（电气工程专业论文）西门子simatic+s7现场控制系统在电缆制造设备中应用的研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 摘要 在高速数据电缆的生产过程中，绝缘芯线是生产的第一道工序也是最重要的 工序，芯线的同心度、线径、电容等指标直接关系到通讯电缆最终结果。本课题 来源于上海耐克森康华电缆有限公司对进口旧生产绝缘线设备控制部分的改造， 旨在深入研究s i m a t i cs 7 自动化系统的基础上，利用西门子现有自动化产品组 建基于现场总线技术的控制系统，实现对现场设备的有效监视、控制、数据分析 等功能。利用现场总线技术对旧的传统设备进行改造，有利于总线技术的应用和 推广，有利于提高我国制造装备的自动化技术水平，同时为其它同类设备的自动 化、信息化改造提供一个良好的技术示范。 本课题针对传统电缆制造设备接线复杂、自动化程度低、动态响应差、信息 无法共享、维护保养困难等问题，在保留原机械部分的基础上，对串联线中的拉 丝机、挤出机和相关控制系统进行深入研究，采用西门子公司的s i m a t i cs 7 3 0 0 现场控制系统和6 r a 7 0 直流驱动系统，实现了以p r o f i b u s d p 总线为骨干网、 p r o t o o l c s 为人机界面系统的现场总线控制系统解决方案。 本文主要的研究和开发工作及成果如下： ( 1 ) 现场控制系统：在分析现有工业控制系统的基础上，提出使用s 7 3 0 0 、工 控机、直流驱动器等现场设备完成p r o f i b u s d p 的硬件网络构建； ( 2 ) 可编程序控制器：设计了p l c 控制的绝缘线生产流水线，并对整个方案的 硬件进行配置，同时完成控制软件的开发； ( 3 ) 拉丝机速度和张力控制系统：由于绝缘线对张力的变化要求非常高，通过 对卷取、开卷过程中张力变化的数学分析，结合直流驱动系统的控制特点， 实现了对张力的三闭环控制； ( 4 ) 挤出机温度控制系统：为了使挤出机的温度控制满足工艺要求，研究并实 现了采用p l c 对挤出机温度的单参数模糊p i d 控制； ( 5 ) 上位监控系统：利用p r o t o o l c s 完成在工控机上可视化图形界面控制软 件的开发，方便了用户的使用和维护。 通过控制系统的现场安装、调试和运行，系统运行可靠稳定，达到了设备的 设计要求，满足了高速数据电缆的生产需要，提高了产品的性能。由此表明： 本课题的改造是成功的，现场总线技术在设备改造中具有非常广阔的应用i i i 景。 关键字：现场控制系统，可编程序控制器，拉丝机速度和张力控制，挤出机温度 控制，上位监控系统 上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n s u l a t i o nw i r ei st h ef i r s t s t e p i nt h em a n u f a c t u r el a n c a b l e e c c e n t r i c i t y d i m e t e ra n dc a p a c i t a n c eo fw i r ei sr e l a t i v ew i t hc a b l e q u a i l t y t h ew o r ko ft h i st h e s i si sb a s eo nt h eu p g r a d i n gp r o j e c to fn e x a n s k a n g h u ac a b l ec o m p a n y i tb a s eo ns i e m e n sa u t o m a t i o ns y s t e m d c d r i v es y s t e ma n df i e l d b u so fp r o f i b u s d p f a c i n gt h ep r o b l e mt h a tc o n d i t i o n a lf i e l de q u i p m e n ti nt h ef a c t o r yc a n n o t b ec o n n e c t e dt ot h ef i e l d b u ss y s t e ma n db em o n i t o r e de f f e c t i v e l y i ti s d e s i g n e dam e t h o dt ob u i l das y s t e mo fp l c w ed e s c r i b e dt h ew h o l ed e v e l o p i n gm e t h o do fs l m a t i cs 7 3 0 0c o n t r o i s v s t e mi n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e 