本科毕业论文——基于PLC的热定型控制系统_基于plc的毕业论文

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目录

第一章

绪论.............................................................................................1

1.1课题分析...........................................................................................................1

1.2国内外现状分析...............................................................................................1 1.3课题意义...........................................................................................................2

第二章

热定型原理及总体设计............................................................3

2.1热定型工艺原理和设备...................................................................................3

2.1.1化学纤维的热定型理论.........................................................................3 2.1.2热定型过程.............................................................................................4 2.1.3影响热定型效果的因素.........................................................................5 2.1.4热定型设备.............................................................................................6 2.2控制系统设计...................................................................................................6

2.2.1控制系统组成以及工艺要求.................................................................6 2.2.2计算机控制系统.....................................................................................8

第三章

拉幅张力控制系统..................................................................10

3.1拉幅工艺要求.................................................................................................10

3.2张力控制硬件组成.........................................................................................11 3.3 590型全数字驱动器......................................................................................11 3.4张力控制策略.................................................................................................14

3.4.1模糊控制...............................................................................................14 3.4.2比例积分控制PI..................................................................................16

第四章

热风循环控制系统..................................................................18

4.1热风循环系统工艺要求.................................................................................18

4.2温度控制系统的硬件组成.............................................................................18 4.3 AL808智能仪表PID自整定过程................................................................19 4.4专家智能自整定PID控制器........................................................................19

4.4.1智能PID调节器的发展......................................................................19 4.4.2专家系统智能自整定PID控制器......................................................20 4.4.3专家系统智能自整定PID控制器在热风炉加热系统中的应用......21

第五章

通讯协议和通讯链路设计......................................................26

5.1通讯协议选择.................................................................................................26

5.1.1 RS-232C总线.......................................................................................26 5.1.2 RS-422/485总线..................................................................................27 5.1.3 MOXA多串口卡.................................................................................28 5.2上位机和下位机通讯实现.............................................................................28

5.2.1智能仪表和上位机连接方案选择.......................................................28 5.2.2智能仪表和上位机连接框图...............................................................30 5.2.3数据通讯协议.......................................................................................30

第六章

热定型机监控系统..................................................................32

6.1 SCADA系统..................................................................................................32

6.2监控系统设计.................................................................................................35

第七章

拉伸同步控制系统..................................................................38

7.1拉伸控制策略.................................................................................................38

7.2拉伸同步控制系统.........................................................................................39

7.2.1拉伸同步控制系统组成.......................................................................39 7.2.2拉伸同步控制系统编程及说明...........................................................40

第八章

实验及结果分析......................................................................42

8.1引

言.............................................................................................................42

8.1.1本实验应用的行业...............................................................................42 8.1.2使用的产品...........................................................................................42 8.1.3实验的主要工艺点及要解决的主要问题...........................................42 8.1.4实验方案简介.......................................................................................42 8.2实验方案详细介绍.........................................................................................45

8.2.1系统组成...............................................................................................45 8.2.2数学模型...............................................................................................46 8.2.3卷绕张力控制系统分析与设计...........................................................48 8.2.4同步控制系统分析与设计...................................................................49 8.3实验步骤.........................................................................................................49

8.3.1模拟量输入单元参数设定...................................................................49 8.3.3模拟电流输出单元参数设定...............................................................52 8.3.4 DM区和IR区.....................................................................................52 8.3.5实验系统调试.......................................................................................54 8.4实验记录.........................................................................................................54 8.5实验结果分析.................................................................................................55

参考文献...................................................................................................56 附

录..................................................................错误！未定义书签。致

谢..................................................................错误！未定义书签。

第一章

绪论

1.1课题分析

造纸网是造纸行业的一种重要的消耗材料，是用于纸或纸板成形和脱水的织物。随着造纸行业的不断发展，对造纸网的质量和成本提出了越来越高的要求。原有的磷青铜丝造纸网(简称铜网)，由于其成本高，耐磨强度低，渐渐的淡出了造纸行业，取而代之的是合成纤维织成的插接网，现在国内造纸行业使用的造纸网主要是聚酯网。由于合成纤维耐磨强度高，用于代替金属网，不但寿命可以延长2—5倍，经济效益增长，而且还可以织出多层和更多花纹。所以聚酯网和聚酯干网已成为当前造纸行业首选的脱水成型材料，并且以其较低成本和优良的性能已经稳稳的占据了市场。此外，聚酯纤维也可以织造产业用布，如造纸毛毯，制作复合材料等。

