張力控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)常州輕工職業(yè)技術(shù)常州輕工職業(yè)技術(shù)常州輕工職業(yè)技術(shù)常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)院學(xué)院學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)( (論文論文) )說(shuō)明說(shuō)明書書題 目 張力控制系統(tǒng) 姓 名 XXX 學(xué) 號(hào) XXX 班 級(jí) XXXX 指導(dǎo)教師 XXX 職 稱 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 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 1 頁(yè)常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）任 務(wù) 書學(xué)生姓名XX專業(yè)班級(jí)XX學(xué)號(hào)XXX指導(dǎo)教師姓名及職稱 楊勁松 教 授題 目張力控制系統(tǒng)論文（設(shè)計(jì)）的主要任務(wù)與具體要求論文（設(shè)計(jì)）的主要

2、任務(wù)與具體要求本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)項(xiàng)目經(jīng)行了初步論述。緒論分析了 PLC 在張力控制的應(yīng)用。第一章詳細(xì)地介紹張力控制的特性和各種應(yīng)用場(chǎng)合，以及詳細(xì)的介紹了 PLC、變頻器、伺服電機(jī)、傳感器的工作原理及概況。第二章對(duì)方案進(jìn)行確定。方案中采用的 PLC、傳感器、伺服電機(jī)、變頻器的詳細(xì)參數(shù)、型號(hào)。在選擇構(gòu)成項(xiàng)目的各種構(gòu)件時(shí)，考慮到了技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素。第三章是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的各部分電氣連接圖和輸入輸出的斷口分配方案及程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要任務(wù)：張力控制系統(tǒng)的初步了解PLC、變頻器、傳感器、伺服電機(jī)、松下伺服電機(jī)的使用張力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模張力控制的硬件設(shè)計(jì)張力控制的軟件設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師意見(jiàn)：指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 簽名 年年 月

3、月 日日教研室意見(jiàn)：教研室意見(jiàn)： 簽名 年年 月月 日日系審核意見(jiàn)系審核意見(jiàn)（公章）年年 月月 日日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 2 頁(yè)學(xué) 生姓 名XX專 業(yè)班 級(jí)XXX學(xué)號(hào)XXX指導(dǎo)教師及職稱XXXX題 目張力控制系統(tǒng)結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 500 字左右的文獻(xiàn)綜述：一、選題的背景和意義：當(dāng)今社會(huì)，一般的線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產(chǎn)中，在處理如線纜、紙張、絲、線、布、膜等材料，進(jìn)行復(fù)卷、分切、排繞、復(fù)合、印刷時(shí)，都會(huì)用上卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線，在此類線上，常需實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)速度、張力同時(shí)受控

4、的目標(biāo)，即通常所說(shuō)的張力控制系統(tǒng)。特別是隨著變頻器性能的提高、小型 PLC 運(yùn)算功能的完善,由高性能通用變頻器和小型PLC 組成的恒張力控制系統(tǒng)成為了可能。本文從恒張力卷繞系統(tǒng)的要求出發(fā),提出了變頻器、異步電動(dòng)機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)紙機(jī)生產(chǎn)工藝要求, 設(shè)計(jì)了基于 S7200 PLC 的紙機(jī)張力控制軟、硬件系統(tǒng)。采用速度控制兼張力控制的方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力,較好地實(shí)現(xiàn)了中、高速大型造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的張力控制,從而為工業(yè)生產(chǎn)提供便利。二、課題研究的主要內(nèi)容：本課題分析了 PLC 在張力控制的應(yīng)用。第一章詳細(xì)地介紹張力控制的特性和各種應(yīng)用場(chǎng)合，以及詳細(xì)的介紹了

5、 PLC、變頻器、伺服電機(jī)、傳感器的工作原理及概況。第二章對(duì)概述本設(shè)計(jì)所建的張力系統(tǒng)。第三章對(duì)方案進(jìn)行確定。方案中采用的 PLC、傳感器、伺服電機(jī)、變頻器的詳細(xì)參數(shù)、型號(hào)。在選擇構(gòu)成項(xiàng)目的各種構(gòu)件時(shí)，考慮到了技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素。第四章是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的部分程序的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中是有巨大現(xiàn)實(shí)意義及很大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，利用 PLC 來(lái)控制張力的方法被廣泛應(yīng)用在線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產(chǎn)中，極大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，PLC 張力控制技術(shù)將越來(lái)越深入到社會(huì)的各個(gè)行業(yè)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 3 頁(yè)三、本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究

