（控制理论与控制工程专业论文）铝箔拉伸弯曲矫直机组控制系统的研究与实现.pdf

摘要 现场总线作为当今工业自动化技术的热。点之一，正随着计算机、通讯、网络等 技术的全面进步而迅速发展。p r o f i b u s - d p 现场总线是一种工厂级的工业网络， 它的传输速率高，兼容性好，布线方便。在全世界得到了广泛的应用。本文深入研 究了p r o f i b u s - d p 总线体系结构，劳在分析铝箔拉伸弯曲矫真机组的设备特点及 工艺参数的基础上，提出了基于p r o f i b u s - d p 现场总线技术的铝箔拉伸弯曲矫直 机组控制系统方案，设计秘实现了铝箔拉伸弯曲矫直机组的控制系统，并通过实际 的工业生产运行验证了其可行性和优越性。 在铝箔拉伸弯曲矫直机组电气控制系统中，通过对铝箔拉伸弯曲矫直机组工艺 要求和技术指标的细致分析，完成了铝箔拉伸弯闼矫直机组方案设计；针对开卷、 收卷系统张力梯度控制模型，利用欧陆5 9 0 + 全数字直流调速器的特殊功能块，完 成了带材卷取张力的控制；通过p l c 软件编程，实现延伸率的智能控制；采用了 p r o f i b u s d p 网络，选择西门子$ 7 - 3 0 0c p u31 4 c 2 d p 作为主站，并在d p 网上 挂接了1 1 台欧陆公司的5 9 0 + 全数字直流调速器从站、e t 2 0 0 m 从站和一台西门子 公司的t p 2 7 0 触摸屏，实现了不同厂家的设备的互连，增加了组网的灵活性，提高 了整个系统的智能化水平；采用触摸屏监控软件，信息显示具有方便、直观的特点， 实现了全数字化操作，简化了系统设计、方便了操作和维护；根据系统的具体需要 完成了系统组态、p l c 的软件编程、现场调试和生产运行。 关键词：现场总线、张力控制、延伸率、拉伸弯曲矫直机、可编程序控制器、直 流调速器、触摸屏 s t u d ya n d r e a l i z a t i o no ft h ea l u m i n i u mf o i l s t r e t c h b e n dl e v e l l e rc o n t r o ls y s t e m a b s 田r a c t f i e l d b u s , ad e v e l o p i n gd i r e c t i o no fi n d u s t r y 枷o m a t i o nt e d m o k , g yt o d a y , i s d e v e l o p i n gr a p i d l yw i t ht h ep r o g r e s s o fo 咖q 期晦c o m m u n i c a t i o aa n dn 嚏啊。咄墨 p r o f i b u s - d pi sai n d u s t r i a ln e t w o a _ i th a sah i g h 缸跚峪m i s 由n 畦嘞：h a sah i g h c o m p a t i b i l i t y , h a sac o n v e n i e n te x e c u t i o n , a n dh a sa ( t 即l s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d 。 t h i sd i s s e r t a t i o ns t n d i e sd e e p l yt h es y s t e ms t r u c t u r eo f p r o f l b u s d p n e t w o 噍f o l l o w i n g t h ea n a l y s i so ft h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa n d “x 埘伪p m a m e t o fa h l m i n h m lf d i l s t r e t c h - b e n dl e v e l l e r , t h es c h e m ea b o u ta l u m i n i u mf o i ls t t e t c h - b e n dl e v e l l e rc o n t r o l s y s t e mi sp r o v i d e dw h i c hi sb a s e do nt h ep r o f i b u s - d p 忱d m 0 1 0 鼢d 酷塘n sa n dr e a l i z e s a l u m i n i u mf o i ls t r e t c h - b e n dl e v e l e rc o n t r o ls y s t e m , a n di t sf e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g e si n e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea l ec e r t i f i e da sw e l l t h r o u g ht h et e c h n i c sr e q u i r