在聚酯纤维加工时，已先经过一个牵伸热定型处理。在织造成织物后，由于织物本身的物理特性(易变形，对温度敏感)，在使用前还需要有一个热定型的过程。此外，在纺织和织造以及练漂、染色、印花等加工过程中，纤维和织物经常要受到各种外力的作用，特别是织物的经向在湿热状态下受到反复的拉伸和经过多次中间干燥的环节，迫使织物经向伸长而纬向收缩，尺寸形态不够稳定，并呈现出幅宽不均、布边不齐、纬斜以及烘筒烘干后产生的“极光”和手感粗糙等缺点。为了尽可能地纠正上述缺点，织物在完成练漂、染色、印花的基本加工工序后，所以一般都要进行热定型处理。

热定型机用于对宽幅产业用布和产业用网(以下简称织物)进行定型加工，在适宜的温度、张力下对织物进行定型工艺处理，使之达到稳定状态。

1.2国内外现状分析

目前，我国的造纸网企业中使用的造纸网热定型机大多是由国外(主要是挪威和瑞典)引进或和国外的企业合作生产的，例如，1993年挪威的PRO公司与国内的厂家合作生产了热空气对流式热定型机，幅宽8.5米和12米各一台。但是，这些造纸网热定型机的造价十分昂贵，只为国内的少部分企业拥有。近年来，国内造纸行业对于聚酯网需求的急剧增加，随着造纸网行业对于热定型技术认识的逐步成熟，一些有实力的造纸网企业联合国内的科研院所，研制出具有自主知识产权的造纸网热定型机。其中，西安航空发动机公司冶金处研制的造纸网热定型机，已经在国内的很多企业成功应用。

但是随着国内造纸行业的发展，对于造纸网的生产提出了更高的要求，国内研制的第一批热定型设备已经不能满足日益变化的市场需求，在技术上也已经远远落后于国外的热定型设备。主要原因是：在研制的初期，国内对于造纸网的使

用还处于初级阶段，对于热定型机的工艺原理和控制技术认识不太深刻，研制出的热定型机总体技术水平不高，而且应用的自动控制系统难于扩展，不能很好的适应新的生产工艺的要求。维护费用高，维修工期长。现在从国外进口一台热定型设备价格在600万左右，价格十分昂贵。

1.3课题意义

国内使用热定型设备的很多企业都在探讨如何节约成本，提高质量，研制可靠实用的热定型机。所以，鉴于该项目具有广泛的通用性，可以较为迅速的推广到各个造纸网生产企业，因而具有较高的经济效益和社会效益。而且，由于该课题参考了国外先进的热定型机生产技术，应用了较为先进的计算机控制技术，因此，在国内的造纸网行业具有一定的领先性。

同时伴随着计算机技术的不断发展，自动化程度的不断提高，可编程控制器（PLC）在过程控制中的应用也越来越广泛。PLC具有以下特点：第一，可靠性高、抗干扰能力强、平均故障时间为几十万小时。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。一些PLC还根据具体问题设计了如步进梯形指令等，进一步简化了编程。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子性能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。因此PLC以其可靠性高、编程简单、在线编程、易于修改、性价比高等显著特点广泛应用于现代控制中，成为控制器的理想选择之一，而以PLC与通信网络相结合所构成的分布式控制系统已经成为现代工业过程控制的有效解决方案之一。因此本课题采用日本ORMON公司的C200HG PLC作为控制器对热定型机进行控制。

