課題3 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)

1、李方園 復(fù)卷機(jī)一般用于帶材的中間工藝，比如造紙復(fù)卷機(jī)、塑料復(fù)卷分切機(jī)等。復(fù)卷機(jī)按照傳動(dòng)類(lèi)型可以分放卷、主傳動(dòng)和收卷三部分組成，按工位則可以分為單工位、上下雙工位、翻轉(zhuǎn)雙工位等形式。 復(fù)卷機(jī)放卷的制動(dòng)方式通常分四種：機(jī)械制動(dòng)、磁粉制動(dòng)、氣動(dòng)制動(dòng)以及電機(jī)變頻制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)是非常傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。磁粉制動(dòng)是利用電磁原理對(duì)帶材進(jìn)行制動(dòng)的。氣動(dòng)制動(dòng)主要用于大卷徑紙張制動(dòng)用，在大卷徑制動(dòng)時(shí)使用氣動(dòng)制動(dòng)比磁粉制動(dòng)要經(jīng)濟(jì)許多。電機(jī)變頻制動(dòng)是最近幾年比較流行的一種制動(dòng)方式，主要是使用了電機(jī)變頻制動(dòng)之后，可以實(shí)現(xiàn)非常多的自動(dòng)化功能，例如：可以做到自動(dòng)接換料時(shí)候的預(yù)驅(qū)動(dòng)功能。 收卷部分的結(jié)構(gòu)同放卷一樣，但在控制方式上，就

2、有不同之處了。早期的做法是通過(guò)主電機(jī)傳動(dòng)給磁粉離合器，通過(guò)張力傳感器來(lái)檢測(cè)張力變化，由張力控制器來(lái)調(diào)節(jié)磁粉離合器的電流控制收卷的松緊。目前的主流都是通過(guò)變頻電機(jī)來(lái)進(jìn)行開(kāi)環(huán)張力或閉環(huán)張力卷取，采用這種方式還可以實(shí)現(xiàn)較多的功能，如自動(dòng)錐度張力、不停機(jī)接換料等。【課題任務(wù)書(shū)】 1 1、任務(wù)概述 圖3-1是小型復(fù)卷機(jī)，它包括放卷磁粉制動(dòng)器、主電動(dòng)機(jī)、計(jì)長(zhǎng)輥和手卷電動(dòng)機(jī)等部分組成。請(qǐng)根據(jù)工藝流程和控制要求，設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 圖3-1 復(fù)卷機(jī)控制結(jié)構(gòu) 2 2、工藝流程 根據(jù)圖3-1所示，小型復(fù)卷機(jī)的工藝流程包括以下幾個(gè)步驟： （1）通過(guò)PLC的數(shù)據(jù)設(shè)定，一旦PLC接收到啟動(dòng)命令（數(shù)字量輸入信號(hào)），

3、 31自動(dòng)化綜合實(shí)踐 課題3 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng) PLC通過(guò)數(shù)字量輸出，控制主傳動(dòng)按照模擬量設(shè)定的頻率運(yùn)行，此時(shí)高速計(jì)數(shù)器指令開(kāi)始工作，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度信號(hào)，當(dāng)長(zhǎng)度到時(shí)，主傳動(dòng)停止工作，進(jìn)行換卷后重新計(jì)長(zhǎng)。 （2）當(dāng)放卷端的卷筒快要變空時(shí)，自動(dòng)停止主傳動(dòng)運(yùn)行。 3 3、控制要求 （1）輸入電源為三相380V電源。 （2）主傳動(dòng)M1和手卷電動(dòng)機(jī)M2采用變頻控制，要求收卷端面整齊、錐度合理、緊度適中。 （3）計(jì)長(zhǎng)輥主要外接編碼器信號(hào)，以便在設(shè)定的長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)換卷操作。 子課題1 1：放卷與收卷傳動(dòng)控制 一、典型的張力控制系統(tǒng) 在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)中，都需要進(jìn)行精確的張力控制，保持張力的恒定，以

4、提高產(chǎn)品質(zhì)量。這些行業(yè)如造紙、包裝、印刷、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。從行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)看，張力系統(tǒng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域中是控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素，并將得到越來(lái)越多的重視。圖3-2所示為典型的張力控制收卷和放卷示意圖。 圖3-2 張力控制收卷和放卷示意圖 1電機(jī)2-磁粉離合器3-收卷芯4-傳動(dòng)輪5-張力檢測(cè)輥 6-荷重傳感器7-放卷芯8-磁粉制動(dòng)器9-自動(dòng)張力控制儀10-控制器 張力控制系統(tǒng)，其基本元件包括張力控制器，離合器及制動(dòng)器。張力控制可以分成手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制器即穩(wěn)流電流是依收料或出料的變化而分階段手動(dòng)調(diào)整離合器或制動(dòng)器的激磁電流，從而獲得一致的張

5、力。自動(dòng)張力控制器由張力傳感器檢測(cè)張力，控制器把張力數(shù)據(jù)處理后再去自動(dòng)調(diào)整離合器或制動(dòng)器的激磁電流從而控制卷繞物的張力。 在放卷端，放料的張力是依設(shè)于放料組的磁粉制動(dòng)器的扭矩而定。在收卷端，收料張力由磁粉離合器的傳遞扭矩來(lái)決定，為要保持固定的張力，須按卷徑的大小來(lái)加大或減少傳遞扭矩。自動(dòng)張力控制器是以單片機(jī)為核心的一種新型智能張力控制器，其響應(yīng)速度快，控制精度高，LED數(shù)字顯示張力值，手動(dòng)/自動(dòng)兩種狀態(tài)能緩沖無(wú)斷點(diǎn)切換，使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑;在自動(dòng)狀態(tài)下如卷繞物意外斷裂或整機(jī)停機(jī)，該控制器能自動(dòng)保持?jǐn)帱c(diǎn)時(shí)的張力。 自動(dòng)張力控制器啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)，而后如果觸發(fā)手動(dòng)/自動(dòng)鍵，則自動(dòng)燈亮，控制器進(jìn)入

6、自動(dòng)狀態(tài)。再觸發(fā)則又返回到手動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)下，可以在額定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流的大小，同時(shí)可以觀察到實(shí)際張力的大小的變化。同時(shí)可以調(diào)節(jié)設(shè)定張力的張力值，當(dāng)有加調(diào)節(jié)鍵或減調(diào)節(jié)鍵按下時(shí)，設(shè)定張力將改變。無(wú)論在手動(dòng)狀態(tài)或自動(dòng)狀態(tài)，如果按下存儲(chǔ)鍵，則把當(dāng)前的設(shè)定張力值和加載電流值保存，即使斷電后，仍被存儲(chǔ)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或重新啟動(dòng)時(shí)，設(shè)定張力和輸出電流將自動(dòng)恢復(fù)成存儲(chǔ)值。 二、張力傳感器和張力信號(hào) 張力傳感器的功能就是能在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)片材、線材、帶材及其它類(lèi)似產(chǎn)品的張力進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量，并能提供瞬時(shí)值。 常見(jiàn)的張力傳感器主要有以下幾種： 1、承座式張力傳感器 它是對(duì)張力直接進(jìn)行檢測(cè)，與機(jī)械緊密地結(jié)合在一起