6、手段（途徑）：為提高造紙機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,防止紙幅斷裂現(xiàn)象,從分析紙幅張力檢測(cè)的原理及方法出發(fā),設(shè)計(jì)了基于 SIMATIC S7200 PLC 的造紙機(jī)張力控制系統(tǒng)。同時(shí)該系統(tǒng)采用的速度控制+ 張力控制方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力,較好地實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)張力控制功能,取得了滿意的控制效果。從理論上建立張力控制系統(tǒng)的模型能對(duì)其進(jìn)行深入地研究,為先進(jìn)控制算法的引入奠定理論基礎(chǔ)。以放卷張力控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,在深入分析自動(dòng)卷繞線張力控制系統(tǒng)放卷部分受力情況的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了放卷張力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排：第一月廣泛閱讀文獻(xiàn)資料，以了解張力控制系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。第二

7、月明確研究目的、價(jià)值意義，確定實(shí)驗(yàn)方案。第三月根據(jù)理論分析和試驗(yàn)研究的結(jié)果，在完成總體設(shè)計(jì)和程序的基礎(chǔ)上開(kāi)始撰寫論文第四月完成論文草稿送交老師，進(jìn)行評(píng)閱和指導(dǎo)，指出不足之處，返稿，加以修改與完善。第五月最后完成論文的正式撰寫。第六月打印成冊(cè)，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 4 頁(yè)六、教研室意見(jiàn)： 教研室主任簽名： 年 月 日中文摘要中文摘要當(dāng)今社會(huì)，一般的線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產(chǎn)中，在處理如線纜、紙張、絲、線、布、膜等材料，進(jìn)行復(fù)卷、分切、排繞、復(fù)合、印刷時(shí)，都會(huì)用上卷殼及滾筒組成的加工生產(chǎn)線，在此類線上，常需實(shí)現(xiàn)各

8、環(huán)節(jié)速度、張力同時(shí)受控的目標(biāo)，即通常所說(shuō)的張力控制系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度提高，PLC 在工業(yè)上具有普遍的應(yīng)用，如線纜、造紙業(yè)、紡織印染業(yè)、印刷業(yè)、食品業(yè)、薄膜生產(chǎn)業(yè)等等。通過(guò) PLC 對(duì)上述工業(yè)中的張力控制環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，是這些工業(yè)中的關(guān)鍵。為提高造紙機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,防止紙幅斷裂現(xiàn)象,從分析紙幅張力檢測(cè)的原理及方法出發(fā),設(shè)計(jì)了基于 SIMATIC S7-200 PLC 的造紙機(jī)張力控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件配置及其控制功能的軟件實(shí)現(xiàn)。將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于造紙機(jī)壓光部的實(shí)踐證明,該系統(tǒng)采用的速度控制+ 張力控制方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力,較好地實(shí)現(xiàn)

9、了紙機(jī)張力控制功能,取得了滿意的控制效果。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：張力控制系統(tǒng)，PLC，工業(yè)生產(chǎn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 1 頁(yè)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 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 2 頁(yè)目錄目錄中文摘要.1ABSTRACT.2目錄.3第一章 張力控制系統(tǒng)的初步了解.51.1 張力控制系統(tǒng).51.2PLC 的使用.61.2.1PLC 介紹.61.2.2S7-200 可編程控制器.101.3 變頻器.141.3.1 變頻器介紹.141.3.2 變頻器的組成.141.3.3 變頻器的工作原理.151.3.4 變頻器的用途.151.3.5 變頻器 MD330.161.4 傳感器.171.4.1 傳感器作用.171.5 伺服電機(jī).181.5.1 伺服電機(jī)原理.181.5.2 松下伺服電機(jī).18第二章 項(xiàng)

15、目概述.202.1 張力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模.202.1.1 收放料裝置動(dòng)力學(xué)模型.202.1.2 張力模型.222.1.3 錐張力控制數(shù)學(xué)模型.232.2變頻器實(shí)現(xiàn)卷繞恒張力控制.242. 2.1直接張力閉環(huán)控制.252.2. 2控制電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩間接控制.252.3 基于 S7 -200 PLC 的造紙機(jī)直接張力控制.262.3.1紙幅張力檢測(cè)原理.262.3.2 直接張力控制的硬件設(shè)計(jì).272.3.3 直接張力控制的軟件設(shè)計(jì).27第三章 項(xiàng)目說(shuō)明.293.1 項(xiàng)目要求.293.2 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)構(gòu)想.293.2.1 構(gòu)圖設(shè)想.293.2.2 構(gòu)件組成設(shè)想.29第四章 程序設(shè)計(jì).324.1 程序設(shè)