第二章

热定型原理及总体设计

2.1热定型工艺原理和设备 2.1.1化学纤维的热定型理论

为了深入的研究造纸网热定型的机理，有必要先认识所使用的纤维的结构和性能，在此基础上才能认识到织物定型后结构的变化。当前我国的造纸网一般都以聚酯纤维作为原料，为使其形态得以固定，只能利用其热塑性能，把由它们织成的织物在一定的张力作用下进行热处理，使其尺寸和形态得以稳定。这种加工工艺称作热定型。

用于制作造纸网的聚酯纤维虽然在化纤厂已进行过纤维的延伸热定型加工，但分子链的取向还不是很稳定，只要预热或受到外力的作用，纤维内分子振动便加剧，外界作用力的能量大于它的初始状态时，分子便会活化弯曲，使纤维回缩引起织物外形和尺寸的变化。尤其在造纸网的制造过程中，纤维要经过梳理、纺线、织造等多道工序加工，纤维在受到各种外力作用时不断地被拉伸、扭转、弯曲、压缩等。它们所受到的外力大小不匀，引起纤维内部各个结构单元的位移。

位移的大小受到分子间作用力的制约，当大分子的刚性越强或分子间作用力越大时，由原始状态进入新的状态所需跨越的能峰越高；而在新状态下建立新的分子间的结合，则又会降低新的位谷高峰，使体系难于逆转而稳定在新的状态。这就更加剧了纤维内部应力变化不匀的倾向。为了避免因应力不匀而造成织物的变形，造纸网都要在前部工序加工结束后，进行热定型处理，目的是使其内部应力调整到平衡状态，织物所处的新能级低于原来的能级，则织物在新的状态下更为稳定。只有织物具有了足够的稳定程度才能送交用户使用。织物稳定态曲线见图2-1。

图2-1 织物稳定态曲线

各种热塑性纤维都有各自不同的最高熨烫温度、可塑性开始温度、软化点温度、热定型最适温度、热强度等于零的温度和熔融温度。对其制品作热定型处理，只能在可塑性开始温度到热定型最适温度区间进行。如果温度低于可塑性开始温度则达不到定型的目的；若温度超过热强度等于零时的温度，则该织物的强度反而会降低，亦达不到热定形的效果。具体温度值见图2-2。因此热定形的温度必须严格掌握在规定的范围内，越接近热定型最适温度，其定型效果越佳。在热定型的过程中还必须保证温度的持续稳定，不能出现较大的波动，不然就会造成成品定型效果上的差异。

图2-2 热定型温度示意图

从分子的晶体理论角度看，纤维在受热过程中，纤维分子的热振动加剧，链段活化。开始时有些小的晶体会出现熔融，随着温度的提高，则互相连接形成较大的结晶，随着温度继续升高，完整性差的结晶继续熔融再结晶，使结晶更大。在此过程中，晶体完整地向较大的方向集中，同时随着张力的提高，分子链的取向度增加。离开受热区域后温度迅速下降，使分子链得以稳固，即受热的织物在热区形成的尺寸得以稳定，完整性得到提高。在变化过程中，织物的密度也会发生变化，温度越高结构越紧密，织物的密度增值也就越大。热定型时织物是松弛状态还是拉伸状态，其性能形状变化都会有所不同。织物经热定型后，硬挺度增加，抗变形能力也增加。定型温度越高，织物越板硬。织物表面出现明显的结晶颗粒，说明局部温度已达到熔融温度，手感也更粗糙。

合成纤维的热定型过程是大分子链解冻，进行扩散和重新调整，建立新得更为致密和稳定结构的过程，使织物结构更为密实和稳定，纤维的初始模量增加，纤维的刚性增加。在热定型时施加张力越大或伸长率越大，所产生的最大弹性恢复的最适温度越高，热回缩率降低。多次热定型处理的叠加效应，能形成较为稳定的结果。

2.1.2热定型过程

根据化学纤维的热定型理论，我们可以总结出，热定型的作用主要有两个：

第一，平整前道工序加工中产生的积聚在纤维内部的应力，改善和提高其物理机械性能，提高布面平整度；第二，提高织物的尺寸稳定性和抗温度的热收缩性，并达到成品的尺寸要求。