7、，沒(méi)有移動(dòng)部件的檢測(cè)方式。通常兩個(gè)傳感器配對(duì)使用，將它們裝在檢測(cè)導(dǎo)輥兩側(cè)的端軸上，料帶通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)輥施加負(fù)載，使張力傳感器敏感元件產(chǎn)生位移或變形，從而檢測(cè)出實(shí)際張力值，并將此張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號(hào)反饋給張力控制器。最終實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。缺點(diǎn)是不能吸收張力的峰值，機(jī)械的加減速難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。因此，當(dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí)，系統(tǒng)瞬間來(lái)不及作出反應(yīng)，料帶上張力變化的幅度值會(huì)較大，對(duì)張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。 張力傳感器放置在輥?zhàn)拥闹С州S承下方，由剛性材料做成，它只對(duì)水平方向的張力起作用。當(dāng)一定張力的片材通過(guò)該輥時(shí)，片

8、材所受到的張力分成兩部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV）。如圖3-3a所示，設(shè)張力為T(mén)，F(xiàn)T為輥?zhàn)雍洼S承的重力，、為片材的夾角，則 FRTx(coscos) FV=Tx(sinsin)+FT 根據(jù)張力傳感器的值FR就可以計(jì)算出該片材此時(shí)的張力值T。 承座式張力傳感器一般是由特殊的剛性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的傳感器是由CrMoS17組成的特殊不銹鋼材料做成。其工作原理通常有以下三種： (1)壓磁式 張力傳感器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈正確通過(guò)傳感器的四個(gè)孔（其中初級(jí)線圈為激勵(lì)線圈，次級(jí)線圈為感應(yīng)線圈）。在正常情況下（即無(wú)水平張力）初級(jí)線圈的感應(yīng)磁場(chǎng)如圖3-3b所示，

9、由于孔的合理放置，次級(jí)線圈無(wú)感應(yīng)電壓產(chǎn)生。當(dāng)水平張力T作用在傳感器上時(shí)，初級(jí)線圈的電磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生變化，從而次級(jí)線圈就會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電壓,如圖3-3c。 一旦水平張力作用改變方向，次級(jí)線圈的電壓極性也相應(yīng)改變。張力傳感器的激勵(lì)信號(hào)為330HZ、0.5A的交流信號(hào)，張力作用的大小反映在輸出信號(hào)的幅度上，張力的方向則反映在輸出信號(hào)的極性上。信號(hào)放大器的作用就是先過(guò)濾為DC信號(hào)，然后通過(guò)增益運(yùn)算放大器，最后可以選擇適當(dāng)?shù)募臃ㄆ?、減法器等輸出張力控制所需的紙幅A側(cè)張力信號(hào)、B側(cè)張力信號(hào)、A側(cè)B側(cè)的張力之和信號(hào)和A側(cè)B側(cè)的張力之差信號(hào)。 該類(lèi)型傳感器通常是由兩塊鐵板和四片彈性鋼片聯(lián)接組成的。四片彈性鋼片用

10、來(lái)吸收垂直方向的分力，磁性測(cè)量元件安裝在中間二片鋼片的當(dāng)中，使測(cè)力計(jì)只對(duì)測(cè)量方向上的機(jī)械應(yīng)力敏感。在測(cè)量過(guò)程中，磁彈性元件由于受機(jī)械應(yīng)力的變化，將產(chǎn)生磁性材料的導(dǎo)磁性能變化。該元件是用一種經(jīng)過(guò)特殊技術(shù)處理過(guò)的多片金屬薄片組成。在元件上繞有兩個(gè)交叉而互成垂直角度的兩個(gè)線圈，在沒(méi)有外界機(jī)械應(yīng)力時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)線圈相互垂直，故不會(huì)出現(xiàn)磁耦現(xiàn)象，即在次級(jí)線圈上不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)磁性元件在測(cè)量方向上受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)即出現(xiàn)磁耦現(xiàn)象。在次級(jí)線圈上產(chǎn)生與機(jī)械力成正比的感應(yīng)交流電壓信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理，輸出一個(gè)與機(jī)械力大小成正比的張力信號(hào)。 圖3-3 張力傳感器的測(cè)量原理和工作原理 a)張力分析 b)不受力時(shí)的張力傳

11、感器 c) 不受力時(shí)的張力傳感器 (2)壓敏電阻 該傳感器安裝于軸承和機(jī)架之間，記錄水平方向的卷筒張力，采用相應(yīng)的放大器來(lái)進(jìn)行全橋電壓供給和測(cè)量信號(hào)的處理。放大器輸出端的信號(hào)和徑向作用力成比例，可用于數(shù)字顯示或作為閉環(huán)回路的瞬時(shí)值。 如美國(guó)蒙特福T系列就屬于壓敏電阻型。 (3)板簧式微位移張力傳感器 承座式優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。缺點(diǎn)是不能吸收張力的峰值，機(jī)械的加減速難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。因此，當(dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí)，系統(tǒng)瞬間來(lái)不及作出反應(yīng)，料帶上張力變化的幅度值會(huì)較大，對(duì)張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。 如日本三菱LX-TD型屬于板簧式微位移

12、張力傳感器。 2、浮輥式張力檢測(cè)方式 它是一種間接的張力檢測(cè)方式，實(shí)質(zhì)上是一種位置控制，當(dāng)張力穩(wěn)定時(shí)，料帶上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮輥處于中央位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮輥位置會(huì)上升或下降，此時(shí)擺桿將繞M點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)浮輥電位器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，浮輥電位器準(zhǔn)確地檢測(cè)出浮輥位置的變化，它將以位置信號(hào)反饋給張力控制器，控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算并輸出控制信號(hào)，控制伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。然后浮輥恢復(fù)到原來(lái)的平衡位置。 由于浮輥式張力檢測(cè)裝置本身是一種儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，利用其自身的沉余作用，對(duì)大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時(shí)也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對(duì)張力的影響。此系

13、統(tǒng)要求氣缸磨擦系數(shù)小，響應(yīng)速度快，氣源穩(wěn)定。浮輥和擺桿的重量要輕，轉(zhuǎn)動(dòng)要靈活。 常用的浮輥電位器如Honeywell公司的WPM（如圖3-4所示），它的總機(jī)械行程為連續(xù)角度，理論電氣行程340度353度不等，線性度0.75%。由于采取隔離滾珠軸承，即使在側(cè)面加載也能保證長(zhǎng)壽命，并能抵抗惡劣環(huán)境。 圖3-4 WPM系列浮輥式電位器 三、變頻張力控制 1、張力控制原理 以造紙機(jī)的張力控制為例，在圖3-5a的張力控制示意圖中，傳動(dòng)電機(jī)M的張力實(shí)際值是位于它前面的張力傳感器的實(shí)際值。通過(guò)檢測(cè)該處的張力情況，來(lái)控制傳動(dòng)電機(jī)M的速度，從而形成一個(gè)張力閉環(huán)。電機(jī)M的速度加快，則紙幅拉緊，張力的實(shí)際值就會(huì)上升

14、；相反，速度降低，則紙幅松垂，張力的實(shí)際值就下降。 圖3-5 張力控制示意圖 a)造紙機(jī)張力控制 b)張力控制原理 在這里，紙幅張力的設(shè)定值為T(mén)設(shè)定，實(shí)際值為T(mén)實(shí)際，經(jīng)過(guò)張力控制器(T-控制)的PID調(diào)節(jié)器后，再乘以3的偏移量，做為該傳動(dòng)點(diǎn)速度設(shè)定值的一個(gè)組成部分。原來(lái)傳動(dòng)的速度設(shè)定值(V設(shè)定)加上該組成部分，就是速度環(huán)(V-控制)的輸入值，然后即可進(jìn)行速度控制。在這里設(shè)置3偏移量的目的就是通過(guò)傳動(dòng)速度的改變而使張力得到有效的控制。 在圖3-5b的張力控制原理中，T-控制就是張力控制模塊的實(shí)現(xiàn)，包括自動(dòng)和手動(dòng)方式兩種來(lái)進(jìn)行。張力控制模塊投運(yùn)前需先檢測(cè)判定現(xiàn)在的張力實(shí)際值是否在可投運(yùn)的范圍之內(nèi)，