16、計(jì).32第五章 項(xiàng)目小結(jié).33 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 3 頁(yè)參考文獻(xiàn).34附錄 A.35附錄 B.36致謝.37 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 4 頁(yè)第一章第一章 張力控制系統(tǒng)的初步了解張力控制系統(tǒng)的初步了解1.1 張力控制系統(tǒng)張力控制系統(tǒng)張力控制系統(tǒng)通常是張力傳感器和張力控制器的一種系統(tǒng)集成，目前主要應(yīng)用于線纜、造紙、紡織印染、印刷、食品、薄膜生產(chǎn)中，是一種實(shí)現(xiàn)恒張力或者錐度張力控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其作用主要是實(shí)現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。這種控制對(duì)機(jī)器的任何運(yùn)行速度都必須保持有效，包括機(jī)器的加速、減速和勻速。即使在緊急停車情況下，也應(yīng)有能力保證被分切物不破損。張力控制的穩(wěn)定

17、與否直接關(guān)系到分切產(chǎn)品的質(zhì)量。一套典型的張力控制系統(tǒng)主要由張力控制器，張力讀出器，張力檢測(cè)器，制動(dòng)器和離合器構(gòu)成。根據(jù)環(huán)路可分為開(kāi)環(huán)，閉環(huán)或自由環(huán)張力控制系統(tǒng)；根據(jù)對(duì)不同卷材的監(jiān)測(cè)方式又可分為超聲波式，浮輥式，跟蹤臂式等。本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要研究典型收卷張力控制。以造紙為例，張力不足,原料在運(yùn)行中產(chǎn)生漂移,會(huì)出現(xiàn)分切復(fù)卷后成品紙起皺現(xiàn)象;若張力過(guò)大,原料又易被拉斷,使分切復(fù)卷后成品紙斷頭增多。這樣就要求在處理過(guò)程中保持恒定的張力。典型收卷張力控制示意圖圖 1 無(wú)張力反饋圖 2 帶浮動(dòng)輥張力反饋 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 5 頁(yè)1.2PLC 的使用的使用1.2.1PLC 介紹介紹PLC 即可編程控

18、制器（Programmable logic Controller，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。PLC 英文全稱 Programmable Logic Controller ,中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程.PLC是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結(jié)合很緊密的語(yǔ)言，在半導(dǎo)體方面有很重要的應(yīng)用，可以說(shuō)有半導(dǎo)體的地方就有 PLC PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用

19、而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。1)PLC 的基本概念可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱 PLC，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種

20、裝置的功能已經(jīng)大大超過(guò)了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱 PLC2)PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC 結(jié)構(gòu)示意圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 6 頁(yè)P(yáng)LC 邏輯結(jié)構(gòu)示意圖PLC 實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。a、中央處理單元(CPU):中央處理單元(CPU)是 PLC 的控制中樞。它按照 PLC 系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O 以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng) P

21、LC 投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象區(qū)，然后從用戶程序存儲(chǔ)器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入 I/O 映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O 映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行為了進(jìn)一步提高 PLC 的可靠性，近年來(lái)對(duì)大型 PLC 還采用雙 CPU 構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三 CPU 的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個(gè) CPU 出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。b、存儲(chǔ)器:存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器

22、稱為用戶程序存儲(chǔ)器。C、電源:PLC 的電源在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒(méi)有一個(gè)良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無(wú)法正常工作的，因此 PLC 的制造商對(duì)電源的設(shè)計(jì)和制造也十分重視。一般交流電壓波動(dòng)在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將 PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去d、輸入輸出接口電路:1、現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是 PLC 與現(xiàn)場(chǎng)控制的接口界面的輸入通道。2、現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成，作用 PLC 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)輸出接口電路向現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行部 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 7 頁(yè)件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。3)PLC 的工作原理

23、一. 掃描技術(shù)當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。(一) 輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O 映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會(huì)改變。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。(二

24、) 用戶程序執(zhí)行階段在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O 映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。即，在用戶程序執(zhí)行過(guò)程中，只有輸入點(diǎn)在 I/O 映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化，而其他輸出點(diǎn)和軟設(shè)備在 I/O 映象區(qū)或系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形

25、圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會(huì)對(duì)排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個(gè)掃描周期才能對(duì)排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過(guò)程中如果使用立即 I/O 指令則可以直接存取 I/O 點(diǎn)。即使用 I/O指令的話，輸入過(guò)程影像寄存器的值不會(huì)被更新，程序直接從 I/O 模塊取值，輸出過(guò)程影像寄存器會(huì)被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。(三) 輸出刷新階段當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)，才是 PLC 的真正輸出。4

26、)PLC 的特點(diǎn) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 1高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無(wú)故障時(shí)間高達(dá) 30 萬(wàn)小時(shí)。一些使用冗余 CPU的 PLC 的平均無(wú)故障工作時(shí)間則更長(zhǎng)。從 PLC 的機(jī)外電路來(lái)說(shuō)，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC 帶有硬件故障自我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序

27、，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這樣，整個(gè)系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) 2 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 8 頁(yè)P(yáng)LC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái) PLC 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎 3PLC 作