热定型实际上是在一定的温度和张力下的紧张定型，这样可以使所有的纱线都在相同的紧张状态，达到聚酯网的定型尺寸。在定型的过程中施加了一定的拉伸，这就不可避免的在消除前段工序产生的应力和高弹变形的同时，出现了新的高弹变形。所以，在紧张定型后，必须经过一段松弛定型，以使这种变形稳定下来，否则织物的尺寸稳定性就差。

织物的热定型工艺流程可以用图2-3表示：

图2-3 热定型工艺流程图

2.1.3影响热定型效果的因素

经过调研分析，可以总结出以下因素对造纸网的热定型效果有重要影响。1.温度

热定型温度必须选择在高于最高熨烫温度，而低于熔融温度的范围内。温度高，所需的热定型时间短，但温度过高，晶体的折叠链作用反而减少，伴随拉伸的张力作用，织物将被过度拉伸，纤维强度严重下降。合适的定型温度对提高纤维的结晶度及结晶完整性，改善和提高尺寸稳定性至关重要。聚酯纤维的最佳热定型温度为170 oC-200 oC左右，不同定型阶段温度也应不同。在热定型机上，最高温度要比织物将来使用时温度略高。如果聚酯网用作造纸网，则还与纸网在机运行速度有关。不同材料的聚酯网其热定型温度略有差异。

2.时间

高聚物结晶过程和松弛过程都需要一定的时间，时间越长，结晶和松弛越充分。不同的纤维，由其分子结构所决定的松弛时间的长短是不一样的。对同一种纤维，松弛时间视温度而定，温度越高，结晶和松弛时间越短，反之亦然。如果热定型时温度较高，则可采用较快的速度以免局部温度过高。

3.含湿率

某些高聚物纤维在干态和湿态条件下的定型效果有显著不同。在有水分子参与的热定型中，水分子能产生很大的增塑效应，即由于小分子的存在，纤维大分子的运动变得更容易。在相同的温度下，如果纤维含有一定的水分，将加速热定

型的进行，或者说含湿状态有利于改善热定型效果，现在纤维在生产时表面已浸有油脂，可以起到一定的改善作用。

4.拉伸率

在热定型中，对织物进行一定的拉伸，除了达到需要的尺寸外，还可以改善纤维网的分布结构，增加纤维沿纵向的分布。这对提高网的拉伸强度和尺寸稳定性极为有利。拉伸率过大将产生新的高弹变形，影响最终产品的尺寸稳定性。此外，张力的存在对分子链再折叠过程产生阻碍作用，影响其结晶度的提高，张力越大，相应的定型温度也该提高。

5.张力

拉伸张力也是一个很重要的因素，张力过大，使得织物被过度牵伸，织物强度下降，张力过小，不能消除内部应力，织物尺寸也达不到要求。同时，在热定型中，如果拉伸速度稳定，则张力上升变化的也比较平稳。这就要求纵向拉伸部分要速度稳定，横向拉幅要控制好张力。

2.1.4热定型设备

当前国内厂家使用的热定型机大都是热空气对流式热定型机。热空气对流是指将空气加热后，用强力风机把热空气吹向网表面，在网背面的相对位置是风机的进风口，强力抽吸造成一定的负压，迫使热空气从网中穿过，回收后再加热循环使用。只要控制好热空气的温度，监测抽吸的空气温度，对加热的温度进行调节，加工的织物就可达到最佳的定型温度。

另外一类加热的方式采用导热油辊，用内部有导热油的辊给网接触式加热，这在普通布织物中是普遍使用的一种加热方式。但是对于12米宽的辊制造比较困难。而且，辊的设计直径为0.9米，这样所需加热油也较多，加热油的热惯性将是个大问题，开始定型时候加热时间长，加热过程中温度变化比较缓慢，不能适应要求。因此，设计方案中没有采用热辊加热方案。

本课题中的定型机由主框架、悬臂梁、可移动前支架、主动辊、主动辊传动装置、拉伸辊、拉伸辊传动装置、拉伸架、拉伸架传动装置、拉幅架、拉幅架传动装置、上热风箱、下热风箱、热风箱传动装置、热风炉及计算机控制系统组成。

