高位肖 郭永紅

(河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，河北石家莊，050061)

在造紙生產(chǎn)或原紙?jiān)偌庸ぶ?，卷取是一個(gè)十分重要的工序。卷取過(guò)程一般要求恒張力，需要配備先進(jìn)的直流調(diào)速系統(tǒng)。目前，西門子的6RA70調(diào)速器在直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，但是，6RA70沒(méi)有現(xiàn)成的卷徑計(jì)算模塊。卷徑計(jì)算對(duì)于速度和張力控制都是至關(guān)重要的。S00是西門子6RA70的選件，它提供了一些邏輯、數(shù)值計(jì)算等功能模塊，用戶可根據(jù)具體工程和工藝要求來(lái)編制搭建自己的控制系統(tǒng)。本文介紹了S00選件在自調(diào)整卷徑計(jì)算中的應(yīng)用，目的是進(jìn)行恒張力控制。

1 恒張力卷紙系統(tǒng)原理

在卷紙過(guò)程中，紙卷的直徑逐漸增大，因此在整個(gè)過(guò)程中保持紙張的張力不變十分重要，因?yàn)閺埩^(guò)大會(huì)將紙拉斷，而張力過(guò)小，則可能造成卷繞松馳。為了保持卷繞過(guò)程中紙的張力不變，必須在紙卷直徑增大時(shí)，使驅(qū)動(dòng)紙卷的電機(jī)的輸出力矩也增大。并且如果要保持卷繞紙的線速度不變，須使卷軸筒的轉(zhuǎn)速隨之降低。因此控制卷紙的系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)恒張力的控制系統(tǒng)。該自控系統(tǒng)原理如圖1所示。

由圖1可知，該控制系統(tǒng)給定了線速度和張力，測(cè)速電機(jī)進(jìn)行速度反饋，另外通過(guò)張力傳感器進(jìn)行紙張張力反饋。張力反饋經(jīng)過(guò)適當(dāng)運(yùn)算后也轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。為了保障卷取過(guò)程的恒張力，隨著紙卷直徑的增大，電機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速需要不斷調(diào)整。紙卷的直徑是速度反饋和張力反饋中的重要計(jì)算量，因此系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)計(jì)算出紙卷的直徑。西門子6RA70直流調(diào)速器內(nèi)部提供了一系列可以自由使用的功能模塊，用戶可以任意組態(tài)出圖1中的功能。但是，6RA70內(nèi)部沒(méi)有提供現(xiàn)成的卷徑計(jì)算模塊，解決的方法是可以采用PLC控制器，但這樣會(huì)加大系統(tǒng)的復(fù)雜度。如果系統(tǒng)的卷取速度不是很快，就可以采用6RA70自帶的S00選件來(lái)自由組態(tài)卷徑運(yùn)算功能模塊。S00選件的使用可以使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 自調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑計(jì)算

由圖1可知，卷徑計(jì)算是要求實(shí)時(shí)進(jìn)行的。卷徑運(yùn)算的結(jié)果是速度反饋、張力反饋以及卷徑運(yùn)算本身的重要計(jì)算量。對(duì)于恒張力系統(tǒng)，卷徑運(yùn)算的高效率和準(zhǔn)確性非常重要。

圖1 卷紙系統(tǒng)恒張力自動(dòng)控制原理圖

自調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑運(yùn)算的原理如圖2所示。圖2中卷徑計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄卷徑的圈數(shù)。卷徑計(jì)數(shù)器是一個(gè)可以進(jìn)行加或減的計(jì)數(shù)器。接近開(kāi)關(guān)是一個(gè)測(cè)速器件，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周，接近開(kāi)關(guān)發(fā)出1個(gè)高脈沖，允許卷徑計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1次。理論角速度和實(shí)測(cè)電機(jī)角速度的差值決定卷徑計(jì)數(shù)器是加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)。卷徑計(jì)數(shù)器的輸出與卷取材料的厚度相乘就可得到紙卷的直徑。

在實(shí)際工作中，由于誤差及各種故障的存在，可能會(huì)出現(xiàn)卷徑計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與實(shí)際卷徑值不一致的情況。如果出現(xiàn)這種情況，卷徑模塊應(yīng)能自行調(diào)整，使兩者趨于一致。這里采用將電機(jī)理論角速度與實(shí)測(cè)角速度對(duì)比的方法來(lái)調(diào)整。