15、否則就不能投運(yùn)，此時(shí)按手動(dòng)投運(yùn)按鈕或自動(dòng)投運(yùn)信號(hào)為“1”時(shí)，即進(jìn)入張力控制模塊的循環(huán)中。張力PID模塊的退出，它的條件為相關(guān)部位檢測(cè)到斷紙信號(hào)或按手動(dòng)退出按鈕。 2、張力控制軟件流程 這里以某一點(diǎn)的張力控制為例，采用高級(jí)語(yǔ)言編程進(jìn)行張力軟件的設(shè)計(jì)，其示意如圖3-6所示。 （1）讀取張力設(shè)定值 張力設(shè)定值的輸入可從工藝控制臺(tái)上進(jìn)行，并可通過(guò)脈沖開(kāi)關(guān)的動(dòng)作對(duì)設(shè)定值微調(diào)，以符合實(shí)際紙幅穩(wěn)定運(yùn)行的需要。 （2）讀取張力實(shí)際值 張力實(shí)際值的產(chǎn)生是從PLC的模擬量板中獲取的，調(diào)用相應(yīng)的功能塊程序。本過(guò)程讀取張力的模擬量值后，在輸出端得到標(biāo)準(zhǔn)化的量值，并可通過(guò)“高限”和“低限”參數(shù)來(lái)設(shè)置量程。從模擬量輸入板

16、讀出的模擬量值首先是變換為右邊對(duì)齊的定點(diǎn)數(shù)（以標(biāo)稱范圍為基礎(chǔ)）。 （3）張力控制投入判斷 張力控制是否投入取決于工藝的需要和紙幅是否已經(jīng)上卷、紙幅是否斷裂，在其它邏輯塊中進(jìn)行手動(dòng)按鈕投入或自動(dòng)信號(hào)投入的設(shè)定，以及自動(dòng)退出。因此這里需要判斷張力控制是否投入，如已投入，則進(jìn)入張力PID控制模塊，否則就只是顯示數(shù)值和信息，不進(jìn)行控制。 （4）張力PID控制模塊 張力PID控制模塊可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的功能塊，以執(zhí)行閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID算法是在特殊的時(shí)間采樣分隔下調(diào)用的，并產(chǎn)生操作變量，采樣間隔時(shí)間越短觀察得越精確，控制器完成任務(wù)就越精密。因此，在接口數(shù)據(jù)塊中指定的控制參數(shù)必須適應(yīng)于采樣周期。 （5）顯示張力

17、設(shè)定實(shí)際值 負(fù)責(zé)將張力的設(shè)定值和實(shí)際值顯示在工藝控制臺(tái)上。 （6）分析效果信息提示 在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)張力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析并提示信息：（A）斷紙狀態(tài)時(shí)，如果檢測(cè)到某點(diǎn)的張力實(shí)際值與基準(zhǔn)零點(diǎn)的偏差值過(guò)高則顯示“張力零點(diǎn)偏移”，出現(xiàn)該情況的可能有張力傳感器檢測(cè)故障、張力信號(hào)放大器零位漂移、軸承支座卡死等；（B）正常出紙時(shí)，張力瞬時(shí)實(shí)際值超過(guò)設(shè)定值過(guò)高，達(dá)到設(shè)定值的2倍以上時(shí)，此時(shí)提示“張力實(shí)際值HH”，出現(xiàn)該情況將預(yù)示該處紙幅緊度過(guò)高將引起斷紙；（C）正常出紙時(shí)，張力控制器的輸出值振幅過(guò)寬，此時(shí)提示“張力控制輸出值HH”，出現(xiàn)該情況表明紙幅縱向波動(dòng)大，需對(duì)多點(diǎn)的速度值進(jìn)行調(diào)整。 圖3-

18、6 張力控制軟件流程圖 在某紙廠的多點(diǎn)紙幅張力控制中，我們選取了其中的一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試（如圖3-7）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為張力實(shí)際值的百分比。以斷紙時(shí)間開(kāi)始（0S），一直處于紙幅斷裂狀態(tài)，則張力實(shí)際值一直為“0”；從44S開(kāi)始進(jìn)行引紙，隨著紙幅從半幅到全幅，張力實(shí)際值也逐漸快速上升并呈不規(guī)則波動(dòng)；在98S時(shí)，進(jìn)行張力控制模塊的投運(yùn)，因?yàn)槭荘ID控制，先出現(xiàn)明顯的超調(diào)和震蕩，然后超調(diào)量減少，最后張力的實(shí)際輸出值慢慢接近設(shè)定值（67%）。當(dāng)然，選取合適的參數(shù)值甚至再增加合適的回路，將會(huì)進(jìn)一步減少超調(diào)量和震蕩周期，使紙幅的張力值穩(wěn)定在允許的范圍之內(nèi)。 圖3-7 張力控制效果 四、MM440變頻器的張力

19、PID控制方式 除了上述所講的專(zhuān)用控制控制器，在MM440變頻器中還可以直接利用PID控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)張力收卷與放卷。圖3-8所示為張力PID控制原理圖。 圖3-8 張力PID控制原理 在這里，張力信號(hào)通過(guò)浮輥電位器的變化輸入到MM440的AI1，作為PID控制器的反饋，PID的給定值在內(nèi)部參數(shù)P2889或P2990按百分比給出。根據(jù)MM440的PID控制功能，采用一個(gè)外部點(diǎn)控制SB2（自鎖按鈕）控制PID的投入和退出，以滿足手動(dòng)和自動(dòng)的切換。 圖3-9所示為浮輥動(dòng)作原理。當(dāng)浮輥位置變化量在一定范圍內(nèi)，頻率不發(fā)生變化；當(dāng)浮輥下降時(shí)，則表示收卷速度有點(diǎn)慢，則應(yīng)該增加頻率（即F）；當(dāng)浮輥上升時(shí)，則表

20、示收卷速度太塊，則應(yīng)該降低頻率（即-F）。 圖3-9 浮輥動(dòng)作原理 【任務(wù)訓(xùn)練3-1：MM440復(fù)卷機(jī)收卷張力控制的調(diào)試】 A、按圖3-8進(jìn)行電氣接線（選擇合適的電位器信號(hào)） B、變頻器上電，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置 P701=99（DI1使能BICO，將作為啟動(dòng)信號(hào)）； P703=99（DI3使能BICO，將作為PID切換信號(hào)）； P757=0（AI1的X1）； P758=-100%（AI1的Y1）； P759=10（AI1的X2）； P760=100%（AI1的Y2）； P840=722.0（使用DI1作為啟動(dòng)信號(hào)）； P2200=722.2（使用DI3來(lái)切換手動(dòng)和PID自動(dòng)）； P2253=288

21、9（PID給定值來(lái)源于P2889）； P2264=755.0（PID反饋值來(lái)源于AI1）； P2267=100%（反饋值的上限）； P2268=-100%（反饋值的下限）； P2280=0.3（需要調(diào)試的PID參數(shù)：比例增益系數(shù)）； P2285=0.9（需要調(diào)試的PID參數(shù)：積分時(shí)間）； P2889=0%（浮輥電位器的平衡點(diǎn)，即中間位置）； P2291=100%（PID上限幅）； P2292=-100%（PID下限幅）； C、帶負(fù)載運(yùn)行，并適時(shí)調(diào)節(jié)PID參數(shù)值，直至浮輥處于平衡位置。 子課題2 2：計(jì)長(zhǎng)控制 一、復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)控制的原理 1 1、控制原理 圖3-10所示為復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)控制的原理，在某