1 ts u c c e e d si nt h ec o n d i t i o n a lf i e l d e q u i p m e n tt ot h ef i e l d b u ss y s t e ma n da c h i e v e ds o f t w a r eo fp l ca n dp c t h er e s u l to ft h ef i e l dr u n n i n gs h o w st h a tt h ec o n t r o is y s t e r mc a ng e td a t a f r o mt h ef i e l de q u i p m e n t sa n dm a n a g et h e md e p e n d a b l ya n de f f i c i e n t l y m e a n w h i l ei tc o m m u n i c a t e sw i t ht h ef i e l de q u i p m e n ts w i f t l ya n dr e l i a b l y t h e m o n i t o rs y s t e mo f f e r sf r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds t a b l e o p e r a t i o n s t r o n ga b i l i t yo fd a t aa n a l y z i n ga n dt o l e r a n c e a t h e s ec h a r a c t e r i n d i c a t et h es y s t e mi sa v a i l a b l ea n dm u s tb eh a v eas p l e n d i df u t u r e t h et h e s i ss t u d i e s 5c o n t e n t s ： ( 1 ) f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e r m ：s t u d y i n gf i e l d b u sa n du s i n gs 7 3 0 0 ，d c d r i v e ，i n d u s t r yp cc o m p o s i n gp r o f i b u s d p ； ( 2 ) p l cc o n t r o ls y s t e r m ：s t u d y i n gp l ca n df i n i s h i n gc o n f i g u r a t i o no f h a r d w a r e s t u d y i n gs t e p 7a n df i n i s h i n gp r o g r a m ： ( 3 ) t e n s i o nc o n t r o l ：b e c a u s ei n s u l a t i o nw i r ei ss e n s i t i v i t yo ft e n s i o n a n a l y z i n gt h ef o r m u l ao fw i n d i n ga n du n w i n d i n g u s i n gt h ed cd r i v e f i n i s h i n gt h r e ec l o s ei o o pc o n t r o ls y s t e r m ； ( 4 ) t h es i n g l ep a r a m e t e rp i df u z z yc o n t r o l ：an e wt y p eo ft e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m f o r p l a s t i c s e x t f u s i o ni s a p p l i c a t i o nb a s i n g o n s 7 - 3 0 0 t h es i n g l ep a r a m e t e rp i df u z z yc o n t r o ia n dp u l s ew i d t h m o d u l a t i n ga r eu s e d i nt h en e ws y s t e mt h es i n g l ep a r a m e t e rp i df u z z y a l g o r i t h ma n dp l ci o g i ci n s t r u c t i o ni sc o m b i n e d ； f 5 ) u s i n gp r o t o o l c sa n df i n i s h e dt h eh u m a n - m a c h i n ej n t e r f a c e k e yw o r d ：f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，p r o g r a m m e rl o g i cc o n t r o l l e rd r a w i n g m a c h i n es p e e da n dt e n t i o nc o n t r o l 。