课题3 复卷机控制系统

1、李方园 复卷机一般用于带材的中间工艺，比如造纸复卷机、塑料复卷分切机等。复卷机按照传动类型可以分放卷、主传动和收卷三部分组成，按工位则可以分为单工位、上下双工位、翻转双工位等形式。 复卷机放卷的制动方式通常分四种：机械制动、磁粉制动、气动制动以及电机变频制动。机械制动是非常传统的结构。磁粉制动是利用电磁原理对带材进行制动的。气动制动主要用于大卷径纸张制动用，在大卷径制动时使用气动制动比磁粉制动要经济许多。电机变频制动是最近几年比较流行的一种制动方式，主要是使用了电机变频制动之后，可以实现非常多的自动化功能，例如：可以做到自动接换料时候的预驱动功能。 收卷部分的结构同放卷一样，但在控制方式上，就

2、有不同之处了。早期的做法是通过主电机传动给磁粉离合器，通过张力传感器来检测张力变化，由张力控制器来调节磁粉离合器的电流控制收卷的松紧。目前的主流都是通过变频电机来进行开环张力或闭环张力卷取，采用这种方式还可以实现较多的功能，如自动锥度张力、不停机接换料等。【课题任务书】 1 1、任务概述 图3-1是小型复卷机，它包括放卷磁粉制动器、主电动机、计长辊和手卷电动机等部分组成。请根据工艺流程和控制要求，设计合理的自动控制系统。 图3-1 复卷机控制结构 2 2、工艺流程 根据图3-1所示，小型复卷机的工艺流程包括以下几个步骤： （1）通过PLC的数据设定，一旦PLC接收到启动命令（数字量输入信号），

3、 31自动化综合实践 课题3 复卷机控制系统 PLC通过数字量输出，控制主传动按照模拟量设定的频率运行，此时高速计数器指令开始工作，并将脉冲信号转化为长度信号，当长度到时，主传动停止工作，进行换卷后重新计长。 （2）当放卷端的卷筒快要变空时，自动停止主传动运行。 3 3、控制要求 （1）输入电源为三相380V电源。 （2）主传动M1和手卷电动机M2采用变频控制，要求收卷端面整齐、锥度合理、紧度适中。 （3）计长辊主要外接编码器信号，以便在设定的长度内进行自动换卷操作。 子课题1 1：放卷与收卷传动控制 一、典型的张力控制系统 在工业生产的很多行业中，都需要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以

4、提高产品质量。这些行业如造纸、包装、印刷、染整、线缆、纤维、橡胶等片材、线材和带材的加工和制造。从行业的发展趋势看，张力系统在很多应用领域中是控制产品质量和生产效率的重要因素，并将得到越来越多的重视。图3-2所示为典型的张力控制收卷和放卷示意图。 图3-2 张力控制收卷和放卷示意图 1电机2-磁粉离合器3-收卷芯4-传动轮5-张力检测辊 6-荷重传感器7-放卷芯8-磁粉制动器9-自动张力控制仪10-控制器 张力控制系统，其基本元件包括张力控制器，离合器及制动器。张力控制可以分成手动控制和自动控制。手动控制器即稳流电流是依收料或出料的变化而分阶段手动调整离合器或制动器的激磁电流，从而获得一致的张

5、力。自动张力控制器由张力传感器检测张力，控制器把张力数据处理后再去自动调整离合器或制动器的激磁电流从而控制卷绕物的张力。 在放卷端，放料的张力是依设于放料组的磁粉制动器的扭矩而定。在收卷端，收料张力由磁粉离合器的传递扭矩来决定，为要保持固定的张力，须按卷径的大小来加大或减少传递扭矩。自动张力控制器是以单片机为核心的一种新型智能张力控制器，其响应速度快，控制精度高，LED数字显示张力值，手动/自动两种状态能缓冲无断点切换，使运转更加平滑;在自动状态下如卷绕物意外断裂或整机停机，该控制器能自动保持断点时的张力。 自动张力控制器启动后自动进入手动状态，而后如果触发手动/自动键，则自动灯亮，控制器进入

6、自动状态。再触发则又返回到手动状态。在手动状态下，可以在额定范围内调节输出电流的大小，同时可以观察到实际张力的大小的变化。同时可以调节设定张力的张力值，当有加调节键或减调节键按下时，设定张力将改变。无论在手动状态或自动状态，如果按下存储键，则把当前的设定张力值和加载电流值保存，即使断电后，仍被存储。当系统复位或重新启动时，设定张力和输出电流将自动恢复成存储值。 二、张力传感器和张力信号 张力传感器的功能就是能在生产过程中对片材、线材、带材及其它类似产品的张力进行在线连续测量，并能提供瞬时值。 常见的张力传感器主要有以下几种： 1、承座式张力传感器 它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起

7、，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上，料带通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器。最终实现张力闭环控制。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。 张力传感器放置在辊子的支持轴承下方，由刚性材料做成，它只对水平方向的张力起作用。当一定张力的片材通过该辊时，片