2.2控制系统设计

2.2.1控制系统组成以及工艺要求

热定型机示意图如图2-4所示。

图2-4 热定型机示意图

该机由主框架、悬臂梁、可移动前支架、主动辊、主动辊传动装置、拉伸辊、拉伸辊传动装置、拉伸架、拉伸架传动装置、拉幅架、拉幅架传动装置、上热风箱、下热风箱、热风箱传动装置、热风炉和计算机控制系统组成。该机主要部分的功能和技术指标如下：

1.主动辊部分

主动辊部分由主动辊、减速箱、直流电动机、调速器和控制系统组成。主动辊传动环状织物。直流电动机功率为13KW，要求可逆运行，要求主动辊的圆周速度在1米/分—20米/分的范围内连续可调，采用英国欧陆公司生产的590型调速器实现平滑调速。

2.拉伸部分

拉伸部分由拉伸辊、前后拉伸架、前后螺母、前后双螺旋锭轴（丝杠）、前后减速器、前后拉伸直流电动机前后拉伸调速器、前后张力传感器和控制系统组成。前后拉伸电动机的功率均为13KW，均采用英国欧陆公司590型调速器实现平滑调速。要求拉伸速度在1厘米/分—25厘米/分范围内连续可调，拉伸辊在拉伸架的范围内可移动6米。

在热定型过程中，要求保证拉伸辊与主动辊平行，即要求前后拉伸机同步运行。在拉伸过程中还要求织物的纵向张力符合工艺要求。

3.拉幅部分

拉幅部分由底板架、导向轨、前后拉幅架、拉幅架传动装置、带针板的链条、链条传动装置、前后转臂、转臂传动装置、拉幅张力传感器和控制系统组成。

前后拉幅架分别由4KW直流电动机经减速器传动，要求可逆运行，移动速度在50厘米/分—350厘米/分范围内连续可调，分别采用英国欧陆公司590型调速器实现平滑调速。

在热定型过程中，根据工艺规定的横向张力自动调节前后拉幅架的位置，以

保证织物的定型质量。

4.加热部分

加热部分由750KW电加热器室(亦称热风炉)、送风机、管道、上热风箱、下热风箱、周波控制器以及智能调节器等组成。对加热系统的要求是升温快、超调小及幅向温度均匀，以保证织物的热定型质量。

2.2.2计算机控制系统

织物的热定型过程，既有运动控制又有过程控制，属于混合型生产类型。主要的控制任务包括：主动辊速度控制；前后拉幅架位置控制、速度控制和同步控制；前后拉伸机位置控制、速度控制和同步控制；前后转臂位置和速度控制；织物纵向张力控制；织物横向张力控制；前后链条速度控制；上热风箱位置和速度控制；前后拉伸架位置控制、速度控制和同步控制；热风温度控制。

根据热定型工艺的特点，采用IPC＋PLC＋IR的控制模式，工业控制计算机(IPC)为上位机，用于工艺流程画面显示、数据分析、工艺过程管理、工艺参数下装、存盘以及打印报表等。采用C168P多串口卡(COM3～COM9)，实现上位机与5台590型调速器、2块AL808型智能调节器(IR)的通讯联络。通过上位机的COM2口实现与OMRON公司C200HG型PLC的通讯联络。计算机控制系统框图如图2-5所示。

图2-5 热定型机计算机控制系统框图

本系统中，数字量输入（D/I）128点，数字量输出（D/O）112点；模拟量输入（A/I）8点，模拟量输出（A/O）5点，DA1～DA5；脉冲量输入5点，PG1～PG5。

1.工业控制计算机(IPC)

采用研华IPC－610H型工控机，除了基本配置外，增加了C168P多串口卡、PC7484多功能数据采集卡以及热电偶信号调理板。PC7484卡具有16路单端模拟量输入、4路模拟量输出、3路高速脉冲输入、16路开关量输入和16路开关量输出。使用PC7484卡中的12路A/D监视不同点的温度。使用Synall数据采集和监控软件，其运行系统具有生产和管理设备的数据采集功能、多点同时报警处理功能、设备监控参数的显示（改变、登录和趋势分析）功能、事故追忆功能以及安全管理功能。