e m e n ta n dt e c h u o h g yg u i d el i n es t u d i e s t h ed i s 鼬- t a d o n c o m p l e t e s t h es c h e m ea b o u ta l u m i n i u mf o i ls t r e t c h - b e n d l e v e l l e rc o n t r o l s y s t e m ；e s t a b l i s h e st h em o d e lo f t h es t r i pc o i l i n gt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m s , a n di n t r o d u c e sa n e e - , vm e t h o dw h i c hc o n t r o lt e n s i o no fs t r i pc o i l i n gt e n s i o nw i t h5 9 0 + i n t e g r a t o rs e r i e sd c d i g i t a ld r i v e ss p e c i a lf u n c t i o nb l o c k ；t h r o u g hp l c 剐) f t w 锄七p r o s r a m m i i l & t h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo fe l o n g a t i o nc o m 豁t r u ei nt h i ss y s t e m ；t h i sd i s s e r t a t i o nu s 幅p r 0 同暇u $ d p n e t w o r k , s e l e c t ss 7 3 0 0c p u 31 4 c 一2 d p 鹪t h em a s t e rs t a t i o n , a n de , o r m c ，e t s1 15 9 0 + i n t e g r a t o rs e r i e sd cd i g i t a ld r i v e ( s l a v es t 砒i o l l l ) , e t 2 0 0 m ( s l a v es t a t i o n ) , a n dt p 2 7 0 f f o e e h p a n e l ) ，a c t u a l i z e se q u i p m e r i ti n t e d i n k a g eo f t h ed i f f e r e mm a n u f a e m r 日，e n h a n c e sn e t w o r k f a c i l i t y ，i m p r o v e si n t e l l i g e n t i z e ds t a n d a r d & t h ew h o l es y s t e m ；f u r t h e r m o r e , t o u c hp a n e l s u p e r v i s i n gs o f t w a r ei su s e di nt h i ss y s t e m , r e a l i z i n gd i 癣嘲o p e r a t i o n , c o n v e n i e n tf o r o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ；f o l l o w i n gt h es y s t e md e m a n d , t h i sd i s s e r t a t i o na c c o m p l i s h e s s y s t e mc o n f i g u r i n g , t h e s o f l w a i r e p r o g r a m m i n g a n d d e b u g g i n g a n dt h ef i e l d c o m m i s s i o n i n g x i ng a o - q i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n s i n e e n n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rd a 鸭y o u - y u n k e yw o r d s ：f i e l d b u s , t e n s i o nc o n t r o l ，e l o n g a t i o n , s t r 吐c h - b c n dl e v e l e r , p l i 。， d c d i g i t a ld f i v e ，t o u c hp a n e l 第1 章绪论 1绪论 1 1 铝箔拉伸弯曲矫直技术的发展现状 拉伸弯曲矫直技术最先应用于钢铁工业，但是随着铝加工技术的不断提高，用户 对铝板的平直度和表面质量要求越来越高，拉伸弯曲矫直技术在铝加工中受到了普遍 的关注。