8、材所受到的张力分成两部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV）。如图3-3a所示，设张力为T，FT为辊子和轴承的重力，、为片材的夹角，则 FRTx(coscos) FV=Tx(sinsin)+FT 根据张力传感器的值FR就可以计算出该片材此时的张力值T。 承座式张力传感器一般是由特殊的刚性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的传感器是由CrMoS17组成的特殊不锈钢材料做成。其工作原理通常有以下三种： (1)压磁式 张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的四个孔（其中初级线圈为激励线圈，次级线圈为感应线圈）。在正常情况下（即无水平张力）初级线圈的感应磁场如图3-3b所示，

9、由于孔的合理放置，次级线圈无感应电压产生。当水平张力T作用在传感器上时，初级线圈的电磁场就会产生变化，从而次级线圈就会感应出相应的电压,如图3-3c。 一旦水平张力作用改变方向，次级线圈的电压极性也相应改变。张力传感器的激励信号为330HZ、0.5A的交流信号，张力作用的大小反映在输出信号的幅度上，张力的方向则反映在输出信号的极性上。信号放大器的作用就是先过滤为DC信号，然后通过增益运算放大器，最后可以选择适当的加法器、减法器等输出张力控制所需的纸幅A侧张力信号、B侧张力信号、A侧B侧的张力之和信号和A侧B侧的张力之差信号。 该类型传感器通常是由两块铁板和四片弹性钢片联接组成的。四片弹性钢片用

10、来吸收垂直方向的分力，磁性测量元件安装在中间二片钢片的当中，使测力计只对测量方向上的机械应力敏感。在测量过程中，磁弹性元件由于受机械应力的变化，将产生磁性材料的导磁性能变化。该元件是用一种经过特殊技术处理过的多片金属薄片组成。在元件上绕有两个交叉而互成垂直角度的两个线圈，在没有外界机械应力时，因为两个线圈相互垂直，故不会出现磁耦现象，即在次级线圈上不会产生感应电压。当磁性元件在测量方向上受到机械应力时即出现磁耦现象。在次级线圈上产生与机械力成正比的感应交流电压信号，通过信号处理，输出一个与机械力大小成正比的张力信号。 图3-3 张力传感器的测量原理和工作原理 a)张力分析 b)不受力时的张力传

11、感器 c) 不受力时的张力传感器 (2)压敏电阻 该传感器安装于轴承和机架之间，记录水平方向的卷筒张力，采用相应的放大器来进行全桥电压供给和测量信号的处理。放大器输出端的信号和径向作用力成比例，可用于数字显示或作为闭环回路的瞬时值。 如美国蒙特福T系列就属于压敏电阻型。 (3)板簧式微位移张力传感器 承座式优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。 如日本三菱LX-TD型属于板簧式微位移

12、张力传感器。 2、浮辊式张力检测方式 它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制，当张力稳定时，料带上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时摆杆将绕M点转动并带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。 由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的沉余作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱料卷的偏心（椭圆）以及速度变化对张力的影响。此系

13、统要求气缸磨擦系数小，响应速度快，气源稳定。浮辊和摆杆的重量要轻，转动要灵活。 常用的浮辊电位器如Honeywell公司的WPM（如图3-4所示），它的总机械行程为连续角度，理论电气行程340度353度不等，线性度0.75%。由于采取隔离滚珠轴承，即使在侧面加载也能保证长寿命，并能抵抗恶劣环境。 图3-4 WPM系列浮辊式电位器 三、变频张力控制 1、张力控制原理 以造纸机的张力控制为例，在图3-5a的张力控制示意图中，传动电机M的张力实际值是位于它前面的张力传感器的实际值。通过检测该处的张力情况，来控制传动电机M的速度，从而形成一个张力闭环。电机M的速度加快，则纸幅拉紧，张力的实际值就会上升

14、；相反，速度降低，则纸幅松垂，张力的实际值就下降。 图3-5 张力控制示意图 a)造纸机张力控制 b)张力控制原理 在这里，纸幅张力的设定值为T设定，实际值为T实际，经过张力控制器(T-控制)的PID调节器后，再乘以3的偏移量，做为该传动点速度设定值的一个组成部分。原来传动的速度设定值(V设定)加上该组成部分，就是速度环(V-控制)的输入值，然后即可进行速度控制。在这里设置3偏移量的目的就是通过传动速度的改变而使张力得到有效的控制。 在图3-5b的张力控制原理中，T-控制就是张力控制模块的实现，包括自动和手动方式两种来进行。张力控制模块投运前需先检测判定现在的张力实际值是否在可投运的范围之内，

15、否则就不能投运，此时按手动投运按钮或自动投运信号为“1”时，即进入张力控制模块的循环中。张力PID模块的退出，它的条件为相关部位检测到断纸信号或按手动退出按钮。 2、张力控制软件流程 这里以某一点的张力控制为例，采用高级语言编程进行张力软件的设计，其示意如图3-6所示。 （1）读取张力设定值 张力设定值的输入可从工艺控制台上进行，并可通过脉冲开关的动作对设定值微调，以符合实际纸幅稳定运行的需要。 （2）读取张力实际值 张力实际值的产生是从PLC的模拟量板中获取的，调用相应的功能块程序。本过程读取张力的模拟量值后，在输出端得到标准化的量值，并可通过“高限”和“低限”参数来设置量程。从模拟量输入板