e x t r u d e r s t e m p e r a t u r e c o n t r o i h u m a n - m a c h i n ej n t e f f a c e 上海大学工程硕士学位论文 插图清单 图卜1 系统网络构成图4 图2 1 系统开发流程7 图2 2 拉丝机概貌8 图2 3 挤出机概貌8 图2 - 4 牵引机概貌9 图2 - 5 收线机概貌9 图2 - 6 系统结构1 0 图2 7p r o f i b u s 的单主站系统。1 1 图3 - 1 硬件配置图1 4 图3 - 2e t 2 0 0 s 的硬件配置。1 5 图3 3 主从站模块的分布1 6 图3 4 智能从站示意图1 6 图3 - 5 直流驱动器的组态1 7 图3 6 总线连接器的接线方式1 8 图3 - 7c b p 框图1 8 图3 8c b p 2 支持的服务和通道1 9 图3 - 9d b l 0 0 数据块的结构2 2 图3 1 0 $ 7 - 3 0 0 程序执行过程2 3 图3 - 1 l 程序结构2 5 图4 1 拉丝机的生产工艺流程图2 6 图4 2 理想最佳条件下的变量变化曲线2 8 图4 3 实际最佳过渡条件下的各变量变化曲线2 9 图4 4 软启动环节的输入输出特性3 l 图4 5 卷绕系统3 2 图4 6 线速度负反馈张力控制系统3 3 图4 7 张力负反馈控制系统3 3 图4 8 张力闭环控制系统原理3 4 图4 9 张力控制系统的动态结构图3 5 图4 1 06 r a 7 0 闭环控制系统框图3 6 图4 1 16 r a 7 0 直流驱动器的组态图3 8 图5 一l 塑料挤出机中影响挤出温度的主要原因3 9 图5 2s 7 3 0 0 系统硬件组成。4 0 图5 3 控制系统自动参数整定结构图4 l 图5 4p l c 程序流程图4 3 图6 一lc p 5 6 1 l 的主从通信4 5 图6 2p r o f i b u s - d p 总线存取协议4 6 图6 3c p 5 6 1 1 的设置4 7 图6 - 4 系统模块组成4 7 图6 5 监控系统主画面4 9 图6 - 6 线速度的趋势4 9 图6 7 上位机通讯的典型结构5 0 图6 8 项目窗口结构5 1 图7 一l 总线控制系统5 3 v 上海大学工程硕士学位论文 图7 2 调试流程图5 3 图7 3 启停方式5 4 上海大学工程硕士学位论文 表格清单 表卜l1 0 种总线协议。l 表1 - 2 国际上知名的监控组态软件3 表4 1m 3 0 中拉丝机的生产工艺参数2 7 表5 - 1 设定系数选择表4 2 表5 2 模糊集的隶属度4 2 表5 3 目标控制规则集4 3 表5 - 4 修正系数4 3 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特n j j f l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：燧名：塑仰吼 弘0 7 3 ； j 。一 上海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 现场总线技术 近年来，随着计算机技术、超大规模集成电路技术、网络通信技术的进步， 工业控制已逐步从单机控制、直接数字控制发展到以新型工业控制网络、智能化 仪表、控制器为主要支撑技术的全集成自动化控制( t o t a l l yi n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ) 。全集成自动化控制即把原先分离的工业控制( p l c 与工控机) 人机 界面、传感器执行器、上位机监控、d c s ( i ) i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 等系统 统一在同一自动化环境中，以利安装维护和信息交换。其实质是利用计算机技术 对生产过程进行集中监视、操作和管理，利用p l c ( p r o g r a m m e rl o g i cc o n t r o l l e r ) 等现场控制器进行分散控制。而p l c 等现场控制器之间，p l c 与上位监控机之间 都是通过计算机网络连接在一起。这已经取代传统的模拟电压电流的连接方式， 现场总线控制技术正逐渐成为主流。 