2.可编程控制器

采用日本OMRON公司的C200HG－CPU43－E(CPU单元)、PA204(电源单元)、AD003(模拟量输入单元)、DA003(模拟量输出单元)、2个CTO21(高速计数单元)、2个ID217(晶体管输入单元)、OD219(晶体管输出单元)、3个OC225(继电器输出单元)、底板、编程器以及CX-P软件等构成PLC系统。通过上位机的COM2端口实现上位机与PLC的信息交换。

PLC用于热定型机的各种开关量控制、织物纵向和横向张力控制、拉幅架速度控制、拉伸机同步控制以及主动辊速度控制。

3.数字PID调节器（智能调节器）

AL808型数字调节器（智能调节器）用于热定型机的热风温度控制。通过上位机的COM8、COM9端口，实现两者的信息交换。

第三章

拉幅张力控制系统

3.1拉幅工艺要求

对织物的拉幅处理中，重要的是对织物的横向拉幅的处理，这不仅能让织物达到需要的尺寸外，还可以改善纤维网的分布结构，增加纤维沿纵向的分布。这对提高织物的拉伸强度和尺寸稳定性也极为有利。织物在热定型的过程中，由于拉伸作用和加热后分子聚合作用，织物在横向上整体表现为热收缩。热定型过程中各个阶段的加热温度不同，热收缩程度也不一样，但须保证横向张力在各个阶段一致。因此有必要在横向加上拉幅器，用细密的针板挂住织物边缘，在织物过度收缩张力减小时候，拉幅器向外运动，增大横向张力，在张力过大时候，拉幅器向中心移动，相应的握持张力减小。目的在于使热定型效果最佳，使用时不会产生较大的收缩变形。在织物纵向拉伸的同时，横向上张力波动比较频繁，波动范围不大。拉伸率过大将产生新的高弹变形，影响最终产品的尺寸稳定性。因此，在拉幅控制过程中，最关键的部分就是对链条幅宽的调整，链条幅宽调整不好，就会造成拉幅后的织物的幅宽不均匀或不能达到预定的幅宽要求。

从以上对工艺的简要介绍知道，拉幅器在织物热定型过程中起到很大的作用。横向张力应保持在0.4kg/cm—1 Kg/cm左右。针板有效长度为3米，其后接有张力传感器，用来测量横向张力。

热定型中的张力波动主要是由于纵向拉伸和分子在热作用下的聚合作用所导致，不同于一般带材生产或纺织品热定型过程中的张力波动，采用普通的张力控制在此效果不明显。

拉幅装置由布侠(针铁)、链条、导轨、双向丝杠、左旋螺母、右旋螺母、减速箱、变频电动机、编码器及相应的机构组成，拉幅装置示意图如图3-1所示。

图3-1 拉幅装置示意图

当拉幅机用作高温热定形处理时，在热风烘燥机中，每个热风箱的链条机构即可独立调整又能同步调整，图3-1所示的仅是拉幅机用作拉幅处理时的一种形态。根据图3-1所示的拉幅装置示意图，当电动机顺时针方向转动时，双向丝杠带动左旋螺母和右旋螺母向里移动，左、右侧链条随之向里移动，幅宽减小;若电动机逆时针方向转动，则幅宽增大，可见拉幅控制系统是位置控制系统。

3.2张力控制硬件组成本系统采用变频器和交流电机，采用矢量变频的恒张力控制方案。拉幅和拉伸有一些不同，表现在拉伸电机拉伸时候从来不反转，而拉幅架有正反向运动以适应张力需要。减速器后有两套传动丝杠，两套离合器决定拉幅架向里还是向外运动。

A/D转换使用PLC模块型号为C200H-ADOOI，D/A模块为C200H-DA001。张力检测信号由A/D模块输入，控制信号由D/A模块输出给变频器。调速器采用英国欧陆公司(EUROTHERM)590型驱动器。机械部分包括减速器、离合器、丝杠、拉幅架、限位开关、针板等。

