程序设计.324.1 程序设

16、计.32第五章 项目小结.33 毕业设计用纸共 37 页 第 3 页参考文献.34附录 A.35附录 B.36致谢.37 毕业设计用纸共 37 页 第 4 页第一章第一章 张力控制系统的初步了解张力控制系统的初步了解1.1 张力控制系统张力控制系统张力控制系统通常是张力传感器和张力控制器的一种系统集成，目前主要应用于线缆、造纸、纺织印染、印刷、食品、薄膜生产中，是一种实现恒张力或者锥度张力控制的自动控制系统，其作用主要是实现辊间的同步，收卷和放卷的均匀控制。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，也应有能力保证被分切物不破损。张力控制的稳定

17、与否直接关系到分切产品的质量。一套典型的张力控制系统主要由张力控制器，张力读出器，张力检测器，制动器和离合器构成。根据环路可分为开环，闭环或自由环张力控制系统；根据对不同卷材的监测方式又可分为超声波式，浮辊式，跟踪臂式等。本毕业设计主要研究典型收卷张力控制。以造纸为例，张力不足,原料在运行中产生漂移,会出现分切复卷后成品纸起皱现象;若张力过大,原料又易被拉断,使分切复卷后成品纸断头增多。这样就要求在处理过程中保持恒定的张力。典型收卷张力控制示意图图 1 无张力反馈图 2 带浮动辊张力反馈 毕业设计用纸共 37 页 第 5 页1.2PLC 的使用的使用1.2.1PLC 介绍介绍PLC 即可编程控

18、制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC 英文全称 Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有 PLC PLC 是一种专门为在工业环境下应用

19、而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1)PLC 的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称 PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种

20、装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC2)PLC 的基本结构PLC 结构示意图 毕业设计用纸共 37 页 第 6 页PLC 逻辑结构示意图PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。a、中央处理单元(CPU):中央处理单元(CPU)是 PLC 的控制中枢。它按照 PLC 系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当 P

21、LC 投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入 I/O 映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入 I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行为了进一步提高 PLC 的可靠性，近年来对大型 PLC 还采用双 CPU 构成冗余系统，或采用三 CPU 的表决式系统。这样，即使某个 CPU 出现故障，整个系统仍能正常运行。b、存储器:存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器

22、称为用户程序存储器。C、电源:PLC 的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此 PLC 的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将 PLC 直接连接到交流电网上去d、输入输出接口电路:1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是 PLC 与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用 PLC 通过现场输出接口电路向现场的执行部 毕业设计用纸共 37 页 第 7 页件输出相应的控制信号。3)PLC 的工作原理

23、一. 扫描技术当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。(一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。(二

24、) 用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O 映象区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形

25、图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。在程序执行的过程中如果使用立即 I/O 指令则可以直接存取 I/O 点。即使用 I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从 I/O 模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。(三) 输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是 PLC 的真正输出。4

26、)PLC 的特点 可靠性高，抗干扰能力强 1高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的 F 系列 PLC 平均无故障时间高达 30 万小时。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均无故障工作时间则更长。从 PLC 的机外电路来说，使用 PLC 构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序

27、，使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 配套齐全，功能完善，适用性强 2 毕业设计用纸共 37 页 第 8 页PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 PLC 的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、CNC 等各种工业控制中。加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易。 易学易用，深受工程技术人员欢迎 3PLC 作

28、为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 4PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 体积小，重量轻，能耗低 5以超小型

29、PLC 为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 5)PLC 的控制开关量的逻辑控制 1这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。 模拟量控制 2在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/

30、D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。 运动控制 3PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。 过程控制 4过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得

31、较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 6)PLC 数据处理 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可 毕业设计用纸共 37 页 第 9 页以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如

32、造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 7)PLC 通信及联网 PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC 的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 1.2.2S7-200 可编程控制器可编程控制器S7-200 CPUS7-200 CPU 将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的 Micro PLC。参见图 1-1。在下载了程序之后，S7-200 将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输