通过拉伸弯曲矫直消除了带材表面的纹波进一步提高了表面的平直度， 为后续的加工提供高质量的带材。拉伸弯曲矫直法由于不会产生在带材边部的缺陷处 造成带材断裂现象，所以特别适合于矫直很薄的带材i 。 国内现有的带材连续拉伸弯曲矫直机组，大多是从日本新日铁、德国施罗曼西马 克、美国维恩引进的设备 2 1 。由于拉伸弯鳢矫直设备机械装置和运动特性的复杂性， 各个张力辊的同步调速、开卷和收卷的张力控制以及延伸率控制技术难度很大，其电 气控制系统的总体研究水平偏低，所以国内的拉伸弯曲矫直机组主要集中在对黑色金 属厚带的矫童，其延伸率的控制精度为o 0 4 。对于有色薄带的矫直，尤其是 o o g m m - - o 2 m m 空调铝箔的连续拉伸弯曲矫直刚刚起步1 3 1 。 在国外，拉伸弯曲矫直机及其控制系统的开发主要集中在日本的神户制钢、三菱 公司和住友公司、英国的布朗克斯公司、美国的瑞安公司和维恩公司以及德国施罗曼 西马克。资料查新表明，国外的连续拉伸弯曲矫直枫主要集中在对o l l m m 以上带材 的矫直，对于0 i m m 以下的铝带材，由于其屈服极限较小，很难达到延伸率的高精 度控制1 4 1 。 1 2 课题研究的目的意义 目前铝加工处于高速发展期，铝材应用迅速扩大，并在各种材料的剧烈竞争中处 于优势地位。在2 1 世纪初期，铝材产量每年将保持4 5 的增长率。铝箔产品在 电力、电子、医药和包装等领域都得到了广泛的应用。铝箔的消费量也在不断增加， 铝箔产品在我国有着巨大的市场和开发应用前景闭。就空调散热使用的新型节能材料 亲水铝箔而言，由于其对原素箔韵质囊、板型、厚度公差及平直度要求非常苛刻，所 以我国目前需要从国外进口大量的亲水铝箔素箔。通过对铝箔进行拉伸弯曲矫直，必 将改变我国亲水铝箔大部分依靠进口的局面，同时也给我国铝带材行业的深加工产生 很大的影响，并带来极大的经济效益f 6 1 。 1 _ 3 课题研究的内容 锯箔拉伸弯曲矫直机组属铝箔精加工设备，机组由开卷机、切头剪、入口1 - 4 号张力辊组、矫直机本体、出口5 8 号张力辊组、切边剪、卷取机、上料小车及卸料 小车等设备组成，控制参量主要包括延伸率、速度、张力、位置等物理量。机组主要 第1 章绪论 技术参数如下：铝箔最大卷重6 0 0 0 k s ，铝箔宽度6 0 0 r a m 1 2 0 0 m m ，铝箔厚度 0 0 8 m m l m m ，最大卷径1 6 5 0 m m ，最大速度1 6 0 m r a i n ，塔形公差l m m ，最大成 品卷错层公差l m m 机组总长为2 5 m 左右，延伸率精度要求在o 0 2 以内，而 延伸率的控制必须建立在商精度的驱动及弯雎量的配合之下。本研究的主要任务就是 要建立延伸率控制的数学模型，并在此基础上，利用现场总线技术，通过先进的全数 字式调速控制器、可编程序控制器和人机界面组建h 删s - d p 总线网络，实现铝 箔拉伸弯曲矫赢机组中各项参数的实时高精度控制，完成现场状态的监测和控制，提 高整机的智能化水平，实现拉仲弯曲矫直机应用于铝箔矫真的技术创新。控制系统中 采用现场总线技术不仅大大提高了铝箔拉伸弯曲矫直机组的控制精度和运行可靠性， 而且大大节省了系统安装时的布线费用和硬件费用，便于此项控制技术的工业推广。 具体研究内容如下： ( 1 ) 建立延伸率控制模型、开卷、收卷系统张力梯度控制模型。 ( 2 ) 完成铝箔拉伸弯曲矫直机组方案设计。 ( 3 ) 采用现场总线组建p l c 、全数字式调速控制器和触摸屏的p r o f i b u s - 】d p 网络，实现各单元间的通讯。 ( 4 ) 完成机组检测点和接口设计，逻辑控制及驱动控制设计。 ( 5 ) 完成驱动控制程序及全机控制程序设计。 ( 6 ) 组态触摸屏画面，实现生产过程的变量显示、参数设定和故障报警。 ( 7 ) 完成系统现场调试及投入生产试运行。 2 整! 兰垫壁! 堕堑皇塾笪壁墨壁堡蹙 _ _ _ - - _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - - _ _ - - - - _ _ _ - _ _ _ 一 。一 2拉伸弯曲矫直机的原理及组成 2 1 拉伸弯曲矫直机的工作原理 连续拉伸弯曲矫直机的原理是弹塑性拉弯矫直理论。带材在轧制及平整工序中由 于不均匀延伸使内部产生应力，当其值达到定程度时，会造成板形的瓢曲或浪形， 拉弯矫直机改善板形正是利用了内应力的存在。需矫平的带材在张力辊组施加的张力 作用下，连续经过上下交替布置的多组小直径的弯曲辊剧烈弯曲，带材各条纵向纤维 在拉伸和弯曲应力的联合作用下，沿长度方向产生了不同程度的塑性延伸。各条纵向 纤维的长度趋向于一致，从而减小内应力的不均匀分布，由纵向纤维长度差造成的板 形缺陷得以消除i ”。 2 2 拉伸弯曲矫直机的系统组成 拉伸弯曲矫直机属张力矫直机一种，它主要由两个部分组成：一部分是矫直机本 体，另部分是张力辊及传动部分。 2 2 1 矫直机本体 目前各国研制的矫直机本体，形式多种多样，有三辊、五辊及多辊。不管矫直机 本体形式与布置是多么多种多样。分析其作用，基本上是由两个部分组成的：弯曲单 元和矫直单元，弯曲单元主要起消除边波，翘曲，中波等，而矫直单元则主要是消除 带材纵向和横向弯曲，使其平直。 