22、帶材中如果要實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)復(fù)卷，則可以在主傳動(dòng)后的計(jì)長(zhǎng)輥處安裝一個(gè)高速編碼器EC，并接入計(jì)數(shù)器端口，通過(guò)PLC的數(shù)據(jù)設(shè)定，一旦PLC接收到啟動(dòng)命令（數(shù)字量輸入信號(hào)），PLC通過(guò)數(shù)字量輸出，控制送進(jìn)輥電機(jī)的高速運(yùn)行，此時(shí)計(jì)數(shù)器指令開(kāi)始工作，并將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度信號(hào)，當(dāng)長(zhǎng)度快接近到設(shè)定值時(shí)，PLC輸出低速指令，以保證計(jì)數(shù)精確，在長(zhǎng)度達(dá)到時(shí)，送進(jìn)輥電機(jī)停止并使制動(dòng)器工作。圖3-10 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)控制原理 2 2、編碼器概述 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置，前者稱為碼盤(pán)，后者稱為碼尺，如圖3-11所示為編碼器外觀。圖3-11 編碼器外觀 編碼器有以下分類(lèi)方式： （1）按照讀出方式編碼器可以

23、分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”。 （2）按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。 絕對(duì)式編碼器可以分單圈絕對(duì)式編碼器到多圈絕對(duì)式編碼器。旋轉(zhuǎn)單圈絕對(duì)式編碼器，以轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光碼盤(pán)各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)

24、轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360度時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，這樣就不符合絕對(duì)編碼唯一的原則，這樣的編碼器只能用于旋轉(zhuǎn)范圍360度以內(nèi)的測(cè)量，稱為單圈絕對(duì)式編碼器。如果要測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360度范圍，就要用到多圈絕對(duì)式編碼器。 3 3、編碼器的安裝 型旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝有高速端安裝、低速端安裝、輔助機(jī)械裝置安裝等多種形式。 高速端安裝：安裝于傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸端（或齒輪連接），此方法優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，由于多圈編碼器有圈甚至更多，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在此量程范圍內(nèi)，可充分用足量程而提高分辨率，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)減速齒輪后，來(lái)回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向高精度控制定位。編碼器直接安裝于高速端，傳動(dòng)抖動(dòng)須較小，不然易損壞編多圈編碼器有圈甚至更多，

25、轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在此量程范圍內(nèi)，可充分用足量程而提高分辨率，缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)物體通過(guò)減速齒輪后，來(lái)回程有齒輪間隙誤差，一般用于單向高精度控制定位。編碼器直接安裝于高速端，傳動(dòng)抖動(dòng)須較小，不然易損壞編碼器。 低速端安裝：安裝于減速齒輪后，如卷?yè)P(yáng)鋼絲繩卷筒的軸端或最后一節(jié)減速齒輪軸端，此方法已無(wú)齒輪來(lái)回程間隙，測(cè)量較直接，精度較高，此方法一般測(cè)量長(zhǎng)距離定位。 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)輥的編碼器安裝方式可以采用低速端，如圖3-12所示。圖3-12 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)輥編碼器的安裝 二、脈沖量輸入和高速計(jì)數(shù)器 在復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)控制中，輸入的是一些高速脈沖信號(hào)，如編碼器信號(hào)，這時(shí)候PLC可以使用高速計(jì)數(shù)器功能對(duì)這些特定的脈沖量進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，來(lái)

26、最終獲取所需要的工藝數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、角度、位移等）。從硬件角度來(lái)講，小型PLC都會(huì)內(nèi)置一些端口用于高速脈沖輸入，其結(jié)構(gòu)與普通的數(shù)字量不同。從軟件角度來(lái)講，小型PLC都會(huì)采用特殊的高速計(jì)數(shù)器指令，來(lái)進(jìn)行中斷處理 高速計(jì)數(shù)器的模式一般有以下四種： 1 1、1 1相運(yùn)行模式 1相運(yùn)行模式即在輸入脈沖的上升沿時(shí)現(xiàn)在值加1，如圖3-13所示。圖3-13 1相運(yùn)行模式 2 2、1 1相脈沖 + + 方向模式 在B相在低電平時(shí)，在A-相脈沖的上升沿時(shí)當(dāng)前值加1。在A相在高電平時(shí)，在A-相脈沖的上升沿時(shí)當(dāng)前值加1，如圖3-14所示。圖3-14 1相脈沖 + 方向模式 3 3、2 2相CW/CCW CW/CCW 模

27、式 當(dāng)B相在低電平時(shí)，在A相輸入脈沖的上升沿時(shí)當(dāng)前值加1。當(dāng)A相在低電平時(shí)，在B相輸入脈沖的上升沿時(shí)當(dāng)前值加1，如圖3-15所示。圖3-15 2相CW/CCW 模式 4 4、2 2相乘法模式 ( (乘4)4) Up 或Down通過(guò)A和B相的不同自動(dòng)設(shè)定，如圖3-16所示。 Up 計(jì)數(shù)器 -當(dāng)B相低電平時(shí)，在A相脈沖輸入的上升沿動(dòng)作。 -當(dāng)B相高電平時(shí)，在A相脈沖輸入的下降沿動(dòng)作。 -當(dāng)A相高電平時(shí)，在B相脈沖輸入的上升沿動(dòng)作。 -當(dāng)A相低電平時(shí)，在B相脈沖輸入的下降沿動(dòng)作。 Down 計(jì)數(shù)器 -當(dāng)B相高電平時(shí)，在A相脈沖輸入的上升沿動(dòng)作。 -當(dāng)B相低電平時(shí)，在A相脈沖輸入的下降沿動(dòng)作。 -當(dāng)A

28、相低電平時(shí)，在B相脈沖輸入的上升沿動(dòng)作。 -當(dāng)A相高電平時(shí)，在B相脈沖輸入的下降沿動(dòng)作。圖3-16 2相乘法模式 (乘4) 四、西門(mén)子S7-200S7-200的脈沖量輸入 1 1、高速計(jì)數(shù)器 一般來(lái)說(shuō)，高速計(jì)數(shù)器被用作驅(qū)動(dòng)鼓式計(jì)時(shí)器，該設(shè)備有一個(gè)安裝了增量軸式編碼器的軸，以恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸式編碼器每圈提供一個(gè)確定的計(jì)數(shù)值和一個(gè)復(fù)位脈沖。這時(shí)，來(lái)自軸式編碼器的時(shí)鐘和復(fù)位脈沖作為高速計(jì)數(shù)器的輸入。 在S7-200中，可以使用高速計(jì)數(shù)器定義指令來(lái)定義計(jì)數(shù)器的模式和輸入，表3-1給出了與高速計(jì)數(shù)器想關(guān)的時(shí)鐘、方向控制、復(fù)位和啟動(dòng)輸入點(diǎn)。同一個(gè)輸入點(diǎn)不能用于兩個(gè)不同的功能，但是任何一個(gè)沒(méi)有被高速計(jì)數(shù)器