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标 准和现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现 场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线 的本质含义表现在六个方面：现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分支功 能块、通信供电和开放式互连网络。现场总线作为一种开放式、数字式、多点通 信的底层控制网络，是目前自动化领域研究的热点。当前具有重要影响的除了本 文采用的p r o f i b u s 总线外，其他还包括l o n w o r k s 、c a n 、i n t e r b u s 、f f 、d e v i c e n e t 等总线技术。它们在制造业、交通、智能大厦等方面的自动化系统中具有广泛的 应用酊景。 鉴于现场总线技术为业界一致看好，国际上的大公司为了维护自身的利益， 纷纷推出各自的现场总线协议和相应的软、硬件产品，以图领先抢占总线市场， 由此形成了群雄并起、相互割据的局面。据不完全统计，目前各类总线达几十甚 至上百种，且都遵循着各自标准。经过长达1 5 年的争论，i e c 6 1 1 5 8 用于工业控 制系统的现场总线国际标准于2 0 0 0 年初终于获得通过，i e c s c 6 5 c w g 6 现场总 线标准委员会到此也完成了历史使命。为了进一步完善i e c 6 1 1 5 8 标准， i e c ：s c 6 5 c 成立了m t 9 现场总线修订小组，以继续这方面的工作。m t 9 工作组在 原来8 种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2 0 0 3 年4 月制定了由1 0 种类 型现场总线组成的第三版现场总线标准，见表i - i 。 表i - i1 0 种总线协议 t y p e l t s 6 11 5 8 现场总线 t y p e 2c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 现场总线 t y p e 3p r o f i b u s 现场总线 t y p e 4p - n e t 现场总线 t y p e 5 f fh s e 现场总线 t y p e 6s w i f t n e t 现场总线 t y p e 7w o r l d f i p 现场总线 t y p e 8i n t e r b u s 现场总线 t y p e 9 f fh 1 现场总线 t y p e l op r o f i n e t 现场总线 上海大学工程硕士学位论文 1 2p r o f i b u s 总线 p r o f i b u s 总线是p r o c e s sf i e l d b u s 的缩写，是德国b o s c h 、s i e m e n s 等公 司建立的一种国际化的开放式现场总线系统。1 9 8 6 年德国开始制定p r o f i b u s 总 线的标准，它由三部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y 分布 式外设) ，p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n 现场总线信息规 范) 和p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u g o m a t i o n 过程自动化) 。不同的部分针对不同 的应用场合，因此p r o f i b u s 应用领域十分广泛。 2 0 0 6 年l o 月1 6 日，中国国家标准化管理委员会已经审查通过了由全国工 业过程测量和控制标准化技术委员会( t c l 2 4 ) 组织相关单位，如机械工业仪器 仪表综合技术经济研究所( i t e i ) 、中国机电一体化技术应用协会( 含c p o ) 、 中海石油研究中心开发设计部、西门子( 中国) 有限公司、中石化装备总公司、 重庆川仪总厂有限公司研发中心、上海自动化仪表股份有限公司技术中心、清华 大学等单位共同转化制定的i e c 6 1 1 5 8 t y p e 3p r o f i b u s 规范为中华人民共和国 国家标准一g b t2 0 5 4 0 2 0 0 6 ，至此，p r o f i b u s 成为中国唯一批准的现场总线国 家标准。 p r o f i b u s 以i s o o s i 模式为基础取其物理层和数据链路层，f m s 还采用了应 用层。d p 和f m s 使用同样的传输技术和统一的总线访问协议，因此两系统可在 同一根总线上混合互操作。通过段和器或链接口，使p a 系统很方便的集成到d p 网络。 