矫直机中采用的弯曲辊和矫直辊直径与所矫直的材料的性能、厚度有关，同时还 受到结构限制，使其不能傲得很细。原则上带材在弯曲辊上通过时其实际接触角度不 应小于3 0 。对于弯衄辊来说，如果结构上允许，取较小值时，消除板带材形状缺 陷较容易并且所用的矫直张力较小。如果取较大值时，要获得同样的矫直效果，就要 增大矫直张力，甚至在极端的情况下就是增大张力也难完全消除形状缺陷。 对矫直单元而言，特别是最后个出口辊子。宜选取直径较大一些的辊子，以便 好调整带材出e l 时纵横向弯曲。大体上，矫直机本体两个单元的辊子直径从带材入口 算起宜做成逐渐增大的。 2 2 2 张力辊及传动部分 拉伸弯曲矫直所必需的大张力是在入口和出口张力辊之间形成的。张力辊装置象 张力倍增器样，起着一个张力放大的作用。使得开卷段和卷取段的张力，通过张力 辊放大后，在矫直段产生大的带材张力，以避免开卷张力过大造成的中间凹的滑移和 表面划伤以及卷取张力过大造成的塌卷。 根据矫直段带材张力的大小以及张力辊组出入口的张力再决定张力辊组需要装 第2 章拉伸弯曲矫直机的原理及组成 有多少个辊子。出口端张力辊的速度要比进料端张力辊的速度快一些，造成速度差， 以便产生张力使带材得以延伸，而两者的速度差要按不同的矫直带材所需的延伸率来 确定。对于钢来说，一般延伸率2 己足够，而对于铝来说取3 ，最大不超过5 。 对于一种带材来说，有一个最佳的延伸率数值。小于这个数值，则矫直效果不明显。 而大于这个值时，会出现晶粒粗糙、滑移线及断裂现象。因为速度差和带材的延伸率 成正比，如果取入口和出口张力辊组的速度为v l 和v 2 ，则带材的延伸率6 为： 6 = ( 一v 1 ) v 1 1 0 0 。 ( 2 - 1 ) 张力辊装置( 也称s 辊或者张紧装置) 改变张力是根据爱德关于钢丝绳缠绕公式 的原理计算的，如图2 1 所示。 t 壁虿 图2 1 有两个辊子的张力辊组入口和出口 e王e“(2-2) 式中：t l 一入口张力，公斤： t 2 一出口张力，公斤； a 一包缠角，弧度； f 一摩擦系数： e = 2 7 1 8 。 上式中的铲值可以认为是张力放大系数，其大小取决于摩擦系数f 和包缠角a 。 摩擦系数f 对于某种带材和张力辊面有一个固定的值，带材在张力辊径上包缠角的大 小取决于张力辊数日及布置方式。张力辊径大小的确定原则是不致使带材在其上运行 时带材最外层纤维产生塑性变形，其辊径的大小可按下式确定： 肛坠 ( 2 3 ) 叽 式中：d 一欲确定的张力辊辊径； e 一材料弹性模量； ，d 。一带材的屈服极限。 一般来说，按这个公式所求得的辊径为晟小辊径。 最常见的两种张力辊传动系统的结构为： 第一种：前后张力辊组中各个张力辊通过齿轮箱、接轴等直接连在一起的机械传 4 釜! 皇垫塑! 些堑皇墼些要垄墨垄盛一一一 动( 即所谓集体传动) 。这种传动韵特点是延伸率恒定通过机械联锁方式来达到，机 械结构复杂，造价高，而电气控制简单。 第二种：每个张力辊单独由电机驱动( 即所谓单独传动) 。这种传动的特点是每 个辊子所作用的力矩大4 , g 谓1 ，每个张力辊组的速度同步及前后张力辊组的遥差均由 电气传动系统控制与调节，要求电气控制系统精度高，电气系统较复杂而机械结构简 单。 随着自动化技术的发展，使得以电气控制系统为核心技术的拉伸弯曲矫直机组单 独传动系统的实现成为可能。因此，我们选用单独传动的技术方案，这种方式具有性 能好、机械系统简单、整体造价低的优点t s n g u l 0 】。 2 3 铝箔拉伸弯曲矫赢机组的系统组成 铝箔拉伸弯曲矫直机组设备组成如图2 2 所示： 嘲盛豳 开卷机i - 4 号张力辊5 - 8 号张力辊卷取机 圈2 2 铝箔拟仲弯曲矫落机缎示意恻 ( 1 ) 开卷机：用于铝带的上卷与开卷； ( 2 ) 切头剪：用于铝带的剪头； ( 3 ) l 4 号张力辊( 入口张力辊组) ：用于施加后拖张力； ( 4 ) 矫直机本体；用于带材的纵向弯曲以产生弹塑性变形； ( 5 ) 5 8 号张力辊( 出口张力辊组) ：用于旖加前拉张力； ( 6 ) 切边剪：用于铝带的切边； ( 7 ) 卷取机：将拉伸后的带材收卷。 铝箔拉伸弯曲矫直机组电气控制系统中，我们采用了西门子公司的s 7 3 0 0 系列 p l c 和触摸屏，传动部分由欧陆公司的5 9 0 + 全数字直流调速装置驱动，由于该系统 的主要控制参量包括延伸率、速度、张力、位置等物理量，对此，我们采用了现场总 线技术，实现了铝箔拉仲弯曲矫直机组中各项参数的实时高精度控制，完成了现场状 态的监测和控制，提高了整机的智能化水平。采用现场总线技术不仅大大提高了铝箔 拉伸弯曲矫直机组控制精度和运行可靠性，而且大大节省了系统安装时的硬件费用并 缩短了机组的安装调试周期。 从投入工业运行的两条生产线的运行效果来看，该系统稳定可靠，操作方便，能 够满足各项性能指标和工艺要求，提高了成品率。 第3 章铝箔拉伸弯曲矫直枫组方案的设计 3铝箔拉伸弯曲矫直机组方案的设计 3 1 铝箔拉伸弯曲矫直机组中的张力控制 3 1l 张力控制的必要性 在实际生产过程中，由于加工对象和工艺要求的不同，生产机械对电动机转速 控制的要求也不同。在调速系统中。无论是开环、闭环、或者是不可逆、可逆，其 基本目的就是要使转速保持恒定。