16、读出的模拟量值首先是变换为右边对齐的定点数（以标称范围为基础）。 （3）张力控制投入判断 张力控制是否投入取决于工艺的需要和纸幅是否已经上卷、纸幅是否断裂，在其它逻辑块中进行手动按钮投入或自动信号投入的设定，以及自动退出。因此这里需要判断张力控制是否投入，如已投入，则进入张力PID控制模块，否则就只是显示数值和信息，不进行控制。 （4）张力PID控制模块 张力PID控制模块可以调用标准的功能块，以执行闭环控制系统。PID算法是在特殊的时间采样分隔下调用的，并产生操作变量，采样间隔时间越短观察得越精确，控制器完成任务就越精密。因此，在接口数据块中指定的控制参数必须适应于采样周期。 （5）显示张力

17、设定实际值 负责将张力的设定值和实际值显示在工艺控制台上。 （6）分析效果信息提示 在软件设计中，应该对张力系统的实际运行效果进行分析并提示信息：（A）断纸状态时，如果检测到某点的张力实际值与基准零点的偏差值过高则显示“张力零点偏移”，出现该情况的可能有张力传感器检测故障、张力信号放大器零位漂移、轴承支座卡死等；（B）正常出纸时，张力瞬时实际值超过设定值过高，达到设定值的2倍以上时，此时提示“张力实际值HH”，出现该情况将预示该处纸幅紧度过高将引起断纸；（C）正常出纸时，张力控制器的输出值振幅过宽，此时提示“张力控制输出值HH”，出现该情况表明纸幅纵向波动大，需对多点的速度值进行调整。 图3-

18、6 张力控制软件流程图 在某纸厂的多点纸幅张力控制中，我们选取了其中的一点进行测试（如图3-7）。横坐标为时间，纵坐标为张力实际值的百分比。以断纸时间开始（0S），一直处于纸幅断裂状态，则张力实际值一直为“0”；从44S开始进行引纸，随着纸幅从半幅到全幅，张力实际值也逐渐快速上升并呈不规则波动；在98S时，进行张力控制模块的投运，因为是PID控制，先出现明显的超调和震荡，然后超调量减少，最后张力的实际输出值慢慢接近设定值（67%）。当然，选取合适的参数值甚至再增加合适的回路，将会进一步减少超调量和震荡周期，使纸幅的张力值稳定在允许的范围之内。 图3-7 张力控制效果 四、MM440变频器的张力

19、PID控制方式 除了上述所讲的专用控制控制器，在MM440变频器中还可以直接利用PID控制方式来实现张力收卷与放卷。图3-8所示为张力PID控制原理图。 图3-8 张力PID控制原理 在这里，张力信号通过浮辊电位器的变化输入到MM440的AI1，作为PID控制器的反馈，PID的给定值在内部参数P2889或P2990按百分比给出。根据MM440的PID控制功能，采用一个外部点控制SB2（自锁按钮）控制PID的投入和退出，以满足手动和自动的切换。 图3-9所示为浮辊动作原理。当浮辊位置变化量在一定范围内，频率不发生变化；当浮辊下降时，则表示收卷速度有点慢，则应该增加频率（即F）；当浮辊上升时，则表

20、示收卷速度太块，则应该降低频率（即-F）。 图3-9 浮辊动作原理 【任务训练3-1：MM440复卷机收卷张力控制的调试】 A、按图3-8进行电气接线（选择合适的电位器信号） B、变频器上电，并进行参数设置 P701=99（DI1使能BICO，将作为启动信号）； P703=99（DI3使能BICO，将作为PID切换信号）； 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作为启动信号）； P2200=722.2（使用DI3来切换手动和PID自动）； P2253=288

21、9（PID给定值来源于P2889）； P2264=755.0（PID反馈值来源于AI1）； P2267=100%（反馈值的上限）； P2268=-100%（反馈值的下限）； P2280=0.3（需要调试的PID参数：比例增益系数）； P2285=0.9（需要调试的PID参数：积分时间）； P2889=0%（浮辊电位器的平衡点，即中间位置）； P2291=100%（PID上限幅）； P2292=-100%（PID下限幅）； C、带负载运行，并适时调节PID参数值，直至浮辊处于平衡位置。 子课题2 2：计长控制 一、复卷机计长控制的原理 1 1、控制原理 图3-10所示为复卷机计长控制的原理，在某

22、带材中如果要实现定长复卷，则可以在主传动后的计长辊处安装一个高速编码器EC，并接入计数器端口，通过PLC的数据设定，一旦PLC接收到启动命令（数字量输入信号），PLC通过数字量输出，控制送进辊电机的高速运行，此时计数器指令开始工作，并将脉冲信号转化为长度信号，当长度快接近到设定值时，PLC输出低速指令，以保证计数精确，在长度达到时，送进辊电机停止并使制动器工作。图3-10 复卷机计长控制原理 2 2、编码器概述 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置，前者称为码盘，后者称为码尺，如图3-11所示为编码器外观。图3-11 编码器外观 编码器有以下分类方式： （1）按照读出方式编码器可以