28、為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接近，只用 PLC 的少量開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 4PLC 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 體積小，重量輕，能耗低 5以超小型

29、PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。 5)PLC 的控制開(kāi)關(guān)量的邏輯控制 1這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。 模擬量控制 2在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的 A/

30、D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。PLC 廠家都生產(chǎn)配套的 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。 運(yùn)動(dòng)控制 3PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來(lái)說(shuō)，早期直接用于開(kāi)關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要 PLC 廠家的產(chǎn)品幾乎都有運(yùn)動(dòng)控制功能，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。 過(guò)程控制 4過(guò)程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得

31、較多的調(diào)節(jié)方法。大中型 PLC 都有 PID 模塊，目前許多小型 PLC 也具有此功能模塊。PID 處理一般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應(yīng)用。 6)PLC 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 9 頁(yè)以與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無(wú)人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，如

32、造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 7)PLC 通信及聯(lián)網(wǎng) PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。 1.2.2S7-200 可編程控制器可編程控制器S7-200 CPUS7-200 CPU 將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個(gè)緊湊的外殼中，從而形成了一個(gè)功能強(qiáng)大的 Micro PLC。參見(jiàn)圖 1-1。在下載了程序之后，S7-200 將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸

33、出設(shè)備。S7-200 Micro PLC一、連接 S7-200 CPU連接 S7-200 十分容易。您只需要給 S7-200 CPU 供電，然后在編程設(shè)備與 S7-200 CPU 之間連上通訊電纜即可。二、給 S7-200 CPU 供電第一個(gè)步驟就是要給 S7-200 的 CPU 供電。圖 2-1 給出了直流供電和交流供電兩種 CPU 模塊的接線方式。在安裝和拆卸任何電氣設(shè)備之前，必須確認(rèn)該設(shè)備的電源已斷開(kāi)。在安裝或拆卸 S7-200 之前，必須遵守相應(yīng)的安全防護(hù)規(guī)范，并務(wù)必將其電源斷開(kāi) 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 10 頁(yè)給 S7-200 CPU 供電連接 RS-232/PPI 多主站電纜

34、圖 2-2 所示為連接 S7-200 與編程設(shè)備的 RS-232/PPI 多主站電纜。連接電纜：連接 RS-232/PPI 多主站電纜的 RS-232 端(標(biāo)識(shí)為“PC”)到編程設(shè)備的通訊口上。1(本例中為 COM 1)。連接 RS-232/PPI 多主站電纜的 RS-485 端(標(biāo)識(shí)為“PPI”)到 S7200 的端口 0 或端2口 1。如圖 2-2 所示，設(shè)置 RS-232/PPI 多主站電纜的 DIP 開(kāi)關(guān)。3連接 RS-232/PPI 多主站電纜理解 S7-200 如何執(zhí)行控制邏輯S7-200 周而復(fù)始地執(zhí)行程序中的控制邏輯和讀寫數(shù)據(jù)。S7-200 將程序和物理輸入輸出點(diǎn)聯(lián)系起來(lái) S7

35、-200 的基本操作非常簡(jiǎn)單：CPU 讀取輸入狀態(tài)1CPU 中存儲(chǔ)的程序利用輸入執(zhí)行控制邏輯。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，CPU 刷新有關(guān)數(shù)據(jù)。2CPU 將數(shù)據(jù)寫到輸出。3 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 11 頁(yè)下面給出了一個(gè)簡(jiǎn)圖，說(shuō)明一個(gè)繼電器圖如何與 S7-200 聯(lián)系起來(lái)。電機(jī)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和其他輸入點(diǎn)的狀態(tài)結(jié)合在一起。其中它們計(jì)算的結(jié)果，最終決定了控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)電機(jī)的輸出點(diǎn)狀態(tài)。輸入和輸出的控制S7-200 在掃描循環(huán)中完成它的任務(wù)S7-200 周而復(fù)始地執(zhí)行一系列任務(wù)。任務(wù)循環(huán)執(zhí)行一次稱為一個(gè)掃描周期。如下圖所示，在一個(gè)掃描周期中，S7-200 將執(zhí)行部分或全部下列操作：讀取輸入：S7-200