理論角速度是根據(jù)當(dāng)前的卷徑值計(jì)算出來(lái)的電機(jī)應(yīng)該具有的角速度。如果理論角速度大于實(shí)測(cè)角速度，說(shuō)明卷徑值較小。這時(shí)，通過(guò)兩個(gè)比較器的輸出可使卷徑計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)。在卷徑過(guò)程中，如果設(shè)備工作正常，大部分時(shí)間里，卷徑計(jì)數(shù)器處于加計(jì)數(shù)狀態(tài)。但是由于系統(tǒng)會(huì)有一些不穩(wěn)定狀態(tài)，比如打滑等，可能導(dǎo)致實(shí)際沒(méi)有卷紙，但計(jì)數(shù)器值卻增加了。如果是這樣，就會(huì)出現(xiàn)理論角速度小于實(shí)測(cè)角速度的情況，出現(xiàn)實(shí)際卷徑值小于卷徑計(jì)數(shù)器的值。此時(shí)，兩個(gè)比較器會(huì)控制卷徑計(jì)數(shù)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)。減計(jì)數(shù)可以排除系統(tǒng)故障引起的實(shí)際卷徑值與卷徑計(jì)數(shù)器值不一致的問(wèn)題。通過(guò)自動(dòng)調(diào)整計(jì)數(shù)器的加和減，可以使實(shí)際卷徑值與計(jì)數(shù)器值相一致，就可以獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的卷徑值，為后續(xù)的張力和速度反饋提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

在理論角速度與實(shí)測(cè)角速度比較時(shí)，為了使比較效果具有滯后性，增加比較的準(zhǔn)確度，在比較之前，各自有一個(gè)小的上調(diào)值。上調(diào)值的大小可在實(shí)際系統(tǒng)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定。圖2中材料的厚度也根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來(lái)設(shè)定。

3 S00工藝軟件在卷徑計(jì)算中的應(yīng)用

圖2 自調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑運(yùn)算原理圖

圖3 S00選件卷徑工藝

S00是西門子控制器6RA70的用于卷取控制的選件，它提供的軟件模塊有幾百個(gè)，根據(jù)前面介紹的自調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑運(yùn)算，這里選用的軟件模塊包括(如圖3):帶濾波的絕對(duì)值發(fā)生器 (60)、加法器(20、21)、限幅值監(jiān)控器 (73、74)、定時(shí)器 (240)、與門 (120、121)、或門 (150)、線速度/轉(zhuǎn)速計(jì)算器 (115)、16位軟件計(jì)數(shù)器 (89)和乘法器 (50)。括號(hào)中標(biāo)明的數(shù)字是該軟件模塊在說(shuō)明書中的編號(hào)，如圖3所示。這些軟件模塊有輸入量和輸出量，輸入量和輸出量可使用系統(tǒng)提供或指定的各種連接器來(lái)完成。這些連接器還可以作為兩個(gè)或多個(gè)模塊之間的參數(shù)進(jìn)行傳遞。

在圖3中，K0013中為實(shí)測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)60號(hào)絕對(duì)值發(fā)生器模塊由K9160輸出。K9257為根據(jù)卷徑計(jì)算值和給定線速度得到的理論角速度。在115號(hào)模塊中給定線速度在U522參數(shù)中設(shè)定。在20和21號(hào)加法器模塊中，輸入量有3個(gè)，可設(shè)定K9502為0，K9501中為根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)值，用于滯后比較。240號(hào)定時(shí)器模塊用于延時(shí)，等待系統(tǒng)啟動(dòng)穩(wěn)定后再打開(kāi)與門(120和121號(hào)模塊)并允許計(jì)數(shù)，其中U442參數(shù)中為定時(shí)時(shí)間。

表1 參數(shù)或連接器的用途

或門150的3個(gè)開(kāi)關(guān)量連接器允許接入3種暫時(shí)停止計(jì)數(shù)的情況，比如斷紙、臨時(shí)停車、換軸等，如有需要這里還可以進(jìn)行擴(kuò)充。與門120和121中的B0020為接近開(kāi)關(guān)輸出的高脈沖，可以控制計(jì)數(shù)的頻率。50號(hào)乘法器的K9503可用來(lái)設(shè)置材料厚度。其他參數(shù)或連接器的設(shè)置及含義如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

卷徑計(jì)算是紙加工自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，卷徑計(jì)算是否準(zhǔn)確將直接影響控制系統(tǒng)的性能。本文中介紹的自動(dòng)調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑算法，能根據(jù)實(shí)測(cè)值和理論值的比較自動(dòng)修正卷徑計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，使得計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與實(shí)際卷徑值一致。通過(guò)深入分析S00選件的功能模塊和自調(diào)整計(jì)數(shù)器式卷徑計(jì)算的原理，文中給出了S00選件在該卷徑計(jì)算中的應(yīng)用。對(duì)模塊的選取、模塊的參數(shù)以及模塊之間的連接器的使用都給出了詳細(xì)的描述。

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