d p 和f m s 有两种传输技术，一种是r s 4 8 5 采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总 线型，通信速度为9 6 k b p s ，距离为1 2 0 0 m ，通信速率为1 2 m p s 距离为l o o m ，每 段最多节点数为3 2 ，不支持总线供电和本质安全；另一种是采用光纤，用于电 磁兼容性要求高和长距离要求的场合。 p a 采用i e c l l 5 8 2 传输技术，采用屏蔽双绞线，拓扑结构为总线型或树型， 通信速度为3 1 2 5 k b p s 1 9 0 0 m ，每段最多节点数为3 2 ，支持总线供电和本质安全。 p r o f i b u s 的通信介质访问控制方式为分布式令牌方式( 混合介质存取) 。 主节点之间为令牌环传递方式，主节点与从接点之间为主从询问方式。主节点得 到令牌后，允许在一定的时间内与从节点或其他主节点通信。令牌在所有主节 点中循环一周的最长时间k ( 设定周期) 是事先预定的，决定了个主节点的令 牌具体保持时间的长短。主节点之间传输数据必须保证在事先定义的时间间隔内 主节点有充分的时间完成通信任务；主节点与从节点之间的数据交换要尽可能快 且简单的完成数据的实时传输。按这种方式完成周期性与非周期性的数据交换 【2 l o 为此，p r o f i b u s 的介质访问控制m a c 协议设置了两类时钟计时器，一类是 令牌运动周期计时器，用于令牌的实际运动周期t 。计时：另一类是持牌计时器， 用于主节点令牌保持时间t 。计时。当令牌到达某个主节点时，此节点的周期计 时器开始计时，当令牌又一次到达此主结点时，m a c 把周期计时器的t 。值与设定 时间t 。的差值赋给持牌计时器，即l = t 。一k ，持牌计时器根据该值控制信息的 传送。 在持牌计时器控制信息发送时，如果令牌到达超时，即t 。 1 9 9 9 情况下去选择正确的号码区 v 1 ， 则被加工物将张紧，即被n i 物张力加大：如果v 2 v l ，于 是被加工物将受到拉力而弹性变形。根据胡可定律被加工物的张力f 为： ，= 孚肛一v , ) u t ( 4 - 8 ) ( 2 ) 张力的扰动补偿调节系统 生产中通常控制一些直接影响张力的电参数来获得恒张力控制，首先分析一 下卷绕张力f 与那些电参数量有关。 传动电动机为驱动卷筒，并使加工物保持所需张力，必须承担下列部分阻转 距：卷绕力矩 i p - 脚兰；电动机传动机构及卷筒支撑轴上的摩擦力距虬；以及卷 2 绕机构在加减速过程中所需的动态力矩也。所有这些力矩应与电动机发出的电磁 转距相平衡，郎= c 。巾i 。= 肄+ 魄+ m 。而这里的吼及m 都是卷径的非线性函数。为 了便于分析，可忽略巩和m 。的影响。 这里e = 竺，所以张力表达式为： 4 。 2 j f = 2 j c = k 二孑 ( 4 - 9 ) 式中k 1 = 2 j c ，j 为传动减速比。可见张力f 与驱动电动机的激磁磁通巾、电枢电 流i 。及卷筒直径d 直接相关。其中巾、i 。是电动机内的电参量，它可以通过控制 电路加以控制，而d 是卷绕参量，它是不可控制的量。所以欲在d 不断变化的 条件下始终保持张力恒定，只需相应地控制巾或j 。即可。 从自动调节原理的角度看，卷径的变化是引起张力波动t 一种扰动量。随 上海大学工程硕士学位论文 着d 的加大，若不及时调节电动机转速n ，加工物的张力将线性上升。如果在卷 绕过程中不断调节电参量巾、i 。，便能抵消d 对张力的影响。这种控制方法成为 补偿调节，也成为间接法张力控制。 实际上，不管d 的不变化，还是m 。或v 的变化都会引起张力的波动，它们 都是对张力的扰动量。在简单的要求不高的系统中，通常只设法补偿卷径d 对张 力的影响。只有在要求较高的场合，才设置机械摩擦补偿和加减速动态力矩补偿， 所以扰动补偿调节只能是一种近似的恒张力控制。 ( 3 ) 直接张力闭环调节系统 自动控制最直接、最有效的方式是将调节量转化成反馈量。并把它与给定两 相比较，然后利用其差值经调节起作用到调节对象上，使偏差尽可能小，甚至为 零，这种方式称为闭环控制，也称为间接法控制。 a 、 线速度负反馈张力控制系统 如图4 6 所示，通过与导辊直接连接的测速发电机c f ，将线速度转换成电 量，并取一部分u ，作为线速度负反馈信号，u 。为线速度给定。线速度调节器 v t 为p i 调节器，可以保证对线速度v 实现无静差调节。 图4 6 线速度负反馈张力控制系统 b 、张力闭环控制系统 这类系统与线速度负反馈系统完全一样只是把线速度反馈改成张力反 馈，如图4 - 7 所示。 图4 7 张力负反馈控制系统 上海大学工程硕士学位论文 它是利用张力检测环节把加工物的张力转换成相应的电信号，并取出一部分 作为负反馈量与张力给定相比较，然后通过张力调节器对张力偏差进行调节，从 而获得恒张力控制。