36、將實(shí)際輸入的狀態(tài)復(fù)制到過(guò)程映像輸入寄存器。1 執(zhí)行程序中的控制邏輯：S7-200 執(zhí)行程序指令，并在不同的存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)數(shù)值。2 處理通訊請(qǐng)求：S7-200 執(zhí)行通訊所需的所有任務(wù)。3 執(zhí)行 CPU 自檢診斷：S7-200 可確保固件、程序存儲(chǔ)器和所有擴(kuò)展模塊正確工作。4寫入輸出：將存儲(chǔ)在過(guò)程映像輸出寄存器中的數(shù)值寫入到實(shí)際輸出。5 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 12 頁(yè)S7-200 掃描周期用戶程序的執(zhí)行取決于 S7-200 是處于 STOP 模式還是 RUN 模式。在 RUN 模式中，執(zhí)行程序；在 STOP 模式中，不執(zhí)行程序。讀取輸入數(shù)字量輸入： 每個(gè)掃描周期從讀取數(shù)字量輸入的當(dāng)前值開(kāi)始，然

37、后將這些值寫1入到過(guò)程映像輸入寄存器。模擬量輸入：除非啟用了模擬量輸入過(guò)濾，否則，S7-200 在正常掃描周期中不更2新來(lái)自擴(kuò)展模塊的模擬量輸入。模擬量濾波會(huì)使您得到較穩(wěn)定的信號(hào)。可以啟用每個(gè)模擬量輸入通道的濾波功能。當(dāng)啟用了模擬量輸入濾波功能后，S7-200 會(huì)在每一個(gè)掃描周期刷新模擬量、執(zhí)行濾波功能并且在內(nèi)部存儲(chǔ)濾波值。當(dāng)程序中訪問(wèn)模擬量輸入時(shí)使用濾波值。如果沒(méi)有啟用模擬量輸入濾波，則當(dāng)程序訪問(wèn)模擬量輸入時(shí)，S7-200 都會(huì)直接從擴(kuò)展模塊讀取模擬值。在每次掃描期間，CPU224XP 的 AIW0 和 AIW2 模擬量輸入都會(huì)讀取模-數(shù)轉(zhuǎn)換器生成的最新值，從而完成刷新。該轉(zhuǎn)換器求取的是均值

38、(sigma-delta)，因此通常無(wú)需軟件濾波。執(zhí)行程序在掃描周期的執(zhí)行程序階段，CPU 從頭至尾執(zhí)行應(yīng)用程序。在程序或中斷程序的執(zhí)行過(guò)程中，立即 I/O 指令允許您直接訪問(wèn)輸入與輸出。如果在程序中使用子程序，則子程序作為程序的一部分存儲(chǔ)。當(dāng)由主程序、另一個(gè)子程序或中斷程序調(diào)用時(shí)，則執(zhí)行子程序。從主程序開(kāi)始時(shí)子程序嵌套深度是 8，從中斷程序開(kāi)始時(shí)子程序嵌套深度是 1。如果在程序中使用了中斷，與中斷事件相關(guān)的中斷程序就作為程序的一部分被存儲(chǔ)。中斷程序并不作為正常掃描周期的一部分來(lái)執(zhí)行，而是當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)才執(zhí)行(可能在掃描周期的任意點(diǎn))。為 11 個(gè)實(shí)體中的每一個(gè)保留局部存儲(chǔ)器：當(dāng)從主程序開(kāi)始

39、時(shí)，為 1 個(gè)主程序、8 個(gè)子程序嵌套級(jí)別；當(dāng)從中斷程序開(kāi)始時(shí)，為 1 個(gè)中斷和 1 個(gè)子程序嵌套級(jí)別。局部存 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 13 頁(yè)儲(chǔ)器有一個(gè)局部范圍，在該范圍內(nèi)它只能供其相關(guān)的程序?qū)嶓w使用，其他程序?qū)嶓w無(wú)法訪問(wèn)。下圖描述了一個(gè)典型的掃描流程，該流程包括局部存儲(chǔ)器應(yīng)用和兩個(gè)中斷事件(一個(gè)事件發(fā)生在程序執(zhí)行階段，另一個(gè)事件發(fā)生在掃描周期的通訊階段)。子程序由下一個(gè)較高級(jí)別調(diào)用，并在調(diào)用時(shí)得到執(zhí)行。不調(diào)用中斷程序；中斷程序是發(fā)生相關(guān)中斷事件的結(jié)果。圖 4-3 典型的掃描流程處理通訊請(qǐng)求在掃描周期的信息處理階段，S7-200 處理從通訊端口或智能 I/O 模塊接收到的任何信息。執(zhí)行

40、 CPU 自檢診斷在掃描周期的這一階段，S7-200 檢查 CPU 的操作和擴(kuò)展模塊的狀態(tài)是否正常。寫數(shù)字輸出在每個(gè)掃描周期的結(jié)尾，CPU 把存儲(chǔ)在輸出映像象寄存器中的數(shù)據(jù)寫到數(shù)字輸出點(diǎn)。(模擬量輸出直接刷新，與掃描周期無(wú)關(guān))。1.3 變頻器變頻器1.3.1 變頻器介紹變頻器介紹變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它主要由兩部分構(gòu)成，一是主電路（整流模塊、電解電容和逆變模塊） ，二是控制 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 14 頁(yè)電路（開(kāi)關(guān)電源板、控制電路板） 。CPUCPU 就安裝在控制電路板上，變頻器的操作軟件燒錄在 CPUCPU 上，同一型號(hào)的變頻器軟