23、分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“”还是“”。 （2）按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 绝对式编码器可以分单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器。旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当

24、转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。 3 3、编码器的安装 型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。 高速端安装：安装于传动转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有圈甚至更多，转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位。编码器直接安装于高速端，传动抖动须较小，不然易损坏编多圈编码器有圈甚至更多，

25、转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位。编码器直接安装于高速端，传动抖动须较小，不然易损坏编码器。 低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位。 复卷机计长辊的编码器安装方式可以采用低速端，如图3-12所示。图3-12 复卷机计长辊编码器的安装 二、脉冲量输入和高速计数器 在复卷机计长控制中，输入的是一些高速脉冲信号，如编码器信号，这时候PLC可以使用高速计数器功能对这些特定的脉冲量进行加减计数，来

26、最终获取所需要的工艺数据（转速、角度、位移等）。从硬件角度来讲，小型PLC都会内置一些端口用于高速脉冲输入，其结构与普通的数字量不同。从软件角度来讲，小型PLC都会采用特殊的高速计数器指令，来进行中断处理 高速计数器的模式一般有以下四种： 1 1、1 1相运行模式 1相运行模式即在输入脉冲的上升沿时现在值加1，如图3-13所示。图3-13 1相运行模式 2 2、1 1相脉冲 + + 方向模式 在B相在低电平时，在A-相脉冲的上升沿时当前值加1。在A相在高电平时，在A-相脉冲的上升沿时当前值加1，如图3-14所示。图3-14 1相脉冲 + 方向模式 3 3、2 2相CW/CCW CW/CCW 模

27、式 当B相在低电平时，在A相输入脉冲的上升沿时当前值加1。当A相在低电平时，在B相输入脉冲的上升沿时当前值加1，如图3-15所示。图3-15 2相CW/CCW 模式 4 4、2 2相乘法模式 ( (乘4)4) Up 或Down通过A和B相的不同自动设定，如图3-16所示。 Up 计数器 -当B相低电平时，在A相脉冲输入的上升沿动作。 -当B相高电平时，在A相脉冲输入的下降沿动作。 -当A相高电平时，在B相脉冲输入的上升沿动作。 -当A相低电平时，在B相脉冲输入的下降沿动作。 Down 计数器 -当B相高电平时，在A相脉冲输入的上升沿动作。 -当B相低电平时，在A相脉冲输入的下降沿动作。 -当A

28、相低电平时，在B相脉冲输入的上升沿动作。 -当A相高电平时，在B相脉冲输入的下降沿动作。图3-16 2相乘法模式 (乘4) 四、西门子S7-200S7-200的脉冲量输入 1 1、高速计数器 一般来说，高速计数器被用作驱动鼓式计时器，该设备有一个安装了增量轴式编码器的轴，以恒定的转速转动，轴式编码器每圈提供一个确定的计数值和一个复位脉冲。这时，来自轴式编码器的时钟和复位脉冲作为高速计数器的输入。 在S7-200中，可以使用高速计数器定义指令来定义计数器的模式和输入，表3-1给出了与高速计数器想关的时钟、方向控制、复位和启动输入点。同一个输入点不能用于两个不同的功能，但是任何一个没有被高速计数器

29、的当前模式使用的输入点，都可以被用作其他用途。 表3-1 高速计数器的输入点和模式 在理解高速计数器的详细时序时，还必须注意复位和启动的操作。图3-17中所示的复位和启动操作适用于使用复位和启动输入的所有模式，且都被编程为高电平有效。图3-17 带有或者不带有启动输入的复位操作 在访问高速计数器时，需要指定其地址，同时使用存储器类型HC和计数器号（例如HC0）。在S7-200中，高速计数器的当前值是只读值特性，以双字32位来分配，如图3-18所示。 图3-18 高速计数器的双字分配 2 2、使用HSCHSC向导 在S7-200编程环境中，选择菜单命令工具（T） 指令向导HSC；或点击浏览条中的

30、指令向导图标 ，然后选择 HSC；或打开指令树中的“向导”文件夹并随后打开HSC向导。 使用HSC向导的步骤为：选择计数器类型和操作模式；指定初始参数； 程序中断事件多步操作；生成代码 。 步骤 1：选择计数器类型和操作模式 从列表框（根据 PLC）选择须配置的计数器。 从列表框选择操作模式，根据选择的计数器决定它可用的模式。 步骤 2：指定初始参数 初始化参数包括：向导为子程序指定一个默认名称，用户也可以指定一个不同的名称，但请勿使用现有子程序名称；为计数器 CV 和 PV 指定一个双字地址、全局符号或整数常数；指定初始计数方向。 步骤 3 ：程序中断事件编程多步操作 计数器类型和操作模式选