为了实现对加工物张力的良好控制，本系统采用的就是这种 控制方式，下面对这种控制方式进行详细的分析。 4 3 3 闭环张力控制系统的设计 从自动控制的角度看，恒张力控制系统大致分成开环控制系统、扰动补偿调 节系统和闭环控制三类。实际使用中选择何种方案要视工艺和控制要求而定。原 则上说，对张力控制精度要求较高且便于设嚣张力检测机构的场合，应尽量采用 直接张力闭环调节系统。对张力闭环控制系统通常采用直流电动机传动，它利用 直流电动机的几个可调参量补偿卷绕机构的扰动变量以便满足卷绕传动的要求。 而直流电动机不仅可调参量多，特别容易调节，而且它的特性方程便于用线性方 程公式来表示，这样就可以通过改变不同的电动机参量( i 、中、e 等) ，组合 成多种不同的控制方程。 拉丝机的张力控制系统，能在拉丝过程中使主机与牵引装置的张力保持恒定 不变，并且通过张力控制装置上与摆杆连接的传感器来严格控制拉丝和牵引的同 步，因此在拉丝过程中不会发生拉细现象。系统采用一个典型的三闭环调节系统， 系统原理如图4 8 。 u 图4 - 8 张力闭环控制系统原理 内环为电流环其作用是在启动过程中保持最大恒定电流，实现最快速启动同 时也限制最大启动电流。另外可以减少电网电压波动等扰动量对张力的影响。中 环是速度环，它使系统在未加张力给定之前各部分能协调运行，并能使系统有宽 的调速范围并起到稳定转速的作用。外环是张力环，张力调节的精度、动态和静 态性能主要取决这个环的调节器参数，它能根据工艺要求使加工物保持所要求的 张力值。 系统的动态结构如图4 - 9 所示。根据自动控制理论控制系统中各被调节的动 静性能，主要取决于相应各调节参数的选择。下面按由内环到外环的顺序，就系 统中各个调节参数的工程设计作一介绍。 上海大学工程硕士学位论文 图4 9 张力控制系统的动态结构图 u n g 图中t 。、t 。、t 。分别为电流、转速、张力信号的滤波时间常数，a 、b 、k ，分 别为电流、转速、张力反馈系数，t 。、t 分别为电机电磁、机电常数，t ，为加工 物张力时间常数。 4 3 4 张力闭环控制系统的实现 ( 1 ) 6 r a 7 0 直流驱动器的概述 6 r a 7 0 直流驱动器是西门子公司为了满足工业自动化对电气传动系统越来越 高的性能要求，于1 9 9 9 年推出了新型的直流驱动产品6 r a 7 0 ，它广泛适用于各 上海大学工程硕士学位论文 个工业领域，诸如印刷机械、起重机械的行走机构和提升机械、电梯及有轨缆车 传动，橡胶、造纸和钢铁工业中的传动，剪切机，校直机和卷取机、轧机的主传 动，横向剪切或薄膜机传动以及其他特殊应用场合。与西门子公司的前代直流驱 动装置相比，6 r a 7 0 的特性从机械结构到软件特点都有重大突破。它采用了与西 门子交流驱动产品一致的电予箱，机械结构更加紧凑，模板可以自由配置，安装 方便简单，6 r a 7 0 系列单机电流可达2 0 0 0a ，装置与装置可以直接并联，扩展电 流可达1 2 0 0 0 a 。全部的6 r a 7 0 直流驱动装置可以实现单象限或四象限运行，供 电电压等级为4 0 0v 、5 7 5 v 、6 9 0 v 和8 3 0 v ，电枢电流范围1 5 - 2 0 0 0a ，励磁电 流范围3 - 4 0a ，过载能力可达1 5 0 9 6 。 6 r a 7 0 采用了新颖的b i c o 技术，使所有功能块均可以通过参数来连接。其 中，采用双c p u 处理器c 1 6 3 和c 1 6 7 、1 6 m 地址区、8 3n s 指令执行时间、1 0 2 4 k ，f l a s h e p r o m 。双处理器处理电枢回路和励磁回路开环和闭环所有传动控制功 能。高性能的计算特性保证了传动装置优良的动态性能，电流环的上升时间为 6 9m s ，速度环的上升时间为2 5m s ，其控制系统结构图参见图4 - 1 0 。6 r a 7 0 装 置中内置了丰富的工艺控制模块，如工艺控制器、基本斜坡函数发生器、速度计 算、开关量信号处理( a n d ，n a n d ，o r ，x o r 、切换开关、定时器) 、算术运算功能 ( 加法、减法、乘法、除法、绝对值运算) 、模拟信号处理、二次特性曲线等。软 件模块只需提供参数使能即可，无需编程。可以实现工艺控制，如补偿控制、位 置控制、压力控制，而不需要额外的硬件投资。另外采用f l a s h - e p r o m ，软件升 级方便快捷。8 图4 一l o6 r a 7 0 闭环控制系统框图 ( 2 ) 6 r a 7 0 直流驱动器的设置 ( a ) p 5 1 为访问权限参数，需要修改参数时应将p 5 1 置为“4 0 “修改完成后应将 p 5 1 重新置回“0 ”，避免产生误操作。 ( b ) p 1 0 0 p 1 0 1 p 1 0 2 p 1 1 4 均为电动机铭牌参数，在调试时只需按电动机实 际值输人即可。 ( c ) 在使用模拟测速机做反馈控制时，参数p 0 8 3 应置为“1 ”，即“速度实际值” 通过k 0 0 1 3 提供，( 对应的接口端子为x t l 0 3 x t l 0 4 ) ，同时要将电机最高转速 时的测速机电压值输人参数p 7 4 1 中，由于大多数测速机转速与直流电机转速不 同，所以p 7 4 1 应按以下公式获得： p 7 4 1 = 直流电机最高转速测速机最高转速x 测速枫最高转速时的电压值。 ( d ) 励磁回路功能参数调整通常情况下，直流电机均需弱磁控制才能达到电机最 高转速，若需弱磁则将参数p 0 8 l 置为“1 ”，p 0 8 1 为0 时，为速度控制或无 上海大学工程硕士学位论文 弱磁功能。同时，为了减少电机发热对电机的损害，建议将p 0 8 2 置为“2 ”， 即停机弱磁。当达到运行状态0 7 或更高时，在p 2 5 8 参数的延时到达后。则p 2 5 7 设置的停机励磁自动接入。 ( e ) 斜坡函数发生器参数p 3 0 3 ，p 3 0 4 ，p 3 0 5 ，p 3 0 6 中的缺省值即可满足运行要 求。正常情况不需调整，但如果在现场调试时，如发现起动或停机制动不能满足 工作要求时，也可对p 3 0 3 ( 加速时间) 或p 3 0 4 ( 减速时间) 进行适当调整。 ( f ) 以上参数输入完毕后，在检查外部控制回路无误的情况下，应对装置进行最 优化运行。 优化顺序为： p 0 5 1 = 2 5 电枢和励磁强制控制和电流调节器的优化运行： p 0 5 1 = 2 6 速度调节器的优化运行； p 0 5 1 = 2 7 励磁减弱的优化运行； p 0 5 1 = 2 8 磨擦及转动惯量补偿的优化运行。 优化步骤为： 检查外部控制回路动作无误，接通主控回路，断开主给定回路： 在p 0 5 1 中依次输入值2 5 8 ，接通“合闸”和“运行使能”指令( 即端子 3 7 ，3 8 ) ； 按一下简单操作控制面板( p m u ) 上的上升键，如果控制无误，则系统开始 设备优化运行： 优化结束后，装置p m u 的数码显示自动回到“0 7 ”状态，此时断开“合 闸”和“运行使能”指令，再重复( 1 ) 一( 3 ) 步骤，依次进行优化运行。第一次上 电调试应将电机与机械负载脱离，以免发生危险，空载优化运行结束后，将机械 负载连接后，再进行一次优化，这样可使电机运行于最佳状态。 ( 3 ) 6 r a 7 0 直流驱动系统的设计 拉丝机的主给定速度是由c u d l 板的x 1 7 4 的4 、5 号端子接入，其输入量为 o l o v 的电压量。张力控制地返回量是由跳舞轮上的模拟量的接近开关来反馈 的，其接入c u d l 板上的x 1 7 4 的6 、7 端子。在模拟量的输入端子均有一个滤波 器可以对信号进行滤波。依照图4 - 9 利用6 r a 7 0 中的参数和变量完成张力控制系 统的构件。直流驱动器的参数设置如图4 - 1 1 所示。u 1 5 0 是乘法器，k 9 2 1 2 是比 例系数它来自于u 2 4 4 可以控制给定的大小和比例；u 1 2 1 是加、减法器，它将线 速度给定和张力反馈的p i d 输出相减实现张力负反馈闭环控制；k 4 0 9 来自于p 4 0 9 它通过u 4 8 4 位张力p i d 控制模块提供一个设定点，其主要作用是使跳舞轮保持 在一个水平位锤确保张力恒定不变；u 4 8 8 、u 4 9 4 是p i d 控制模块的p 、i 给定值， 0 5 0 7 、u 5 0 9 是p i d 输出值的正负限幅：k 4 0 6 来自于p 4 0 6 它通过u 5 1 1 对p i d 输 出实现比例因子的控制，通过上述设定可以在直流驱动其中实现张力闭环，而后 利用驱动器固有的速度环和电流环最终实现三闭环控制。 上海大学工程硕士学位论文 x 1 7 4p 7 0 5u 1 5 0 u 1 2 1 + j ik 9 1 2 1p 4 3 3 ：媸葺u 弋弋石再爿广_ 、 一 u 8 8i u 4 9 4 li呖0 9 i嘶0 f u 4 8 0 iii o wh i 曲 这匦r 匕h 半胪 ；j 曰屯蛩 ) 一 嘞。匕l 阴吱吕南畦 图4 - i16 r a 7 0 直流驱动器的组态图 4 4 本章小结 本章在第二章的基础上完成对拉丝机直流驱动系统的设计，在设计中充分利 用了6 r a 7 0 直流驱动器的控制功能，在理论指导下实现了电流环、速度和张力控 制的三闭环系统，实现了拉丝杌的高速平稳的运行。利用张力闭环控制克服了原 有串联线拉丝机线速度不稳、线径园整度差、容易断线的缺点，提高了产品的质 量，降低了损耗。 上海大学工程硕士学位论文 第五章塑料挤出机温度控制系统的原理和实现 本章介绍了单参数模糊p i d 温度控制系统在挤出机中的应用，其采用p l c 作 为温度控制系统的核心，克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点，同时利用 p l c 逻辑控制器的优点，与输入、输出信号通过简单的编程实现连锁，可以对各种 情况及时做出反应，使控制系统更加稳定可靠。 