41、件是固定的，唯一例外的就是三晶變頻器，軟件可根據(jù)使用需求更改。1.3.2 變頻器的組成變頻器的組成變頻器通常分為 4 部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。1 整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。2 高容量電容存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。3 逆變器由大功率開(kāi)關(guān)晶體管陣列組成電子開(kāi)關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。4 控制器按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。1.3.3 變頻器的工作原理變頻器的工作原理主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直

42、流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，

43、可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。（3）逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使 6 個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到 3 相交流輸出。以電壓型 pwm逆變器為例示出開(kāi)關(guān)時(shí)間和電壓波形。控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路

44、：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg 等)的信號(hào)為速 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 15 頁(yè)度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路:檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。1.3.4 變頻器的用途變頻器的用途變頻器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的

45、周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。1.3.5 變頻器變頻器 MD330對(duì)張力的控制有兩個(gè)途徑，一是可控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，二是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)這兩個(gè)途徑，MD330 設(shè)計(jì)了兩種張力控制模式。1、第一種.開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式開(kāi)環(huán)是指沒(méi)有張力反饋信號(hào)，變頻器僅靠控制輸出頻率或轉(zhuǎn)矩即可達(dá)到控制目的，與開(kāi)環(huán)矢量或閉環(huán)矢量無(wú)關(guān)。轉(zhuǎn)矩控制模式是指變頻器控制的是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而不是頻率，輸出頻率是跟隨材料的速度自動(dòng)變化。根據(jù)公式 F=T/R（其中

46、F 為材料張力，T 為收卷軸的扭矩，R 為收卷的半徑），可看出，如果能根據(jù)卷徑的變化調(diào)整收卷軸的轉(zhuǎn)矩，就可以控制材料上的張力，這就是開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩模式控制張力的根據(jù)，其可行性還有一個(gè)原因是材料上的張力只來(lái)源于收卷軸的轉(zhuǎn)矩，收卷軸的轉(zhuǎn)矩主要作用于材料上。與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩模式有關(guān)的功能模塊：1）張力設(shè)定部分：用以設(shè)定張力，實(shí)際使用中張力的設(shè)定值應(yīng)與所用材料、卷曲成型的要求等實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)，需由使用者設(shè)定。張力錐度可以控制張力隨卷徑增加而遞減，用于改善收卷成型的效果。2）卷徑計(jì)算部分：用于計(jì)算或獲得卷徑信息，如果用線速度計(jì)算卷徑需用到線速度輸入功能部分，如果用厚度累計(jì)計(jì)算卷徑需用到厚度累計(jì)計(jì)算卷徑相關(guān)參數(shù)功能部

47、分。3）轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償部分：電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在加減速時(shí)有一部分要用來(lái)克服收（放）卷輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，變頻器中關(guān)于慣量補(bǔ)償部分可以通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置自動(dòng)地根據(jù)加減速速率進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，使系統(tǒng)在加減速過(guò)程中仍獲得穩(wěn)定的張力。摩擦補(bǔ)償可以克服系統(tǒng)阻力對(duì)張力產(chǎn)生的影響。2、第二種.閉環(huán)速度控制模式閉環(huán)是指需要張力（位置）檢測(cè)反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)，速度控制模式是指變頻器根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)輸出頻率，而達(dá)到控制目的，速度模式變頻器可工作在無(wú)速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制和 V/F 控制三種方式中的任何一種。該控制模式的原理是通過(guò)材料線速度與實(shí)際卷徑計(jì)算一個(gè)匹配頻率設(shè)定值 f1，再通過(guò)張力（位置）反饋信號(hào)進(jìn)行 PI

48、D 運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)頻率調(diào)整值 f2，最終頻率輸出為 f=f1+f2。f1 可以基 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 16 頁(yè)本使收（放）卷輥的線速度與材料線速度基本匹配，然后 f2 部分只需稍微調(diào)整即可滿足控制需求，很好地解決了閉環(huán)控制中響應(yīng)快速性和控制穩(wěn)定性地矛盾。這種模式下，張力設(shè)定部分無(wú)效，在 FA-00PID 給定源中設(shè)定系統(tǒng)控制的目標(biāo)值，控制的結(jié)果是使張力（位置）的反饋信號(hào)穩(wěn)定在 PID 的給定值上。特別注意，在用位置信號(hào)（如張力擺桿、浮動(dòng)輥）做反饋時(shí)，改變?cè)O(shè)定值（PID 給定）不一定能夠改變實(shí)際張力的大小，改變張力的大小需要更改機(jī)械上的配置如張力擺桿或浮動(dòng)輥的配重。與閉環(huán)速度模式有關(guān)的功