31、择决定可用的中断事件。当用户选择对当前数值等于预置值事件（CV = PV）进行编程时，向导允许指定多步计数器操作。 图3-19说明了一个简化的、三个步骤的 HSC 应用。图3-19 HSC向导举例 SBR 0：该子程序包含计数器初始化。计数器的当前值被指定为 0（CV = 0）。计数器的预置值被指定为 1000（PV = 1000）。计数方向为 UP（向上）。事件 12（HSC0 CV = PV）被连接至 INT 0，计数器被启动。 INT 0：当计数器达到第一个预置值 1000时，执行 INT 0。计数器预置值被更改为 1500，方向不变。事件 12（HSC0 CV = PV）被重新连接至

32、INT1，计数器被重新启动。 INT 1：计数器再次达到预置值（1500）时，执行 INT 1。此时，我们将预置值更改成 1000（PV = 1000），将计数方向更改为 DOWN（减），将 INT 1 连接至事件 12（HSC0 CV = PV），并重新启动计数器。 INT 2：当计数器向下计数至预置值 1000 时，执行 INT 2。此时，我们将当前值设为 0（CV = 0），并将计数方向更改为 UP（增）。事件 12 被重新连接至INT 0，至此则完成了计数器操作的循环。 图3-20显示计数器当前值随时间的变化。每个（CV = PV）中断事件均标有该事件调用的 INT 程序。 图3-20

33、 计数器当前值随时间的变化步骤 4 ：生成代码 完成 HSC 参数配置后，可以检查计数器使用的子程序中断程序列表。在点击“完成”按钮后，允许向导为 HSC 生成必要的程序代码。代码包括用于高速计数器初始化的子程序。另外，为您选择编程的每一个事件生成一个中断程序。对于多步应用，则为每一个步生成一个中断程序。 当然要使能计数器操作，必须从主程序中调用包含初始化代码的子程序，如使用 SM0.1 或沿触发指令确保该子程序仅被调用一次。3 3、HSCHSC指令 高速计数器HSC指令（如图3-21）根据HSC特殊内存位的状态配置和控制高速计数器。参数N指定高速计数器的号码。高速计数器最多可配置为十二种不同

34、的操作模式。每个计数器在功能受支持的位置有专用时钟、方向控制、复原和起始输入。图3-21 HSC指令 对于双相计数器，两个时钟均可按最高速度运行。在正交模式中，可以选择一倍（1x）或四倍（4x）的最高计数速率。所有的计数器按最高速率运行，而不会相互干扰。其中CPU 221和CPU 222支持4台高速计数器 (HSC0、HSC3、HSC4、HSC5)；CPU 221和CPU 222不支持HSC1和HSC2；CPU 224、CPU224XP、CPU 226支持6个高速计数器 (HSC0至HSC5)。【任务训练3-2：复卷机计长程序控制】 A、电气接线如图3-22所示图3-22 复卷机计长电气接线该

35、接线方式为PNP，如果编码器信号为NPN可以参考本书相关章节。 B、程序编制 复卷机计长程序分为主程序、子程序和中断程序。本程序设置一个两相正交4x高速计数器，通过调用子程序实现对高速计数器的设置（允许计数、更新当前值、更新预置值、更新计数方向为加计数、正交计数设置为4x、定义HSC1的工作模式为11等），通过中断程序改写高速计数器的值。程序中SMD52为用户预置计数值15000，可以根据实际情况进行修改。主程序负责上电初始化，调用初始化子程序（如图3-23所示）。图3-23 复卷机计长主程序子程序如图3-24所示。 图3-24 复卷机计长子程序 中断程序如图3-25所示。 图3-25 复卷机

36、计长中断程序 子课题3 3：卷径检测与PLCPLC模拟量控制 一、复卷机的卷径检测 1 1、目前卷径检测原理及不足 在复卷机的电气控制中，卷径计算是控制中重要的一环。目前，带材卷径的测量大都为间接方式，即通过测量带材线速度与卷筒转速来推算出卷径： (1) 式中V为卷取(开卷)侧带材线速度，m/s；i为卷取（开卷）机械齿轮箱传动比；n为卷取（开卷）电机的转速，r/min。 测量带材线速度的方法有两种，一是直接测量法，如激光测量法，基于经济条件和使用环境限制，目前还很少使用；二是间接测量法，也就是当前经常使用的在偏导辊上安装一个同轴转速传感器，通过测量偏导辊的转速求出带材线速度的方法，其计算公式为

37、： (2) 式中nP为偏导辊的转速，r/min；DP为偏导辊的直径，m。 正常情况时，用式(1)计算出的卷径是准确的。但是，在实际应用时，往往出现下列几种情况，如按上述方法计算卷径，则存在着一定的缺陷和困难。 (1)偏导辊打滑 由于带材加工工艺的不同，材料厚度变化会比较大，因此张力的变化也很大，在某些条件下，特别是带材较薄或加、减速时，偏导辊会产生不同程度的打滑现象，从而使线速度的测量值不准确。这会造成卷径计算值出现偏差，与实际卷径不符，轻则引起张力波动，影响带材质量，重则导致断带。 (2)偏导辊转速传感器安装困难 在某些带材最小可到0.007mm时，其张力较小，偏导辊和带材之间的摩擦力也较小