33、出设备。S7-200 Micro PLC一、连接 S7-200 CPU连接 S7-200 十分容易。您只需要给 S7-200 CPU 供电，然后在编程设备与 S7-200 CPU 之间连上通讯电缆即可。二、给 S7-200 CPU 供电第一个步骤就是要给 S7-200 的 CPU 供电。图 2-1 给出了直流供电和交流供电两种 CPU 模块的接线方式。在安装和拆卸任何电气设备之前，必须确认该设备的电源已断开。在安装或拆卸 S7-200 之前，必须遵守相应的安全防护规范，并务必将其电源断开 毕业设计用纸共 37 页 第 10 页给 S7-200 CPU 供电连接 RS-232/PPI 多主站电缆

34、图 2-2 所示为连接 S7-200 与编程设备的 RS-232/PPI 多主站电缆。连接电缆：连接 RS-232/PPI 多主站电缆的 RS-232 端(标识为“PC”)到编程设备的通讯口上。1(本例中为 COM 1)。连接 RS-232/PPI 多主站电缆的 RS-485 端(标识为“PPI”)到 S7200 的端口 0 或端2口 1。如图 2-2 所示，设置 RS-232/PPI 多主站电缆的 DIP 开关。3连接 RS-232/PPI 多主站电缆理解 S7-200 如何执行控制逻辑S7-200 周而复始地执行程序中的控制逻辑和读写数据。S7-200 将程序和物理输入输出点联系起来 S7

35、-200 的基本操作非常简单：CPU 读取输入状态1CPU 中存储的程序利用输入执行控制逻辑。当程序运行时，CPU 刷新有关数据。2CPU 将数据写到输出。3 毕业设计用纸共 37 页 第 11 页下面给出了一个简图，说明一个继电器图如何与 S7-200 联系起来。电机启动开关的状态和其他输入点的状态结合在一起。其中它们计算的结果，最终决定了控制执行机构启动电机的输出点状态。输入和输出的控制S7-200 在扫描循环中完成它的任务S7-200 周而复始地执行一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。如下图所示，在一个扫描周期中，S7-200 将执行部分或全部下列操作：读取输入：S7-200

36、将实际输入的状态复制到过程映像输入寄存器。1 执行程序中的控制逻辑：S7-200 执行程序指令，并在不同的存储区存储数值。2 处理通讯请求：S7-200 执行通讯所需的所有任务。3 执行 CPU 自检诊断：S7-200 可确保固件、程序存储器和所有扩展模块正确工作。4写入输出：将存储在过程映像输出寄存器中的数值写入到实际输出。5 毕业设计用纸共 37 页 第 12 页S7-200 扫描周期用户程序的执行取决于 S7-200 是处于 STOP 模式还是 RUN 模式。在 RUN 模式中，执行程序；在 STOP 模式中，不执行程序。读取输入数字量输入： 每个扫描周期从读取数字量输入的当前值开始，然

37、后将这些值写1入到过程映像输入寄存器。模拟量输入：除非启用了模拟量输入过滤，否则，S7-200 在正常扫描周期中不更2新来自扩展模块的模拟量输入。模拟量滤波会使您得到较稳定的信号。可以启用每个模拟量输入通道的滤波功能。当启用了模拟量输入滤波功能后，S7-200 会在每一个扫描周期刷新模拟量、执行滤波功能并且在内部存储滤波值。当程序中访问模拟量输入时使用滤波值。如果没有启用模拟量输入滤波，则当程序访问模拟量输入时，S7-200 都会直接从扩展模块读取模拟值。在每次扫描期间，CPU224XP 的 AIW0 和 AIW2 模拟量输入都会读取模-数转换器生成的最新值，从而完成刷新。该转换器求取的是均值