49、能模塊：1）PID 部分：主要在 FA 組設(shè)定，F(xiàn)H 組中第二組 PID 參數(shù)可以起到輔助作用。在其他部分都設(shè)定無(wú)誤后，最終的控制效果需要調(diào)整 PID 參數(shù)。2）線速度輸入部分：這部分比較重要，有兩個(gè)作用，一是通過(guò)線速度計(jì)算變頻器的匹配頻率（見(jiàn)上面的描述），二是可通過(guò)線速度計(jì)算卷徑。3）卷徑計(jì)算部分：計(jì)算實(shí)際卷徑，變頻器獲取線速度和實(shí)際卷徑后可以獲取變頻器的匹配頻率。當(dāng)用線速度計(jì)算卷徑時(shí)，若變頻器算得的卷徑與實(shí)際卷徑有偏差，說(shuō)明線速度輸入有偏差，通過(guò)卷徑計(jì)算結(jié)果可以修正線速度輸入。注意一點(diǎn)的是用線速度和卷徑計(jì)算的匹配頻率值并非變頻器的實(shí)際輸出頻率，用線速度和運(yùn)行頻率計(jì)算卷徑時(shí)用到的運(yùn)行頻率是變

50、頻器的實(shí)際輸出頻率，所以邏輯上并不矛盾。4）第二組 PID 參數(shù)部分：當(dāng)只用一組 PID 參數(shù)無(wú)法滿足全程的控制效果時(shí)，可以利用第二組 PID 參數(shù)，例如在小卷時(shí)調(diào)整第一組 PID 參數(shù)獲得較好效果，滿卷時(shí)調(diào)整第二組 PID 參數(shù)獲得較好效果，這樣在全程就能都達(dá)到較好效果。1.4 傳感器傳感器1.4.1 傳感器作用傳感器作用人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺(jué)器官。而單靠人們自身的感覺(jué)器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動(dòng)中它們的功能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。為適應(yīng)這種情況，就需要傳感器。因此可以說(shuō)，傳感器是人類五官的延長(zhǎng)，又稱之為電五官。新技術(shù)革命的到來(lái)，世界開(kāi)始進(jìn)入信息時(shí)代。在利用信息的過(guò)程中，首先

51、要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm 的粒子世界，縱向上要觀察長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演化，短到 s 的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開(kāi)拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫

52、、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無(wú)法直接獲取的信息，沒(méi)有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 17 頁(yè)傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。由此可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)

53、濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。1.5 伺服電機(jī)伺服電機(jī)1.5.1 伺服電機(jī)原理伺服電機(jī)原理1.伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到 1 個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn) 1 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)椋欧姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，

54、可以達(dá)到 0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無(wú)刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)環(huán)境有要求。因此它可以用于對(duì)成本敏感的普通工業(yè)和民用場(chǎng)合。無(wú)刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。2.交流伺服電機(jī)也是無(wú)刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大

55、而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。3.伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。1.5.2 松下伺服電機(jī)松下伺服電機(jī)（1）操作面板，控制和使用簡(jiǎn)便易行每套松下伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上都配有操作面板，各種參數(shù)和控制方式均可通過(guò)操作面板實(shí)行調(diào)整，非常適合于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。面板可顯示運(yùn)行速度，位置脈沖，實(shí)際轉(zhuǎn)矩，界限 i/o 狀態(tài)，參數(shù)設(shè)定，錯(cuò)誤原因等大量信息。特別是實(shí)際轉(zhuǎn)矩的顯示給設(shè)計(jì)，選型提供了極大方便。通過(guò)操作面

56、板可以檢查接線狀態(tài)。用戶可用此功能判別接線錯(cuò)誤，十分有效。（2）穩(wěn)妥方便的自動(dòng)調(diào)整，剛性調(diào)整更方便 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 18 頁(yè) 用戶在調(diào)試設(shè)備時(shí)可以啟動(dòng)自動(dòng)增益調(diào)整功能來(lái)調(diào)節(jié)飾服系統(tǒng)的剛性，松下是福在自動(dòng)增益調(diào)整時(shí)運(yùn)動(dòng)范圍?。姍C(jī)正轉(zhuǎn)兩圈反轉(zhuǎn)兩圈）運(yùn)動(dòng)速度低（100rmp） ，所以在磨床等運(yùn)動(dòng)行程非常有限的場(chǎng)合運(yùn)動(dòng)時(shí)非常安全可靠。（3）控制方式多樣化有三種控制方式可供選擇，速度控制方式、位置控制方式、轉(zhuǎn)矩控制方式 以上三種方式也可以進(jìn)行復(fù)合控制。其中位置控制方式極具特色。用戶可以采用電子線路、單片機(jī)、PC 機(jī)其他方式非常而廉價(jià)實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能，系統(tǒng)中還配備了電子齒輪功能，也就是說(shuō)可以通