而在金属板带、轻工、纺织等连续式生产线中， 经常需要对加工对象进行卷绕，使用各类卷取机、开卷机、旋绕机等卷绕生产机械， 这部分生产机械不是要求转速保持稳定，面是要求整个卷绕过程中加工对象受到的 张力恒定【儿1 1 1 2 1 。 开卷机 l 4 号张力辊5 8 号张力辊 卷取机 图3 1 铝箔拉伸弯曲矫直机组传动部分示意图 如图3 1 所示，如果这些电动机都保持转速恒定，以相同的速度运转，则由于 开卷筒的直径随着铝卷的减小而逐步变小，引起v - 线速度的相应减小。而卷取简由 于卷取的铝箔使它的直径逐步增大，引起v 2 线速度的不断变大，这样就必然会使铝 箔越拉越紧最后当铝箔的强度抵不过拉紧力的时候。铝箔将被拉断而引起事故。 此外，为了保证铝箔表面的平直度和均匀度，必须使铝箔在整个开卷过程中各处 的张力都保持一致。所以，在金属带材的轧制系统和拉伸弯曲矫直机系统中，卷取机 带材张力的稳定性直接影响带材的质量及成品率，尤其是在铝箔轧机或铝箔拉伸弯曲 矫直机系统中。 31 2 张力控制的原理 在有色金属加工乃至冶金自动化中，常遇到产品卷取恒张力控制问题，其控制方 法可分为直接张力控制法和间接张力控制法。直接张力控制法是通过张力计直接测量 张力构成张力闭环。它的精度受到张力计糖度的限制，而且张力计价格昂贵实际不 太多用。间接张力控制是通过控制其它参数而间接达到恒张力控制。 以下阐述的张力控制以卷取机为例，开卷机类同。图3 2 为卷取机传动机构的 示意图。 6 塑空塑堕垫笪奎些堑塞些塑壅丝望堡 一 _ 一 ；= _ 弋 t 一 、 图3 2 卷取机传动机构示意图 则电动机的转矩为： m v = c m o i = r _ ，q n i + m o + m g ( 3 - 1 ) _ 式中： m o ：空载转矩，n m ； t ：带材张力，n ： 中：电动机的磁通。、枷i m 。：加减速时所需的动态转矩( 加速时取“+ ”号， 减速时取“一”号) ，n m ： d ：带卷直径，m ； i ：电动机电枢电流，i ； i ：减速比： c w ：电动机的结构常数。 ( 1 ) 稳态张力 在忽略m 。及m 。的情况下，卷取机稳态张力的表达式( 3 - 1 ) 变为： t = 2 c 。坐 ( 3 2 ) 一d 由此可见，要维持张力恒定，有两种方式，一种是分别控制l 和中m 恒定的电流 电势法，另一种方法是使得i 正比于d m 的最大力矩法。电流电势法的缺点在于：1 ) 电动机转矩不能充分的利用，因为无论是高速还是低速只要不在最大卷径，电动机就 弱磁工作；2 ) 由于oo c d ，所以电动机弱磁倍数等于卷径变化的倍数，当卷径变化 倍数大时( 比如4 5 倍) ，要求电机弱磁倍数也大； 3 ) 要求按最高工作速度v n 。 和最大张力l 。乘积选定功率。而实际生产中，两者并不同时出现，一般高速时带 薄，要求张力小，因此电机功率不能充分利用。而最大力矩法的优点在于合理利用电 机功率，弱磁倍数与卷径变化无关。它的基本控制原理和非独立控制的调速系统一样。 7 第3 章铝箔拉伸弯曲矫直机组方案的设计 基速以下，电动机满磁运行，在基速以上靠励磁控制回路使电动机弱磁工作。所不同 的是正常卷取工作时，速度调节器始终处于饱和，其输出等于限幅值，而此限幅值的 大小与d ，巾成正比，用电流调节器维持i = i 。一d ，m ，从而实现恒张力控制n 4 】1 1 5 1 6 1 。 ( 2 ) 空载补偿与动态补偿 实际系统中，空载转矩和加速转矩是不能忽略的，就卷取电动机转矩平衡关系而 言， 加速：m a = m t + m s + m o ( 3 - 3 ) 稳速：m d = m t + m o ( 3 _ 4 ) 减速；m d = m t - m s + m a ( 3 5 ) 其中，m d ：电动机力矩，m t ：带材张力力矩，m 。电机加速力矩，m d ：设备摩 擦力矩。 空载补偿是为了补偿机械的摩擦力矩、风阻损耗力矩及带材弯曲力矩等，这些大 都与转速有一定的关系，故采用一个恒定量或加一个与速度成线性关系的量来进行补 偿。 动态补偿是卷取机在加速时所需的加速转矩，卷取机动态转矩与加速度掣及卷 径。的关系如下坎= 案等害 ( 3 6 ) 相对应的动态蜕丘= 去案嚣署 ( 3 7 ) 3 1 1 3 基于5 9 0 + 的带材张力控制实现 英国欧陆s s d 5 9 0 + 系列全数字直流调速装置使用交流1 1 0 5 0 0 v 的三相标准电 压，提供直流输出电压和电流用于电枢及励磁。适用于直流他励电动机和永磁电动机 的控制，在调速的精度和可靠性方面可以取代传统的模拟式晶闸管直流调速系统，具 有集成度高、质量可靠、性能先进等优点，适用于无级调速范围宽、稳速精度高的直 流传动场合，广泛应用于冶金、造纸、建材、轻纺等行业，尤其是对于张力控制要求 严格的带材、线材类生产线n 7 1 。 5 9 0 + 装置提供有大量的标准功能块，通过对功镌块的自由、灵活连接可以实现 各种功能。 基于5 9 0 + 的带材卷取张力控制必须满足以下要求： 1 ) 稳态时力矩正比于卷径的变化： 2 ) 实现对于静态和动态摩擦损耗的补偿： 3 ) 加减速过程中对机械装置和卷筒惯量的补偿力矩： 4 ) 电流给定的修正以补偿磁场的变化。 第! 皇塑塑蕉塑皇塑堑塞塑塑查塞塑塑生 ，_ _ - 一一 ( 1 ) 卷径的测量 卷径的测量和计算是张力控制的重要组成部分，它的准确程度直接影响张力控制 精度。