38、(sigma-delta)，因此通常无需软件滤波。执行程序在扫描周期的执行程序阶段，CPU 从头至尾执行应用程序。在程序或中断程序的执行过程中，立即 I/O 指令允许您直接访问输入与输出。如果在程序中使用子程序，则子程序作为程序的一部分存储。当由主程序、另一个子程序或中断程序调用时，则执行子程序。从主程序开始时子程序嵌套深度是 8，从中断程序开始时子程序嵌套深度是 1。如果在程序中使用了中断，与中断事件相关的中断程序就作为程序的一部分被存储。中断程序并不作为正常扫描周期的一部分来执行，而是当中断事件发生时才执行(可能在扫描周期的任意点)。为 11 个实体中的每一个保留局部存储器：当从主程序开始

39、时，为 1 个主程序、8 个子程序嵌套级别；当从中断程序开始时，为 1 个中断和 1 个子程序嵌套级别。局部存 毕业设计用纸共 37 页 第 13 页储器有一个局部范围，在该范围内它只能供其相关的程序实体使用，其他程序实体无法访问。下图描述了一个典型的扫描流程，该流程包括局部存储器应用和两个中断事件(一个事件发生在程序执行阶段，另一个事件发生在扫描周期的通讯阶段)。子程序由下一个较高级别调用，并在调用时得到执行。不调用中断程序；中断程序是发生相关中断事件的结果。图 4-3 典型的扫描流程处理通讯请求在扫描周期的信息处理阶段，S7-200 处理从通讯端口或智能 I/O 模块接收到的任何信息。执行

40、 CPU 自检诊断在扫描周期的这一阶段，S7-200 检查 CPU 的操作和扩展模块的状态是否正常。写数字输出在每个扫描周期的结尾，CPU 把存储在输出映像象寄存器中的数据写到数字输出点。(模拟量输出直接刷新，与扫描周期无关)。1.3 变频器变频器1.3.1 变频器介绍变频器介绍变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要由两部分构成，一是主电路（整流模块、电解电容和逆变模块） ，二是控制 毕业设计用纸共 37 页 第 14 页电路（开关电源板、控制电路板） 。CPUCPU 就安装在控制电路板上，变频器的操作软件烧录在 CPUCPU 上，同一型号的变频器软

41、件是固定的，唯一例外的就是三晶变频器，软件可根据使用需求更改。1.3.2 变频器的组成变频器的组成变频器通常分为 4 部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。1 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。2 高容量电容存储转换后的电能。3 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。4 控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。1.3.3 变频器的工作原理变频器的工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直

42、流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源 6 倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，

43、可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使 6 个开关器件导通、关断就可以得到 3 相交流输出。以电压型 pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路

44、：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的信号为速 毕业设计用纸共 37 页 第 15 页度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。1.3.4 变频器的用途变频器的用途变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的

45、周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。1.3.5 变频器变频器 MD330对张力的控制有两个途径，一是可控制电机的输出转矩，二是控制电机转速，对应这两个途径，MD330 设计了两种张力控制模式。1、第一种.开环转矩控制模式开环是指没有张力反馈信号，变频器仅靠控制输出频率或转矩即可达到控制目的，与开环矢量或闭环矢量无关。转矩控制模式是指变频器控制的是电机的转矩，而不是频率，输出频率是跟随材料的速度自动变化。根据公式 F=T/R（其中

46、F 为材料张力，T 为收卷轴的扭矩，R 为收卷的半径），可看出，如果能根据卷径的变化调整收卷轴的转矩，就可以控制材料上的张力，这就是开环转矩模式控制张力的根据，其可行性还有一个原因是材料上的张力只来源于收卷轴的转矩，收卷轴的转矩主要作用于材料上。与开环转矩模式有关的功能模块：1）张力设定部分：用以设定张力，实际使用中张力的设定值应与所用材料、卷曲成型的要求等实际情况相对应，需由使用者设定。张力锥度可以控制张力随卷径增加而递减，用于改善收卷成型的效果。2）卷径计算部分：用于计算或获得卷径信息，如果用线速度计算卷径需用到线速度输入功能部分，如果用厚度累计计算卷径需用到厚度累计计算卷径相关参数功能部