57、過(guò)參數(shù)設(shè)定對(duì)輸入指令沖任意分而達(dá)到和機(jī)械系統(tǒng)的良好配合。（4）保護(hù)設(shè)施齊全 系統(tǒng)還配有各種自診斷保護(hù)措施，硬件軟件雙重保護(hù)，并可以勝任三倍過(guò)載。一旦發(fā)生錯(cuò)誤，便立即停機(jī)。并告以報(bào)警故障原因，在用戶解除故障后方可重新工作，因此可靠性極高。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 19 頁(yè)第二章第二章 項(xiàng)目概述項(xiàng)目概述2.1 張力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模張力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模2.1.1 收放料裝置動(dòng)力學(xué)模型收放料裝置動(dòng)力學(xué)模型在卷繞鍍膜機(jī)張力控制系統(tǒng)中，料卷是明顯的擾動(dòng)量，因?yàn)殡S著鍍膜的進(jìn)行，放料料卷卷徑在逐漸減小，而收料料卷逐漸增加，以線速度變化，由公式可知，料膜張力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，為此必須保證料膜的線速度不變需實(shí)

58、時(shí)對(duì)收放料卷的轉(zhuǎn)速 n 進(jìn)行控制，根據(jù)公式（3.1） （3.1）由上式可知，轉(zhuǎn)速 n 與卷徑 D 呈反比的關(guān)系。對(duì)轉(zhuǎn)速 n 進(jìn)行控制要依賴于收放料卷的實(shí)時(shí)直徑，這就涉及到收放料卷的實(shí)時(shí)計(jì)算問(wèn)題。首先從放料部分出發(fā)，推導(dǎo)出放料部分模型動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)類比得到收料部分動(dòng)力學(xué)模型。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，放料料卷的受力情況比較復(fù)雜，它的受力情況和預(yù)設(shè)鍍膜張力、加減速給定斜率有關(guān)。當(dāng)預(yù)設(shè)鍍膜張力較小，或者給定加減速斜率比較大(加速度大)的時(shí)候，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，薄膜料卷的受力如圖甲:當(dāng)預(yù)設(shè)鍍膜張力較大，或者給定加減速斜率比較小(加速度小)的時(shí)候，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，薄膜料卷的受力如圖乙。 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37

59、 頁(yè) 第 20 頁(yè)甲甲電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)放料料卷受力模型乙乙電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)放料料卷受力模型為了避免模型過(guò)于復(fù)雜，考慮到在通常情況下，給定加減速斜率比較小，預(yù)設(shè)鍍膜張力相對(duì)來(lái)說(shuō)較大，電機(jī)基本上處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以，我們認(rèn)為在電機(jī)加減速和穩(wěn)定工作時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)。但有一個(gè)情況例外，當(dāng)系統(tǒng)上電建立初始化張力時(shí)，料膜的初始張力為零，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，料膜張力與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相等。在電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)下，放料料卷的所受動(dòng)力矩為料膜張力所產(chǎn)生的力矩，阻力為電磁轉(zhuǎn)矩和阻力力矩，將多軸傳動(dòng)系統(tǒng)等效為電機(jī)軸上的單軸系統(tǒng)，則放料轉(zhuǎn)動(dòng)加速度和穩(wěn)定工作時(shí)電動(dòng)機(jī)力矩方程為: (3.2) 式中 F張料膜張力 r1

60、料卷卷徑Me電磁轉(zhuǎn)矩 w空間角速度Mf阻力力矩 J單軸等效傳動(dòng)慣量 畢業(yè)設(shè)計(jì)用紙共 37 頁(yè) 第 21 頁(yè)J 應(yīng)該由兩部分組成，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J0，料卷軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm而料卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jm又由料卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和空軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組成 Jr0，Jr是時(shí)變，是卷徑 r1的函數(shù)，r1是時(shí)間 t 的函數(shù) Jr0是固定值。設(shè)料膜的密度為 ，重力加速度為 g，寬度為 b，r 為料卷實(shí)時(shí)半徑，r0為空軸半徑，利用微元法可以推出 Jr 的函數(shù)表達(dá)式:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量推導(dǎo)微元圖可推出其中 K1K2為常量。這就是電機(jī)轉(zhuǎn)矩的完整方案。式中右邊兩項(xiàng)為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，第一部分是由半徑變化引起，第二部分是由轉(zhuǎn)速變化引起，在張力控制