29、的當(dāng)前模式使用的輸入點(diǎn)，都可以被用作其他用途。 表3-1 高速計(jì)數(shù)器的輸入點(diǎn)和模式 在理解高速計(jì)數(shù)器的詳細(xì)時(shí)序時(shí)，還必須注意復(fù)位和啟動(dòng)的操作。圖3-17中所示的復(fù)位和啟動(dòng)操作適用于使用復(fù)位和啟動(dòng)輸入的所有模式，且都被編程為高電平有效。圖3-17 帶有或者不帶有啟動(dòng)輸入的復(fù)位操作 在訪問(wèn)高速計(jì)數(shù)器時(shí)，需要指定其地址，同時(shí)使用存儲(chǔ)器類(lèi)型HC和計(jì)數(shù)器號(hào)（例如HC0）。在S7-200中，高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值是只讀值特性，以雙字32位來(lái)分配，如圖3-18所示。 圖3-18 高速計(jì)數(shù)器的雙字分配 2 2、使用HSCHSC向?qū)?在S7-200編程環(huán)境中，選擇菜單命令工具（T） 指令向?qū)SC；或點(diǎn)擊瀏覽條中的

30、指令向?qū)D標(biāo) ，然后選擇 HSC；或打開(kāi)指令樹(shù)中的“向?qū)А蔽募A并隨后打開(kāi)HSC向?qū)А?使用HSC向?qū)У牟襟E為：選擇計(jì)數(shù)器類(lèi)型和操作模式；指定初始參數(shù)； 程序中斷事件多步操作；生成代碼 。 步驟 1：選擇計(jì)數(shù)器類(lèi)型和操作模式 從列表框（根據(jù) PLC）選擇須配置的計(jì)數(shù)器。 從列表框選擇操作模式，根據(jù)選擇的計(jì)數(shù)器決定它可用的模式。 步驟 2：指定初始參數(shù) 初始化參數(shù)包括：向?qū)樽映绦蛑付ㄒ粋€(gè)默認(rèn)名稱，用戶也可以指定一個(gè)不同的名稱，但請(qǐng)勿使用現(xiàn)有子程序名稱；為計(jì)數(shù)器 CV 和 PV 指定一個(gè)雙字地址、全局符號(hào)或整數(shù)常數(shù)；指定初始計(jì)數(shù)方向。 步驟 3 ：程序中斷事件編程多步操作 計(jì)數(shù)器類(lèi)型和操作模式選

31、擇決定可用的中斷事件。當(dāng)用戶選擇對(duì)當(dāng)前數(shù)值等于預(yù)置值事件（CV = PV）進(jìn)行編程時(shí)，向?qū)г试S指定多步計(jì)數(shù)器操作。 圖3-19說(shuō)明了一個(gè)簡(jiǎn)化的、三個(gè)步驟的 HSC 應(yīng)用。圖3-19 HSC向?qū)e例 SBR 0：該子程序包含計(jì)數(shù)器初始化。計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值被指定為 0（CV = 0）。計(jì)數(shù)器的預(yù)置值被指定為 1000（PV = 1000）。計(jì)數(shù)方向?yàn)?UP（向上）。事件 12（HSC0 CV = PV）被連接至 INT 0，計(jì)數(shù)器被啟動(dòng)。 INT 0：當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到第一個(gè)預(yù)置值 1000時(shí)，執(zhí)行 INT 0。計(jì)數(shù)器預(yù)置值被更改為 1500，方向不變。事件 12（HSC0 CV = PV）被重新連接至

32、INT1，計(jì)數(shù)器被重新啟動(dòng)。 INT 1：計(jì)數(shù)器再次達(dá)到預(yù)置值（1500）時(shí)，執(zhí)行 INT 1。此時(shí)，我們將預(yù)置值更改成 1000（PV = 1000），將計(jì)數(shù)方向更改為 DOWN（減），將 INT 1 連接至事件 12（HSC0 CV = PV），并重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。 INT 2：當(dāng)計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)至預(yù)置值 1000 時(shí)，執(zhí)行 INT 2。此時(shí)，我們將當(dāng)前值設(shè)為 0（CV = 0），并將計(jì)數(shù)方向更改為 UP（增）。事件 12 被重新連接至INT 0，至此則完成了計(jì)數(shù)器操作的循環(huán)。 圖3-20顯示計(jì)數(shù)器當(dāng)前值隨時(shí)間的變化。每個(gè)（CV = PV）中斷事件均標(biāo)有該事件調(diào)用的 INT 程序。 圖3-20

33、 計(jì)數(shù)器當(dāng)前值隨時(shí)間的變化步驟 4 ：生成代碼 完成 HSC 參數(shù)配置后，可以檢查計(jì)數(shù)器使用的子程序中斷程序列表。在點(diǎn)擊“完成”按鈕后，允許向?qū)?HSC 生成必要的程序代碼。代碼包括用于高速計(jì)數(shù)器初始化的子程序。另外，為您選擇編程的每一個(gè)事件生成一個(gè)中斷程序。對(duì)于多步應(yīng)用，則為每一個(gè)步生成一個(gè)中斷程序。 當(dāng)然要使能計(jì)數(shù)器操作，必須從主程序中調(diào)用包含初始化代碼的子程序，如使用 SM0.1 或沿觸發(fā)指令確保該子程序僅被調(diào)用一次。3 3、HSCHSC指令 高速計(jì)數(shù)器HSC指令（如圖3-21）根據(jù)HSC特殊內(nèi)存位的狀態(tài)配置和控制高速計(jì)數(shù)器。參數(shù)N指定高速計(jì)數(shù)器的號(hào)碼。高速計(jì)數(shù)器最多可配置為十二種不同

34、的操作模式。每個(gè)計(jì)數(shù)器在功能受支持的位置有專(zhuān)用時(shí)鐘、方向控制、復(fù)原和起始輸入。圖3-21 HSC指令 對(duì)于雙相計(jì)數(shù)器，兩個(gè)時(shí)鐘均可按最高速度運(yùn)行。在正交模式中，可以選擇一倍（1x）或四倍（4x）的最高計(jì)數(shù)速率。所有的計(jì)數(shù)器按最高速率運(yùn)行，而不會(huì)相互干擾。其中CPU 221和CPU 222支持4臺(tái)高速計(jì)數(shù)器 (HSC0、HSC3、HSC4、HSC5)；CPU 221和CPU 222不支持HSC1和HSC2；CPU 224、CPU224XP、CPU 226支持6個(gè)高速計(jì)數(shù)器 (HSC0至HSC5)?！救蝿?wù)訓(xùn)練3-2：復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)程序控制】 A、電氣接線如圖3-22所示圖3-22 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)電氣接線該

35、接線方式為PNP，如果編碼器信號(hào)為NPN可以參考本書(shū)相關(guān)章節(jié)。 B、程序編制 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)程序分為主程序、子程序和中斷程序。本程序設(shè)置一個(gè)兩相正交4x高速計(jì)數(shù)器，通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速計(jì)數(shù)器的設(shè)置（允許計(jì)數(shù)、更新當(dāng)前值、更新預(yù)置值、更新計(jì)數(shù)方向?yàn)榧佑?jì)數(shù)、正交計(jì)數(shù)設(shè)置為4x、定義HSC1的工作模式為11等），通過(guò)中斷程序改寫(xiě)高速計(jì)數(shù)器的值。程序中SMD52為用戶預(yù)置計(jì)數(shù)值15000，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改。主程序負(fù)責(zé)上電初始化，調(diào)用初始化子程序（如圖3-23所示）。圖3-23 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)主程序子程序如圖3-24所示。 圖3-24 復(fù)卷機(jī)計(jì)長(zhǎng)子程序 中斷程序如圖3-25所示。 圖3-25 復(fù)卷機(jī)