卷径的测量可以通过卷径电位器直接测量，也可以通过测量卷取机的线速度v 和卷取机的转速n ，经过运算间接得到，卷径问接测量法如图3 3 所示堋。 线速度v - 图3 3 卷径计算原理示意图 卷径间接计算的公式为： v = a d n i 6 0 ，即d - - - - k v n ( 3 8 ) 式中k 为常量。 实际运行中，机组线速度最高时( v 一) ，对应的卷径最小( d o ) ，电动机转速最 高( n 。) 。 由于5 9 0 十装置中参数采用标么值熬定，所以( 3 - 8 ) 式可转变为标么值表示式： d=dovn*(3-9) 依据( 3 9 ) 式进行卷径计算，软件配置如图3 4 所示。 线速度v 蛾小卷径跳 转速n 橙襁 图3 4 卷径计算软件图 利用5 9 0 + 装置内部提供的标准功能块d i a m e t e rc a i c 可以完成卷径的计算。值得 注意的是，在计算卷径时，应该设定最小速度及最小卷径值，即在速度低于最小速度 时，卷径保持，任何情况下计算酶卷径值小于最小卷径时，卷径应保持。 ( 2 ) 稳态时力矩正比于卷径变化的实现 公式( 3 2 ) 可转换为：，= 等 ( 3 - 1 0 ) 式中k l = 2 j ( 为常数。 蔓! 童堡筻垫熊皇塑堑塞塾望查壅塑望生 一 在5 9 0 + 装置中，所有参数整定都采用标么值( 百分比) 表示，即 张力最大值f 。= 1 0 0 电枢电流最大值。= 1 0 0 磁场磁通量最大值氟。= 1 0 0 电动机基速n e = 1 0 0 所以，( 3 1 0 ) 可简化为标么值表示式： i ：旦璺 ( 3 1 1 ) 毋 式中，t 、d 都是直接量，而m 是间接量，无法直接进行控制，需将m 用直接量来表 刁i o 基速以下时，西= 虬。标么值西= 1 所以( 3 1 1 ) 式可表示为 r = t x d ( 3 1 2 ) 基速以上时，反电势e = c 。蜊恒定，西和n 呈反比例关系。当采用标么值时， m 可用下式表示： m = n j n ( 3 1 3 ) 式中，n 。为电动机基速值，n 为电动机实际转速值。由于( 3 - 1 3 ) 式存在的条件是基 速以上，所以n 的取值范围是n c 至n 。；段。 因此，标么值妒= 南( 3 - 1 4 ) m a x ( n e ，n ) 表示取m 至n 中最大值。 当基速以下时，n n c 时，输出值 n = 输入值n ，则r a i s e l o w e r 输出端成为一个以基速为下限幅值信号的斜坡输出，此 1 0 第3 章铝箔拉伸弯曲矫壹机组方案的设计 信号作为电枢电流信号的增益，用于补偿电流给定。 实现公式( 3 1 5 ) 的软件配置如图3 5 所示，圈中t 为张力给定电位器值，d 为瞬时卷径值。n 为卷取电动机的实际转速值。 张力绘定t 卷径d 性转矩m 。、空载转矩m o 和摩擦损失进行补偿。空载转矩m d 和摩擦损失可视为常量。 在电机输出的力矩中有一部分力矩用于克服静态摩擦和动态摩擦，必须对摩擦进 行有效补偿，这样才能准确的实现张力控制，其补偿量的大小依据现场设备情况通过 调试方式确定。图3 - - 6 分别表示出静摩擦和动摩擦补偿电流与电机转速的关系。 i l 拼鼍 匕兰业! 偿 l f _ 叫 l 转述n 鸠= 型3 7 5 尘d t = 4 型d 尘d t ( 3 1 6 ) z i 式中4=考鲁为常数；v：带材线速度；gd2：系统折算到电机轴上总的飞轮惯精。 j ) 万 ” g d 2 = g d i ) 2 + g d m 2 + g d 2 ( 3 1 7 ) 式中6 d d ：电动机的转子飞轮惯量；g d 0 ：卷筒及机械传动机构飞轮惯量；g d a 2 ： g ! d d 2 与耐都可视为固定量，只有g d a 2 随着料卷直径不同而变化。 根据飞轮惯量定义，由料卷折算到电机轴上的飞轮惯量为： 第3 章铝箔拉仲弯曲矫直机组方案的设计 g 巧= 2 1 _ l j 2j f “b 万旧p p d 3 棚= 素窟r p b ( d 4 一联) 式中i ：卷取机减速比；r _ 卷材比重；b ；卷材宽度；p ；卷材占积率， o9 6 ；d o ：最小卷材直径( 卷简外径) ；d ：瞬时卷径。 将上式改写为：g d a 2 = a t b ( d 4 - - d 0 4 ) 式中a = ； r p ，则总匕轮惯鬣： ( 3 1 8 ) 一般取0 9 3 ( 3 1 9 ) c , d 2 = g i b 2 + g d m 2 - 4 - a z b ( d 4 - - d 0 4 ) - - a 2 b d 4 + a 3 ( 3 - 2 0 ) 式中a 3 = g d d 2 + g d m 2 - - a 2 bd ，将其代入( 3 1 6 ) 式中，得： m g = ( a ，b d 3 + a ：土) 竺 ( 3 2 1 ) 。 。) d t 忽略a 4 时，则；m 9 2 ( a ! b d 3 + a 5 面i ) d d t v - ( 3 2 2 ) 式中a 4 = a 2 d 0 4 ；a s = g d 0 2 + g i k 2 。 依据公式( 3 - 2 2 ) 以补偿转矩的方式对张力进行动态补偿，在5 9 0 + 装置中利用 特殊功能块t e n s + c o m pc a l c 可以方便地实现该补偿功能，其软件实现如图3 7 所 示。