47、分。3）转矩补偿部分：电机的输出转矩在加减速时有一部分要用来克服收（放）卷辊的转动惯量，变频器中关于惯量补偿部分可以通过适当的参数设置自动地根据加减速速率进行转矩补偿，使系统在加减速过程中仍获得稳定的张力。摩擦补偿可以克服系统阻力对张力产生的影响。2、第二种.闭环速度控制模式闭环是指需要张力（位置）检测反馈信号构成闭环调节，速度控制模式是指变频器根据反馈信号调节输出频率，而达到控制目的，速度模式变频器可工作在无速度传感器矢量控制、有速度传感器矢量控制和 V/F 控制三种方式中的任何一种。该控制模式的原理是通过材料线速度与实际卷径计算一个匹配频率设定值 f1，再通过张力（位置）反馈信号进行 PI

48、D 运算产生一个频率调整值 f2，最终频率输出为 f=f1+f2。f1 可以基 毕业设计用纸共 37 页 第 16 页本使收（放）卷辊的线速度与材料线速度基本匹配，然后 f2 部分只需稍微调整即可满足控制需求，很好地解决了闭环控制中响应快速性和控制稳定性地矛盾。这种模式下，张力设定部分无效，在 FA-00PID 给定源中设定系统控制的目标值，控制的结果是使张力（位置）的反馈信号稳定在 PID 的给定值上。特别注意，在用位置信号（如张力摆杆、浮动辊）做反馈时，改变设定值（PID 给定）不一定能够改变实际张力的大小，改变张力的大小需要更改机械上的配置如张力摆杆或浮动辊的配重。与闭环速度模式有关的功

49、能模块：1）PID 部分：主要在 FA 组设定，FH 组中第二组 PID 参数可以起到辅助作用。在其他部分都设定无误后，最终的控制效果需要调整 PID 参数。2）线速度输入部分：这部分比较重要，有两个作用，一是通过线速度计算变频器的匹配频率（见上面的描述），二是可通过线速度计算卷径。3）卷径计算部分：计算实际卷径，变频器获取线速度和实际卷径后可以获取变频器的匹配频率。当用线速度计算卷径时，若变频器算得的卷径与实际卷径有偏差，说明线速度输入有偏差，通过卷径计算结果可以修正线速度输入。注意一点的是用线速度和卷径计算的匹配频率值并非变频器的实际输出频率，用线速度和运行频率计算卷径时用到的运行频率是变

50、频器的实际输出频率，所以逻辑上并不矛盾。4）第二组 PID 参数部分：当只用一组 PID 参数无法满足全程的控制效果时，可以利用第二组 PID 参数，例如在小卷时调整第一组 PID 参数获得较好效果，满卷时调整第二组 PID 参数获得较好效果，这样在全程就能都达到较好效果。1.4 传感器传感器1.4.1 传感器作用传感器作用人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先

51、要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温

52、、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 毕业设计用纸共 37 页 第 17 页传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经

53、济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。1.5 伺服电机伺服电机1.5.1 伺服电机原理伺服电机原理1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1 个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，

54、可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大

55、而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。1.5.2 松下伺服电机松下伺服电机（1）操作面板，控制和使用简便易行每套松下伺服电机驱动器上都配有操作面板，各种参数和控制方式均可通过操作面板实行调整，非常适合于现场调试。面板可显示运行速度，位置脉冲，实际转矩，界限 i/o 状态，参数设定，错误原因等大量信息。特别是实际转矩的显示给设计，选型提供了极大方便。通过操作面