5 1 挤出机温度控制的特点 在线缆的生产中，挤出机温度的控制在生产过程中的众多因素中，是一个最 为关键的控制量。温度不但对产品的质量有最直接的影响，而且对加工稳定性、 设备的耐用性等都有影响。如果挤出温度过高，不仅物料有可能产生热降解或局 部热降解，得不到合格的产品，使加工过程不易控制，能耗增加，效率降低。而 挤出温度太低，会加剧螺杆与料筒的磨损，加重驱动系统的负载，甚至直接带来 零部件的致命损伤。而一般温度控制不是十分稳定，会使挤出量出现波动，从而 使产品的质量无法稳定。但是，在挤出过程中影响温度的因素却又相当复杂，如 图5 - 1 所示。这就给对温度的精确与快速控制带来很大的困难。因此，在很多情 况下，挤出过程的温度控制在很大程度上依赖于操作人员和工程师的经验来进行 调整 5 2 硬件组成 图5 1 塑料挤出机中影响挤出温度的主要原因 中央处理单元( c p u ) 采用c p u 3 1 5 - 2 d p ，带有个m p i 接口和p r o f i b u s 接口，可 以连接编程器、p c 机。数字输入模块选用s m 3 2 1 ，d 1 3 2 2 4 v d c ，数字量输出模块 选用s m 3 2 2 ，d 0 3 2 2 4 v 0 5 a 。模拟量输入模板选用s m 3 3 1 ，a 1 8 x1 2 b i t ，参数可通 过模板上的量程模块和用s t e p7 设定；通道按两路一组划分，每次只能给一组通 道设定参数；输入的热电偶可以是类型n 、e 、j 、k 、l 。同时可以通过s t e p 7 设 定温度补偿，其可以用内部补偿，也可用外部补偿，外部补偿比内部补偿更精确。 本系统中温度传感器选用j 型热电偶，其测量范围适中，线性度较好。相应的s 7 模拟输入模板上的量程模块置于位置于”a ”。温度补偿方式采用内部补偿。输 出控制电路是通过固态继电器( s s r ) 调整功率法完成温度控制。只要在给定周期 上海大学工程硕士学位论文 内改变固态继电器的通断时间比，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度 调节。硬件配置如图5 - 2 所示。 上位p c 机 p r o t o o l l1 l数字输出模拟输入数字输入 c p u 单元 电源单元 i s m 3 3 2s m 3 3 1s m 3 2 1 3 1 5 - 2 d p p s 3 0 7 i 上tt i 固态继电 热电偶数字量输 l i 加忐i 5 3 工作原理 图5 - 2 $ 7 - 3 0 0 系统硬件组成 s 7 - 3 0 0 p l c 温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，温度传感器( 热电偶) 检 测到的料筒、机身和机头温度信号，送给温度模块。p l c 从温度模块中读取温度 值p v 与设定温度s p 进行比较，得到偏差e ( t ) = s p p v 。如果存在差值，就要对此 偏差e ( t ) 按单参数模糊p i d 算法进行修正，求得相应的控制量m v ，去控制固态继 电器的通断时间，调节电加热器的加热功率，从而实现对料筒机身和机头温度的 控制。 p i d 控制是过程控制中应用最广泛、最基本的一种控制方法。虽然控制理论 和控制技术日趋完善和成熟，但目前大多数工业过程仍采用p i d 控制，其原因是 这种控制方法并不要求精确的受控对象的数学模型，简单易行、稳定性好、可靠 性高，并能满足大多数工业过程控制的要求。在p i d 控制中，控制器系数的整定和 自适应问题，是提高工业过程控制品质的关键。因而将模糊控制和p i d 控制两者 结合起来，使其既具有模糊控制的灵活和适应性同时又具有p i d 控制的精度高的 特点”1 。 传统的p i d 控制器的传递函数为： ，、 1 d e v ( t ) ，【 n i v ( t ) = k nl e v i t ) 七一fjo v ( t ) d t + t d a 广j 一般情况下，p i d 控制器须对p i d 三个参数进行调整才能得到较好的控制效 果，但在实际过程中，要对p i d 三个参数进行整定，其规则难以确定，实施较为 困难。单参数模糊p i d 控制器方案，就是一种实施简单、性能良好的方法，对不 同的控制对象和不同的控制指标均能实现p i d 自调整控制。 这种p i d 模糊控制器分两步整定p i i ) 参数。第一步，初始p i d 参数的整定： 先测定被控对象参数的粗略值，再按对象的可控率为对象分类，同时利用初始值 上海大学工程硕士学位论文 整定规则确定p i d 的初始值；第二步，p i d 参数的在线整定，监控控制系统 的响应过程，识别控制指标，将其模糊化，结合用户的期望、控制目标类型、对 象参数等，运用模糊推理自动进行p i d 参数的在线整定，控制器自动参数整定的 结构如图