38、。为尽量减少打滑，减小偏导棍自身的转动惯量是有效的方法之一。所以，偏导棍一般都是空心的。另外，在一个空心的偏导棍上安装同轴的转速传感器非常困难。 (3)初始卷径需人工置入 在复卷机操作工艺中，带材的初始卷径需要置入控制系统，目前大都为人工置入。这需要认真置入，不仅繁琐而且经常忘记或置错，这都将影响整个工艺流程的控制。 2 2、超声波测量的基本原理 超声波传感器包括三个部分：超声换能器、处理单元和输出级，如图3-26所示。 首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是

39、所发出的超声波的回声。如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。 图3-26 超声波测量的基本原理图 把超声波传感器安装在合适的位置，对准铝卷卷径变化方向发射超声波，就可测量带卷表面与传感器的距离，经过处理可得到带卷的直径。 超声波检测中，环境是否会对其产生影响，通过以下可以说明： (1)空气温度的影响 声波行程时间受气温的影响程度为0.17%/K。也就是说40时的声速相对于20时改变了+3.4%，因此测量距离也会改变约+3.4%。但如果选用的超声波传感器中有温度补偿功能，此影响可忽略不计。 (2)空气湿度的影响 从干燥的空气到饱和湿度的空气中

40、，声速最多增加2%。因此测量距离改变最大也只有2%。实际现场中，空气湿度变化不会如此大，此影响一般小于1%。 (3)空气压力的影响 在一固定地点，正常情况下的气压波动为5%，会造成声速波动约0.6%。 (4)气流影响 当风速大于50km/h时，声波速度及方向的改变会大于3%。在现场使用中，只有靠近带材表面的几厘米的气流有可能大于20km/h，且垂直于测量方向，故对测量结果的影响可忽略。 (5)油雾的影响 只要防止油雾沉降在超声换能器的有效表面上，就可避免它的影响。 3 3、测量开卷侧卷径 目前复卷机卷材的卷径变化范围一般比较大，比如为0.5m1.7m，由于超声波测量的是带材卷筒的半径，所以超声

41、波传感器的工作范围应满足大于为(1.7-0.5)/2=0.6m。再考虑到安装位置和安全距离以及传感器的盲区，超声波传感器到卷轴表面的距离一般应大于1.5m，故其测量距离应大于1.5m。以德国P+F公司的传感器（具体型号为UC2000-30GM-IU-V1）为例，其主要参数见表3-2。 表3-2 超声波传感器的主要参数 测量开卷卷径的超声波传感器安装在开卷机地沟的外侧，既便于安装调试，又容易测量，如图3-27所示。图3-27 超声波传感器安装位置示意图 选择传感器的输出为电压输出，可以直接连到PLC上。整定传感器的输出，当最大卷径（1.70m）时电压为10V，当最小卷径（0.54m）时电压为0V

42、。这样当输出电压为U时，经过计算可知当前卷径D。（3） 二、PLCPLC模拟量控制 1、模拟量输入 模拟量值是一个连续变化值象电压，电流，温度，速度，压力，流量等等。例如，压力是随着时间的变化而变化的。因为这个压力值不是直接作为PLC的输入，而是必须通过变换器把同压力值相对应的电压值（V）或电流值（mA）输入到PLC中，如图3-28所示。 图3-28 模拟量与数字量 PLC的模拟量输入包括信号为010VDC、020mA或者420mA三种，对于不同的输入，尤其是电流输入和电压输入，都应该设置硬跳线（拨码开关）或者软跳线（参数设定）。PLC的模拟量输入模块负责A/D转换，将模拟量信号转换为PLC可

43、以认识的数字量信号。 图3-29所示为模拟量输入电压的转换实例，每一种PLC输入10V都会对应一个最大数值，有些PLC是固定的，如S7200固定为32000，有些则是可以设置的，如艾默生的EC20等。这里以最大值4000为例，即输入10V对应数值4000，则其输入特性的曲线为y=400 x（y代表数字输出值，x代表模拟量输入电压）。输入2.5mV等同数字值1， 小于2.5mV的值不能转换。 图3-29 模拟量输入电压的转换实例 2、模拟量输出 PLC的模拟量输出包括信号为010VDC、020mA或者420mA等几种，从PLC到最终输出的流程如图3-30所示。 图3-30 模拟量输出流程图 用软

44、件实现的工程化反变换如图3-31所示。 图3-31 工程化反变换 三、西门子模拟量输入输出模块 1、EM231模拟量输入模块 图3-32为EM231模拟量输入接线示意。 图3-32 EM231模拟量输入接线示意 A、输入校准 校准调节影响模拟量多路转换器运算的放大器，因此校准影响到所有的同一个模块的输入通道。即使在校准以后，如果模拟量多路转换器之前的输入电路的部件值发生变化，那么，从不同通道读入同一个输入信号，其信号值也会有微小的不同。 为了达到产品的标准技术参数，应启动用于模块所有输入的模拟输入滤波器，计算平均值时，选择64次或更多的采样次数。 校准输入时，其步骤如下： （1）切断模块电源，