36、計(jì)長(zhǎng)中斷程序 子課題3 3：卷徑檢測(cè)與PLCPLC模擬量控制 一、復(fù)卷機(jī)的卷徑檢測(cè) 1 1、目前卷徑檢測(cè)原理及不足 在復(fù)卷機(jī)的電氣控制中，卷徑計(jì)算是控制中重要的一環(huán)。目前，帶材卷徑的測(cè)量大都為間接方式，即通過(guò)測(cè)量帶材線速度與卷筒轉(zhuǎn)速來(lái)推算出卷徑： (1) 式中V為卷取(開(kāi)卷)側(cè)帶材線速度，m/s；i為卷?。ㄩ_(kāi)卷）機(jī)械齒輪箱傳動(dòng)比；n為卷?。ㄩ_(kāi)卷）電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。 測(cè)量帶材線速度的方法有兩種，一是直接測(cè)量法，如激光測(cè)量法，基于經(jīng)濟(jì)條件和使用環(huán)境限制，目前還很少使用；二是間接測(cè)量法，也就是當(dāng)前經(jīng)常使用的在偏導(dǎo)輥上安裝一個(gè)同軸轉(zhuǎn)速傳感器，通過(guò)測(cè)量偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速求出帶材線速度的方法，其計(jì)算公式為

37、： (2) 式中nP為偏導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速，r/min；DP為偏導(dǎo)輥的直徑，m。 正常情況時(shí)，用式(1)計(jì)算出的卷徑是準(zhǔn)確的。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往出現(xiàn)下列幾種情況，如按上述方法計(jì)算卷徑，則存在著一定的缺陷和困難。 (1)偏導(dǎo)輥打滑 由于帶材加工工藝的不同，材料厚度變化會(huì)比較大，因此張力的變化也很大，在某些條件下，特別是帶材較薄或加、減速時(shí)，偏導(dǎo)輥會(huì)產(chǎn)生不同程度的打滑現(xiàn)象，從而使線速度的測(cè)量值不準(zhǔn)確。這會(huì)造成卷徑計(jì)算值出現(xiàn)偏差，與實(shí)際卷徑不符，輕則引起張力波動(dòng)，影響帶材質(zhì)量，重則導(dǎo)致斷帶。 (2)偏導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速傳感器安裝困難 在某些帶材最小可到0.007mm時(shí)，其張力較小，偏導(dǎo)輥和帶材之間的摩擦力也較小

38、。為盡量減少打滑，減小偏導(dǎo)棍自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是有效的方法之一。所以，偏導(dǎo)棍一般都是空心的。另外，在一個(gè)空心的偏導(dǎo)棍上安裝同軸的轉(zhuǎn)速傳感器非常困難。 (3)初始卷徑需人工置入 在復(fù)卷機(jī)操作工藝中，帶材的初始卷徑需要置入控制系統(tǒng)，目前大都為人工置入。這需要認(rèn)真置入，不僅繁瑣而且經(jīng)常忘記或置錯(cuò)，這都將影響整個(gè)工藝流程的控制。 2 2、超聲波測(cè)量的基本原理 超聲波傳感器包括三個(gè)部分：超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)，如圖3-26所示。 首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)（相當(dāng)于一個(gè)麥克風(fēng)），處理單元對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號(hào)是不是

39、所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程，除以2，即為反射超聲波的物體距離。 圖3-26 超聲波測(cè)量的基本原理圖 把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對(duì)準(zhǔn)鋁卷卷徑變化方向發(fā)射超聲波，就可測(cè)量帶卷表面與傳感器的距離，經(jīng)過(guò)處理可得到帶卷的直徑。 超聲波檢測(cè)中，環(huán)境是否會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，通過(guò)以下可以說(shuō)明： (1)空氣溫度的影響 聲波行程時(shí)間受氣溫的影響程度為0.17%/K。也就是說(shuō)40時(shí)的聲速相對(duì)于20時(shí)改變了+3.4%，因此測(cè)量距離也會(huì)改變約+3.4%。但如果選用的超聲波傳感器中有溫度補(bǔ)償功能，此影響可忽略不計(jì)。 (2)空氣濕度的影響 從干燥的空氣到飽和濕度的空氣中

40、，聲速最多增加2%。因此測(cè)量距離改變最大也只有2%。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中，空氣濕度變化不會(huì)如此大，此影響一般小于1%。 (3)空氣壓力的影響 在一固定地點(diǎn)，正常情況下的氣壓波動(dòng)為5%，會(huì)造成聲速波動(dòng)約0.6%。 (4)氣流影響 當(dāng)風(fēng)速大于50km/h時(shí)，聲波速度及方向的改變會(huì)大于3%。在現(xiàn)場(chǎng)使用中，只有靠近帶材表面的幾厘米的氣流有可能大于20km/h，且垂直于測(cè)量方向，故對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略。 (5)油霧的影響 只要防止油霧沉降在超聲換能器的有效表面上，就可避免它的影響。 3 3、測(cè)量開(kāi)卷側(cè)卷徑 目前復(fù)卷機(jī)卷材的卷徑變化范圍一般比較大，比如為0.5m1.7m，由于超聲波測(cè)量的是帶材卷筒的半徑，所以超聲

41、波傳感器的工作范圍應(yīng)滿足大于為(1.7-0.5)/2=0.6m。再考慮到安裝位置和安全距離以及傳感器的盲區(qū)，超聲波傳感器到卷軸表面的距離一般應(yīng)大于1.5m，故其測(cè)量距離應(yīng)大于1.5m。以德國(guó)P+F公司的傳感器（具體型號(hào)為UC2000-30GM-IU-V1）為例，其主要參數(shù)見(jiàn)表3-2。 表3-2 超聲波傳感器的主要參數(shù) 測(cè)量開(kāi)卷卷徑的超聲波傳感器安裝在開(kāi)卷機(jī)地溝的外側(cè)，既便于安裝調(diào)試，又容易測(cè)量，如圖3-27所示。圖3-27 超聲波傳感器安裝位置示意圖 選擇傳感器的輸出為電壓輸出，可以直接連到PLC上。整定傳感器的輸出，當(dāng)最大卷徑（1.70m）時(shí)電壓為10V，當(dāng)最小卷徑（0.54m）時(shí)電壓為0V

42、。這樣當(dāng)輸出電壓為U時(shí)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知當(dāng)前卷徑D。（3） 二、PLCPLC模擬量控制 1、模擬量輸入 模擬量值是一個(gè)連續(xù)變化值象電壓，電流，溫度，速度，壓力，流量等等。例如，壓力是隨著時(shí)間的變化而變化的。因?yàn)檫@個(gè)壓力值不是直接作為PLC的輸入，而是必須通過(guò)變換器把同壓力值相對(duì)應(yīng)的電壓值（V）或電流值（mA）輸入到PLC中，如圖3-28所示。 圖3-28 模擬量與數(shù)字量 PLC的模擬量輸入包括信號(hào)為010VDC、020mA或者420mA三種，對(duì)于不同的輸入，尤其是電流輸入和電壓輸入，都應(yīng)該設(shè)置硬跳線（撥碼開(kāi)關(guān)）或者軟跳線（參數(shù)設(shè)定）。PLC的模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為PLC可