56、板可以检查接线状态。用户可用此功能判别接线错误，十分有效。（2）稳妥方便的自动调整，刚性调整更方便 毕业设计用纸共 37 页 第 18 页 用户在调试设备时可以启动自动增益调整功能来调节饰服系统的刚性，松下是福在自动增益调整时运动范围小（电机正转两圈反转两圈）运动速度低（100rmp） ，所以在磨床等运动行程非常有限的场合运动时非常安全可靠。（3）控制方式多样化有三种控制方式可供选择，速度控制方式、位置控制方式、转矩控制方式 以上三种方式也可以进行复合控制。其中位置控制方式极具特色。用户可以采用电子线路、单片机、PC 机其他方式非常而廉价实现数控功能，系统中还配备了电子齿轮功能，也就是说可以通

57、过参数设定对输入指令冲任意分而达到和机械系统的良好配合。（4）保护设施齐全 系统还配有各种自诊断保护措施，硬件软件双重保护，并可以胜任三倍过载。一旦发生错误，便立即停机。并告以报警故障原因，在用户解除故障后方可重新工作，因此可靠性极高。 毕业设计用纸共 37 页 第 19 页第二章第二章 项目概述项目概述2.1 张力系统的数学建模张力系统的数学建模2.1.1 收放料装置动力学模型收放料装置动力学模型在卷绕镀膜机张力控制系统中，料卷是明显的扰动量，因为随着镀膜的进行，放料料卷卷径在逐渐减小，而收料料卷逐渐增加，以线速度变化，由公式可知，料膜张力也会产生相应的变化，为此必须保证料膜的线速度不变需实

58、时对收放料卷的转速 n 进行控制，根据公式（3.1） （3.1）由上式可知，转速 n 与卷径 D 呈反比的关系。对转速 n 进行控制要依赖于收放料卷的实时直径，这就涉及到收放料卷的实时计算问题。首先从放料部分出发，推导出放料部分模型动力学模型，通过类比得到收料部分动力学模型。在实际生产过程中，放料料卷的受力情况比较复杂，它的受力情况和预设镀膜张力、加减速给定斜率有关。当预设镀膜张力较小，或者给定加减速斜率比较大(加速度大)的时候，电机处于电动状态，薄膜料卷的受力如图甲:当预设镀膜张力较大，或者给定加减速斜率比较小(加速度小)的时候，电机处于发电状态，薄膜料卷的受力如图乙。 毕业设计用纸共 37

59、 页 第 20 页甲甲电机电动状态时放料料卷受力模型乙乙电机发电状态时放料料卷受力模型为了避免模型过于复杂，考虑到在通常情况下，给定加减速斜率比较小，预设镀膜张力相对来说较大，电机基本上处于发电机状态，所以，我们认为在电机加减速和稳定工作时处于发电状态。但有一个情况例外，当系统上电建立初始化张力时，料膜的初始张力为零，电动机处于电动状态，当达到稳态时，料膜张力与电机的电磁转矩相等。在电机处于发电状态下，放料料卷的所受动力矩为料膜张力所产生的力矩，阻力为电磁转矩和阻力力矩，将多轴传动系统等效为电机轴上的单轴系统，则放料转动加速度和稳定工作时电动机力矩方程为: (3.2) 式中 F张料膜张力 r1

60、料卷卷径Me电磁转矩 w空间角速度Mf阻力力矩 J单轴等效传动惯量 毕业设计用纸共 37 页 第 21 页J 应该由两部分组成，电机轴的转动惯量 J0，料卷轴的等效转动惯量 Jm而料卷轴的转动惯量 Jm又由料卷转动惯量和空轴转动惯量组成 Jr0，Jr是时变，是卷径 r1的函数，r1是时间 t 的函数 Jr0是固定值。设料膜的密度为 ，重力加速度为 g，宽度为 b，r 为料卷实时半径，r0为空轴半径，利用微元法可以推出 Jr 的函数表达式:转动惯量推导微元图可推出其中 K1K2为常量。这就是电机转矩的完整方案。式中右边两项为动态转矩，第一部分是由半径变化引起，第二部分是由转速变化引起，在张力控制