45、选择需要的输入范围； （2）接通CPU和模块电源，使模块稳定15分钟； （3）用一个传感器，一个电压源或一个电流源，将零值信号加到一个输入端； （4）在CPU的程序中读出测量值； （5）调节偏置电位器，直到读数为零，或所需要的数字数据值； （6）将一个满刻度值信号10VDC或10mA信号接到输入端子中的一个，读出CPU中的数值；（7）调节增益电位器，直到读数为32000，或所需要的数字数据值； （8）必要时，重复偏置和增益校正过程。 注意，EM231模块只有增益电位器，因此可以略去偏置调节部分。 B、配置组态 EM231模块的输入需要通过配置开关进行单极性或双极性组态，如表3-3所示。 表3-

46、3 EM231模块组态配置 C、输入数据字格式 模拟量到数字量转换器称为ADC，其为12位读数，数据格式是左端对齐的。最高有效位是符号位，0表示是正值数据字，对单极性格式，3个连续的“0”使得ADC计数数值每变化一个单位则数据字的变化是以8为单位变化的。对双极性格式，4个连续的“0”使得ADC计数数值每变化一个单位，则数据字的变化是以16为单位变化的。 2、EM232模拟量输出模块 S7-200 PLC的模拟量输出模块EM232，有2个输出，接线方式如图3-33所示。 图3-33 EM232输出接线示意 数字量到模拟量的转换器成为DAC，分电流和电压两种输出格式，电流为11位读数，电压为12位

47、读数。 3、模拟量输入滤波功能 S7-200 PLC允许对每一路模拟量输入选择软件滤波功能，滤波值是多个模拟量输入采样值的平均值，滤波器参数（如采样次数和死区）对于允许滤波的所有模拟量输入是相同的。 步骤如下：（1）通过菜单命令选中输入滤波器，点击模拟量标签；（2）选择需要滤波的模拟量输入、采样个数和死区；（3）确认后，将改变后的系统块下载到PLC中。 S7-200模拟量输入滤波设置过程如图3-34所示。 图3-34 S7-200模拟量输入滤波设置 4、模拟量输出保持功能 S7-200 PLC允许在运行模式进入停止模式后，将固定值传送至模拟量输出点，这就是模拟量输出保持功能。具体设置如图3-3

48、5所示。 图3-35 S7-200模拟量输出保持设置 四、变频器模拟量输入输出端子 1、模拟量输入端子 从变频器的频率给定方式可以知道模拟量给定是一种简单而实用的方式，如电位器给定或PLC、DCS模拟信号等；而在矢量控制和直接转矩控制中，它还可以用作限转矩和转矩控制的给定信号。 常见的模拟量输入信号为电流和电压信号，其类型与模拟量输出的信号相同。一般对于模拟量输入端子的规格是这样定义的：输入电压范围为010V时，输入阻抗为100k；输入电流范围为0（4）20 mA时，输入阻抗为500；分辨率为1/2000。 模拟量输入的接线相对简单，不再赘述。需注意的地方有： （1）模拟量输入信号容易受外部干

49、扰，配线时必须使用屏蔽线，并良好接地，配线长度应尽可能短。 （2）使用模拟输入时，可在输入端子和模拟地之间安装滤波电容或共模电感。 （3）有些模拟量输入端子，既可以接受电流信号，也可以接受电压，因此必须在硬件跳线或拨码开关进行设置，同时也在相关的参数进行电压或电流信号型号选择。 模拟量输入信号一般都能进行滤波，在特殊情况下还能进行取反操作，并可调整最大、最小值。不同的变频器对模拟量输入信号值都有一个刷新周期，如ABBACS800变频器为6ms。 2、模拟量输出端子 变频器在运行过程中，如果需要知道变频器的实际运行频率，一般情况下只需在变频器的模拟量输出端子接上直流表就可以了。早期的变频器一般都

50、只提供运行频率和运行电流二种信号，现在则可以通过对模拟量输出端子的内容进行定义，从而可以获得多达十几种的模拟量信号，这些信号包括频率、电流、电压等。 变频器模拟量输出信号类别主要电压信号和电流信号。电压信号包括01V、05V、010V、15V、210V、010V等几种；电流信号包括01mA、020mA、420mA。模拟量的输出可以调整偏置和增益来实现校正，如图3-36所示。 图3-36 模拟量输出调整 在对应010V的模拟量输出项目中，如监视值为正值时输出010V，负值时输出010V。模拟量输出信号的内容可以定义为如下：实际运行频率、设定频率、输出电流、输出转矩、输出电压、母线电压、输出功率、

51、内部转矩指令、模拟量输入通道值、PID闭环的反馈值和设定值、速度调节器ASR的输入输出值等。对于转矩指令值、速度控制器ASR值、正反转频率值等均可以输出010V模拟信号。 模拟量输出的刷新周期相对模拟量输入来讲要偏长一些，如ABB ACS800为24ms。 【任务训练3-3：模拟量输入输出信号的调整】 A、按照图3-37进行电气接线 电气接线所包含的内容为4个模拟量输入信号（包括M1和M2变频器的速度反馈、张力反馈信号和卷径检测值）和2个模拟量输出（包括M1主传动变频的速度设定值和M2收卷变频的张力设定值）。图3-37 模拟量输入输出信号电气接线 B、PLC运行并测试 分别测试模拟量的数据读取