43、以認(rèn)識(shí)的數(shù)字量信號(hào)。 圖3-29所示為模擬量輸入電壓的轉(zhuǎn)換實(shí)例，每一種PLC輸入10V都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大數(shù)值，有些PLC是固定的，如S7200固定為32000，有些則是可以設(shè)置的，如艾默生的EC20等。這里以最大值4000為例，即輸入10V對(duì)應(yīng)數(shù)值4000，則其輸入特性的曲線為y=400 x（y代表數(shù)字輸出值，x代表模擬量輸入電壓）。輸入2.5mV等同數(shù)字值1， 小于2.5mV的值不能轉(zhuǎn)換。 圖3-29 模擬量輸入電壓的轉(zhuǎn)換實(shí)例 2、模擬量輸出 PLC的模擬量輸出包括信號(hào)為010VDC、020mA或者420mA等幾種，從PLC到最終輸出的流程如圖3-30所示。 圖3-30 模擬量輸出流程圖 用軟

44、件實(shí)現(xiàn)的工程化反變換如圖3-31所示。 圖3-31 工程化反變換 三、西門(mén)子模擬量輸入輸出模塊 1、EM231模擬量輸入模塊 圖3-32為EM231模擬量輸入接線示意。 圖3-32 EM231模擬量輸入接線示意 A、輸入校準(zhǔn) 校準(zhǔn)調(diào)節(jié)影響模擬量多路轉(zhuǎn)換器運(yùn)算的放大器，因此校準(zhǔn)影響到所有的同一個(gè)模塊的輸入通道。即使在校準(zhǔn)以后，如果模擬量多路轉(zhuǎn)換器之前的輸入電路的部件值發(fā)生變化，那么，從不同通道讀入同一個(gè)輸入信號(hào)，其信號(hào)值也會(huì)有微小的不同。 為了達(dá)到產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)，應(yīng)啟動(dòng)用于模塊所有輸入的模擬輸入濾波器，計(jì)算平均值時(shí)，選擇64次或更多的采樣次數(shù)。 校準(zhǔn)輸入時(shí)，其步驟如下： （1）切斷模塊電源，

45、選擇需要的輸入范圍； （2）接通CPU和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘； （3）用一個(gè)傳感器，一個(gè)電壓源或一個(gè)電流源，將零值信號(hào)加到一個(gè)輸入端； （4）在CPU的程序中讀出測(cè)量值； （5）調(diào)節(jié)偏置電位器，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值； （6）將一個(gè)滿刻度值信號(hào)10VDC或10mA信號(hào)接到輸入端子中的一個(gè)，讀出CPU中的數(shù)值；（7）調(diào)節(jié)增益電位器，直到讀數(shù)為32000，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值； （8）必要時(shí)，重復(fù)偏置和增益校正過(guò)程。 注意，EM231模塊只有增益電位器，因此可以略去偏置調(diào)節(jié)部分。 B、配置組態(tài) EM231模塊的輸入需要通過(guò)配置開(kāi)關(guān)進(jìn)行單極性或雙極性組態(tài)，如表3-3所示。 表3-

46、3 EM231模塊組態(tài)配置 C、輸入數(shù)據(jù)字格式 模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換器稱為ADC，其為12位讀數(shù)，數(shù)據(jù)格式是左端對(duì)齊的。最高有效位是符號(hào)位，0表示是正值數(shù)據(jù)字，對(duì)單極性格式，3個(gè)連續(xù)的“0”使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化一個(gè)單位則數(shù)據(jù)字的變化是以8為單位變化的。對(duì)雙極性格式，4個(gè)連續(xù)的“0”使得ADC計(jì)數(shù)數(shù)值每變化一個(gè)單位，則數(shù)據(jù)字的變化是以16為單位變化的。 2、EM232模擬量輸出模塊 S7-200 PLC的模擬量輸出模塊EM232，有2個(gè)輸出，接線方式如圖3-33所示。 圖3-33 EM232輸出接線示意 數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器成為DAC，分電流和電壓兩種輸出格式，電流為11位讀數(shù)，電壓為12位

47、讀數(shù)。 3、模擬量輸入濾波功能 S7-200 PLC允許對(duì)每一路模擬量輸入選擇軟件濾波功能，濾波值是多個(gè)模擬量輸入采樣值的平均值，濾波器參數(shù)（如采樣次數(shù)和死區(qū)）對(duì)于允許濾波的所有模擬量輸入是相同的。 步驟如下：（1）通過(guò)菜單命令選中輸入濾波器，點(diǎn)擊模擬量標(biāo)簽；（2）選擇需要濾波的模擬量輸入、采樣個(gè)數(shù)和死區(qū)；（3）確認(rèn)后，將改變后的系統(tǒng)塊下載到PLC中。 S7-200模擬量輸入濾波設(shè)置過(guò)程如圖3-34所示。 圖3-34 S7-200模擬量輸入濾波設(shè)置 4、模擬量輸出保持功能 S7-200 PLC允許在運(yùn)行模式進(jìn)入停止模式后，將固定值傳送至模擬量輸出點(diǎn)，這就是模擬量輸出保持功能。具體設(shè)置如圖3-3

48、5所示。 圖3-35 S7-200模擬量輸出保持設(shè)置 四、變頻器模擬量輸入輸出端子 1、模擬量輸入端子 從變頻器的頻率給定方式可以知道模擬量給定是一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的方式，如電位器給定或PLC、DCS模擬信號(hào)等；而在矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制中，它還可以用作限轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩控制的給定信號(hào)。 常見(jiàn)的模擬量輸入信號(hào)為電流和電壓信號(hào)，其類(lèi)型與模擬量輸出的信號(hào)相同。一般對(duì)于模擬量輸入端子的規(guī)格是這樣定義的：輸入電壓范圍為010V時(shí)，輸入阻抗為100k；輸入電流范圍為0（4）20 mA時(shí)，輸入阻抗為500；分辨率為1/2000。 模擬量輸入的接線相對(duì)簡(jiǎn)單，不再贅述。需注意的地方有： （1）模擬量輸入信號(hào)容易受外部干

49、擾，配線時(shí)必須使用屏蔽線，并良好接地，配線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。 （2）使用模擬輸入時(shí)，可在輸入端子和模擬地之間安裝濾波電容或共模電感。 （3）有些模擬量輸入端子，既可以接受電流信號(hào)，也可以接受電壓，因此必須在硬件跳線或撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)也在相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行電壓或電流信號(hào)型號(hào)選擇。 模擬量輸入信號(hào)一般都能進(jìn)行濾波，在特殊情況下還能進(jìn)行取反操作，并可調(diào)整最大、最小值。不同的變頻器對(duì)模擬量輸入信號(hào)值都有一個(gè)刷新周期，如ABBACS800變頻器為6ms。 2、模擬量輸出端子 變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，如果需要知道變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率，一般情況下只需在變頻器的模擬量輸出端子接上直流表就可以了。早期的變頻器一般都

50、只提供運(yùn)行頻率和運(yùn)行電流二種信號(hào)，現(xiàn)在則可以通過(guò)對(duì)模擬量輸出端子的內(nèi)容進(jìn)行定義，從而可以獲得多達(dá)十幾種的模擬量信號(hào)，這些信號(hào)包括頻率、電流、電壓等。 變頻器模擬量輸出信號(hào)類(lèi)別主要電壓信號(hào)和電流信號(hào)。電壓信號(hào)包括01V、05V、010V、15V、210V、010V等幾種；電流信號(hào)包括01mA、020mA、420mA。模擬量的輸出可以調(diào)整偏置和增益來(lái)實(shí)現(xiàn)校正，如圖3-36所示。 圖3-36 模擬量輸出調(diào)整 在對(duì)應(yīng)010V的模擬量輸出項(xiàng)目中，如監(jiān)視值為正值時(shí)輸出010V，負(fù)值時(shí)輸出010V。模擬量輸出信號(hào)的內(nèi)容可以定義為如下：實(shí)際運(yùn)行頻率、設(shè)定頻率、輸出電流、輸出轉(zhuǎn)矩、輸出電壓、母線電壓、輸出功率、