其中转速补偿未在公式( 3 - 2 2 ) 中示出，i i 来自于卷径计算模块【1 9 】。 燎掩补偿 转述补偿 旋转方向 a s a 2 聿： 龃b 线述艘v 动补偿m 图3 7 动态补偿软件图 3 1 4 小结 张力控制是卷绕自动化生产线中的关键技术。本系统中我们采用了最大力矩法进 行间接张力控制，利用s 9 0 + 内部提供的标准功能块，实现了带材卷取张力控制的新 方法。经过生产运行证明，该系统张力稳定性好、运行可靠，可以满足薄带张力稳定 性要求较高场合下的张力控制。 3 2 铝箔拉伸弯曲矫直机组中的延伸率控制 3 2 1 延伸率测曩的基本原理 铝箔拉伸弯曲矫直机是提高铝带材产品质量的重要设备之一。它通过对带材实施 定量的延伸( 延伸率 。，则拼婶) = 。( _ j ) ； 1 4 篁! 童塑塑垫壁皇些堑皇壑丝查墨塑燮 规则2 ：若i s ( 露脚 。，则氓i | ) = 体一1 ) ； 规则3 ：若q 。d l p ( 七) l e m 。，则( j ) = ( 七一1 ) + k p l 【p ( 七) 一e ( 卜1 ) 】+ b p ( 膏) ； 规则4 ：若。 每2 ，毛= 0 。) 式中，e ( k ) ：偏差；u ( k ) ：控制量；。：最小允许偏差：岛。x 最大允许俯差；e , m l d ： 中问偏差；u m s x ( k ) ；最大控制量。 智能p i d 算法是在p l c 中完成的，其程序流程图如图3 一l o 所示a 图3 1 0 智能p m 程序流程图 对于智能p i d 规则中，原则上e 。，e 矗d 和弓d 血的大小应为延伸率最大误差的1 2 ， l 4 和1 1 0 ，但是在不同的实际系统中，e m 。和e 商。的值应在调试中确定刚。 在铝箔拉伸弯曲矫直机组中采用延伸率智能控龇后，从已投入运行的两条生产线 的运行效果看，系统稳定可靠。操作方便，能够满足机械系统的各项性能指标和工艺 要求，提高了产品质量。 第4 章现场总线技术的应用 4 现场总线技术的应用 根据系统的实际应用情况，本章介绍了现场总线技术和现场总线控制系统的一些 基本概念，分析了p r o f i b u s 现场总线技术的特点，介绍了本项目中现场总线技术 的应用情况和应用效果。 4 1 现场总线技术概述 4 】1 现场总线简介 现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成 为可能后，于1 9 8 4 年左右提出的。现场总线一般定义为；应用在生产现场的测量控 制设备与主拄站之问实现双向串行多节点数字通讯的信息通道，也被称为开放式、数 字化、多点通讯的底层控制网络。现场总线的出现导致了新型的网络集成式全分布控 制系统现场总线控制系统( f c s ) 的出现。传统的模拟控制系统采用一对一的设备 连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间， 控制器与位于现场的执行器、开关、马达之问均为一对一的物理连接。现场总线系统 由于采用了智能设备，能够将原来d c s 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出 模块置入现场设备，加上现场设备具有通讯能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等 执行机构直接传送信号，因而控制系统的功能可以不依赖控制室的计算机或控制仪 表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制l 捌。 41 2 现场总线的技术特点及优点 ( 1 ) 现场总线的特点： 1 ) 系统的开放性； 2 ) 互操作性与互用性； 3 ) 现场设各的智能化与功能自治性； 4 ) 系统结构的高度分散性； 5 ) 对现场环境的适应性： ( 2 ) 现场总线的优点： 1 ) 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执 行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可以减少变送器的数量，不再需要单独的 调节器、计算单元等，也不再需要d e s 系统的倍号调理、转换、隔离等功能单元及 其复杂的接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资。 2 ) 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通 常可以挂按多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接 头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就 1 6 纂4 章瑶场总线技术的应用 _ _ _ _ _ - _ - _ 一一 近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也节省了设计、安装的工作量。 