52、功能（MOV_W语句）、模拟量输入的软件滤波功能、模拟量输出的保持功能。 子课题4 4：综合解决方案 一、复卷机控制系统的PLCPLC设计原则 在作出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用 PLC 进行控制。在控制系统逻辑关系较复杂（需要大量中间继电器、时间继电器、计数器等）、工艺流程和产品改型较频繁、需要进行数据处理和信息管理（有数据运算、模拟量的控制、 PID 调节等）、系统要求有较高的可靠性和稳定性、准备实现工厂自动化联网等情况下，使用 PLC 控制是很必要的。 目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列功能各异的 PLC 产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所

53、以全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。 机型的选择可从以下几个方面来考虑。 1 1、对输入 / / 输出点的选择 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。 要先弄清除控制系统的 I/O 总点数，再按实际所需总点数的 15 20 留出备用量（为系统的改造等留有余地）后确定所需 PLC 的点数。 另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的 60 ； PLC 每个输出点的驱动能力（ A/ 点）也是有限的，有的 PLC 其每点输出电流的大小还随所

54、加负载电压的不同而异；一般 PLC 的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时要考虑这些问题。 PLC 的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种 PLC 平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的 PLC 。 2 2、对存储容量的选择 对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘 10 字 / 点输出总点数乘 5 字 / 点来估算；计数器 / 定时器按（ 3 5 ）字 / 个估算；有运算处理时按（ 5 10 ）字 / 量估算；在有模拟量输入 / 输出的

55、系统中，可以按每输入 / （或输出）一路模拟量约需（ 80 100 ）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口 200 字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 100 留有裕量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有裕量要大些。 3 3、对 I/O I/O 响应时间的选择 PLC 的 I/O 响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在 2 3 个扫描周期）等。对开关量控制的系统， PLC 和 I/O 响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑 I/O 响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。 4 4、根据输出负载的特点选

56、型 不同的负载对 PLC 的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC 有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的 PLC 。 5 5、对在线和离线编程的选择 离线编程示指主机和编程器共用一个 CPU ，通过编程器的方式选择开关来选择 PLC 的编程、监控和运行工作状态。编程状态时， CPU 只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是

57、指主机和编程器各有一个 CPU ，主机的 CPU 完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。 6 6、根据是否联网通信选型 若 PLC 控制的系统需要联入工厂自动化网络，则 PLC 需要有通信联网功能，即要求 PLC 应具有连接其他 PLC 、上位计算机及 CRT 等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。 7 7、对 PLC PLC 结构形式的选择 在相同功能和相同

58、 I/O 点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择 PLC 的结构形式。 二、复卷机控制系统的变频设计原则 变频调速系统一般都是针对电力拖动而言，主要是由变频器、电动机和工作机械等装置组成的机电系统。复卷机的主传动和收卷传动都采用变频控制，在设计时应该考虑以下几个方面： 1、速度控制范围和精度 根据具体的工艺条件和机械设备，在以转速为控制对象的变频调速系统中，必须选择速度控制范围符合要求的变频器以及变频器的控制方式。 速度控制范围有以下几种表示方式，如转速范围表示或变速比率表示，前者如175转/分到1750转/分或

59、5Hz到60Hz，后者如1:10或者以百分比表示如5。 2、避开特定的不安全速度 电机转动时，转矩的脉动频率与负载和电机构成的系统固有振动频率一致时，会发生系统共振，共振状态的出现将破坏传动系统的正常运转，甚至将造成破坏性系统损坏。电机拖动系统工作时，往往在转速进入某一个或几个小区段时，出现上述非正常的共振情况，为了避免保证变频调速的正常工作，必须设置相关的跳跃频率。 当旋转系统轴弯曲的固有频率与旋转频率一致时的转速叫危险速度。通常，中小功率段的电动机的危险速度发生在额定转速之上；而对于大容量的二极或四极电动机，危险速度有时会发生在额定转速以下。因此，在变频调速系统中，在控制上要采取措施，避免

60、转速进入这样的危险速度。 3、低速情况的考虑 对于电动机的自冷方式情况下（采用普通电动机），转速下降则电机冷却能力降低。对于恒转矩负载，如需要在全频段范围（零速到最高速）内运行的，就必须考虑低速冷却方式，必要时采用变频专用电机；如只需要在一个相对较窄的频率范围内运行时，则可以设置最低运行频率，避免在零速和最低频率内长时间运行，否则低速区的电机冷却能力将大大低于运转生热能力（电机功耗引起），将导致电机损坏或故障。当然，在低速区的短时运行都是允许的，如零速起动加速阶段和低速点动功能。 在电动机低速运行时，还必须考虑轴承的润滑效果。如滚动轴承和强制进油的滑动轴承在低速运行时，在自给油限度以下时，应采