51、內(nèi)部轉(zhuǎn)矩指令、模擬量輸入通道值、PID閉環(huán)的反饋值和設(shè)定值、速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入輸出值等。對(duì)于轉(zhuǎn)矩指令值、速度控制器ASR值、正反轉(zhuǎn)頻率值等均可以輸出010V模擬信號(hào)。 模擬量輸出的刷新周期相對(duì)模擬量輸入來(lái)講要偏長(zhǎng)一些，如ABB ACS800為24ms。 【任務(wù)訓(xùn)練3-3：模擬量輸入輸出信號(hào)的調(diào)整】 A、按照?qǐng)D3-37進(jìn)行電氣接線 電氣接線所包含的內(nèi)容為4個(gè)模擬量輸入信號(hào)（包括M1和M2變頻器的速度反饋、張力反饋信號(hào)和卷徑檢測(cè)值）和2個(gè)模擬量輸出（包括M1主傳動(dòng)變頻的速度設(shè)定值和M2收卷變頻的張力設(shè)定值）。圖3-37 模擬量輸入輸出信號(hào)電氣接線 B、PLC運(yùn)行并測(cè)試 分別測(cè)試模擬量的數(shù)據(jù)讀取

52、功能（MOV_W語(yǔ)句）、模擬量輸入的軟件濾波功能、模擬量輸出的保持功能。 子課題4 4：綜合解決方案 一、復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的PLCPLC設(shè)計(jì)原則 在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。 目前，國(guó)內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無(wú)所適從。所

53、以全面權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。 機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。 1 1、對(duì)輸入 / / 輸出點(diǎn)的選擇 盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會(huì)造成一定浪費(fèi)。 要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數(shù)的 15 20 留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。 另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對(duì)同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)有限制，一般同時(shí)接通的輸入點(diǎn)不得超過(guò)總輸入點(diǎn)的 60 ； PLC 每個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力（ A/ 點(diǎn)）也是有限的，有的 PLC 其每點(diǎn)輸出電流的大小還隨所

54、加負(fù)載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時(shí)要考慮這些問(wèn)題。 PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類(lèi)和電壓等級(jí)，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出信號(hào)之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。 2 2、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇 對(duì)用戶存儲(chǔ)容量只能作粗略的估算。在僅對(duì)開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘 10 字 / 點(diǎn)輸出總點(diǎn)數(shù)乘 5 字 / 點(diǎn)來(lái)估算；計(jì)數(shù)器 / 定時(shí)器按（ 3 5 ）字 / 個(gè)估算；有運(yùn)算處理時(shí)按（ 5 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的

55、系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 100 ）字左右的存儲(chǔ)容量來(lái)估算；有通信處理時(shí)按每個(gè)接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 100 留有裕量。對(duì)缺乏經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者，選擇容量時(shí)留有裕量要大些。 3 3、對(duì) I/O I/O 響應(yīng)時(shí)間的選擇 PLC 的 I/O 響應(yīng)時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2 3 個(gè)掃描周期）等。對(duì)開(kāi)關(guān)量控制的系統(tǒng)， PLC 和 I/O 響應(yīng)時(shí)間一般都能滿足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問(wèn)題。但對(duì)模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個(gè)問(wèn)題。 4 4、根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選

56、型 不同的負(fù)載對(duì) PLC 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對(duì)較便宜，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級(jí)范圍大等。所以動(dòng)作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。 5 5、對(duì)在線和離線編程的選擇 離線編程示指主機(jī)和編程器共用一個(gè) CPU ，通過(guò)編程器的方式選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇 PLC 的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時(shí)， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。專(zhuān)用編程器編程屬于這種情況。在線編程是

57、指主機(jī)和編程器各有一個(gè) CPU ，主機(jī)的 CPU 完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，在每一個(gè)掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機(jī)，在下一個(gè)掃描周期主機(jī)將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)輔助編程既能實(shí)現(xiàn)離線編程，也能實(shí)現(xiàn)在線編程。在線編程需購(gòu)置計(jì)算機(jī)，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。 6 6、根據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型 若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC 、上位計(jì)算機(jī)及 CRT 等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能，目前大部分小型機(jī)也具有通信功能。 7 7、對(duì) PLC PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇 在相同功能和相同

58、 I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式。 二、復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的變頻設(shè)計(jì)原則 變頻調(diào)速系統(tǒng)一般都是針對(duì)電力拖動(dòng)而言，主要是由變頻器、電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)械等裝置組成的機(jī)電系統(tǒng)。復(fù)卷機(jī)的主傳動(dòng)和收卷傳動(dòng)都采用變頻控制，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面： 1、速度控制范圍和精度 根據(jù)具體的工藝條件和機(jī)械設(shè)備，在以轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，必須選擇速度控制范圍符合要求的變頻器以及變頻器的控制方式。 速度控制范圍有以下幾種表示方式，如轉(zhuǎn)速范圍表示或變速比率表示，前者如175轉(zhuǎn)/分到1750轉(zhuǎn)/分或

59、5Hz到60Hz，后者如1:10或者以百分比表示如5。 2、避開(kāi)特定的不安全速度 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率與負(fù)載和電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，會(huì)發(fā)生系統(tǒng)共振，共振狀態(tài)的出現(xiàn)將破壞傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至將造成破壞性系統(tǒng)損壞。電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，往往在轉(zhuǎn)速進(jìn)入某一個(gè)或幾個(gè)小區(qū)段時(shí)，出現(xiàn)上述非正常的共振情況，為了避免保證變頻調(diào)速的正常工作，必須設(shè)置相關(guān)的跳躍頻率。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)軸彎曲的固有頻率與旋轉(zhuǎn)頻率一致時(shí)的轉(zhuǎn)速叫危險(xiǎn)速度。通常，中小功率段的電動(dòng)機(jī)的危險(xiǎn)速度發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速之上；而對(duì)于大容量的二極或四極電動(dòng)機(jī)，危險(xiǎn)速度有時(shí)會(huì)發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速以下。因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，在控制上要采取措施，避免

60、轉(zhuǎn)速進(jìn)入這樣的危險(xiǎn)速度。 3、低速情況的考慮 對(duì)于電動(dòng)機(jī)的自冷方式情況下（采用普通電動(dòng)機(jī)），轉(zhuǎn)速下降則電機(jī)冷卻能力降低。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如需要在全頻段范圍（零速到最高速）內(nèi)運(yùn)行的，就必須考慮低速冷卻方式，必要時(shí)采用變頻專(zhuān)用電機(jī)；如只需要在一個(gè)相對(duì)較窄的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，則可以設(shè)置最低運(yùn)行頻率，避免在零速和最低頻率內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，否則低速區(qū)的電機(jī)冷卻能力將大大低于運(yùn)轉(zhuǎn)生熱能力（電機(jī)功耗引起），將導(dǎo)致電機(jī)損壞或故障。當(dāng)然，在低速區(qū)的短時(shí)運(yùn)行都是允許的，如零速起動(dòng)加速階段和低速點(diǎn)動(dòng)功能。 在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，還必須考慮軸承的潤(rùn)滑效果。如滾動(dòng)軸承和強(qiáng)制進(jìn)油的滑動(dòng)軸承在低速運(yùn)行時(shí)，在自給油限度以下時(shí)，應(yīng)采