3 ) 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通 应数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断 维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间同时由于系统 结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4 ) 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备 来集成系统。避免因选择了某一种产品而被限制了使用设备的选择范围，不会为系统 集成中不兼容的协议、接1 ：3 而一筹莫展，使系统集成过程的主动权牢牢掌握在用户手 中。 5 ) 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模 拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精度，减少了传送误差。同时，由于系 统结构简化，设备间的连线减少，现场仪表内部功能增强，减少了信号的往返传输， 提高了系统工作的可靠性。 4 13p r o f i b u s 现场总线概述 p r o f i b u s 是目前周际上通用的现场总线标准之一，它以其独特的技术特点、严 格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已被列入现场 总线的国际标准i e c6 1 1 5 8 和欧洲标准e n5 0 1 7 0 ，并于2 0 0 1 年被定为我国的国家标 准j b t 1 0 3 0 8 3 2 0 0 1 f 2 7 i 。s 。 p r o f i b u s 是不依赖生产厂家的、开放的现场总线。各种各样的自动化设备均可 通过同样的接口交换信息。p r o f l b u s 用于分布式i o 设备、传动装置、p l c 和基于 p c 的自动化系统。 p r o f i b u s 由3 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 围设备) 、p r o f i b u s - f m s ( f i e l dm e s s a g es p i f i c a t i o n ，现场总线报文规范) 和 p r o f i b u s - p a ( p r o o 鼬a u t o m u i o n ，过程自动化) 。p r o f i b u s d p 是种高速低成 本通信，以其较快的传输速度和强抗干扰能力而应用于设各级控制系统与分散式 i o 的通信；p r o f i b u s - p a 专为过程自动化设计，它直接和现场的传感器或执行 器连接，并可通过d p p a 接口与d p 总线连接，使用于安全性要求较高以及由总线供 电的场合；p r o f i b u s f m s 是一个令牌结构、实时多主网络，主要解决车间级的 通用型通信任务，可以提供灵活而大量的通信服务。 在p r o f i b u s 现场总线中，p r o f i b u s - d p 的应用最广。d p 协议主要用于p l c 与分布式i o 和现场设备的高速数据通信。典型的d p 配置是单主站结构，也可以是 多主站结构。我们在铝箔拉伸弯曲矫直机组电气控制系统中采用了p r o f i b u s - d p 总 线网络1 2 9 1 1 3 0 3 q 。 1 7 一 釜! 童墅璺垡垫查塑些旦 - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ 一一 4 2p r o f i b u s d p 协议结构 在两实体间控制数据交换的规则的集合称为通信协议。协议的关键成分包括以下 三部分； 语法：包括数据格式、编码及信号电平等。 语义；包括用于协调和差错处理的控制信息。 定时：包括速度匹配和排序。 由于系统中实体问通信的任务十分复杂，要求使用结构式的设计和实现技术，即 使用分层或层次结构的通信协议。较低级别的，更原始的功能在较低级别的实体上实 现，而它们又向较高级别的实体提供服务。采用结构式协议设计实现用户通信功能的 硬件和软件被称为通信体系结构d 2 。 p r o f i b u s 分层结构符合i s 0 7 4 9 8 的o s i 参考模型。p r o f i b u s 规范定义了第 一层( 物理层，p h y ) ，第二层( 数据链路层，f d l ) 和第七层( 应用层) 。三至六层 为空( 未被明确实现，部分功能被加到第二层和第七层) ，为的是减少开销和提高有 效性。 p r o f i b u s - d p 仅使用第一层i h y ) ，第二层( f d l ) 以及直接数据链路映射 ( d d l m ) 机制与用户接口，如图4 - - i 所示。直接数据链路映象d d l m ( d i r e c t d a t a l i n km a p p e r y 提供易于进入第二层的用户接口，用户接口通过d d l m 对f d l 进行访 问，使得数据交换变得简单方便哪! 1 3 4 1 。 层3 、4