图3-2是张力控制系统的框图。

图3-2 张力控制示意图

3.3 590型全数字驱动器

英国欧陆公司(EUROTHERM)590型驱动器是全数字直流调速器，可实现直流电动机单象限或四象限运行控制，性能优异，具有很高的性能价格比。

1.技术特点

（1）高速16位微处理器

全数字化控制，所有控制功能的实现均由参数设定完成。可实现复杂的计算和控制，如自整定（AUTOTUNE）、参数优化、积分分离、超前/滞后、弱磁控制、张力控制、多级同步算法和控制方法。（2）软件模块化

软件采用模块化结构，由多种应用软件，用户可根据具体需要进行组态，可

实现自整定、位置控制、弱磁控制、张力控制以及多级同步控制。

界面友好，参数、诊断等信息可通过LCD文字显示的目录式菜单方便地设定、存储、调用。菜单分四级，一级菜单有7个分菜单；二级菜单有30个分菜单，有的一级分菜单含有14个二级分菜单；三级菜单有18个分菜单，有的二级分菜单含有7个三级分菜单；四级菜单有17分菜单，有的三级分菜单含有4个四级分菜单。

总共有500个参数。每个参数都有一个惟一标记号与之配用，用户在组态时，找出对应的标记号就可以进行各项设置。（3）速度反馈方式

带有ＩＲ补偿的电枢电压反馈、测速反馈、编码器反馈。

（4）直线、S曲线斜率控制

（5）完善的故障自诊断及记忆功能

故障锁定并显示，RS-422/RS-485串口输出自诊断信息。数字液晶监控LCD。发光二极管状态显示。（6）保护方式

线间器件网络；瞬态过电流；励磁故障；速度反馈故障；电机过热；晶闸管组过热（强制通风装置）；晶闸管触发电路故障；零速检测；停止逻辑；堵转保护。

（7）密码功能保护

（8）3个通讯接口

可与上位机、远距离数字操作站以及其它驱动器通讯。

（9）稳态精度

具有数字设定值的编码器反馈：0.01%；模拟测速反馈：0.1%；电压反馈：2%。

2.控制原理(1)电流电枢控制

电流环从速度环或直接从现场接受电流给定，给定信号与电流反馈的平均值之差形成电流环的误差信号ei，ei经PI（比例-积分）调节器运算后，产生电流环的输出，即触发信号。

在590系列中，误差信号分为两种，平均误差计算如上，并被送到PI调节器的积分部分；给定信号与瞬时反馈值之间的差值为瞬时误差，这一误差被送到PI调节器的比例部分，产生较高的瞬时效能，瞬时误差没有时间延迟；平均误差的时间延迟为主周期的1/6。

晶闸管的6个脉冲发生器的增益在电流断续时会急剧下降，为此，590系列采用自适应算法，电流调节器能够自动提高增益，以进行补偿。

(2)速度控制

速度环从外部回路（如位置环）接受给定，或直接从设备接受给定，并形成误差信号es，es是给定信号与速度反馈信号之差，该信号经PI调节器运算后，输出作为电流环的给定信号。

(3)磁场控制

磁场电流环的给定信号是由直接从面板或弱磁控制环中取得的信号与反馈信号之差形成。该给定信号经PI调节器运算后，输出励磁触发角信号，触发信号被转换成距电源过零点有一定延时的信号，并生产触发指令，在稳态时每1/2电源周期发给场桥一次。

电压控制为铭牌中未规定磁场额定电流的电动机提供了一种开路电压控制功能，其输出电压由输出/输入比控制，出厂时该比值定为90%，即输入电压415V时，所能获得的最大输出电压为370V，指定的比值直接决定触发移相角，但当电流变化或电阻磁场变化时，该控制没有调节功能。

磁场弱磁回路可接受最大电压请求作为给定，减去电枢反馈电压，形成误差信号，经PI调节器运算后，作为弱磁环的给定信号。

3.设定参数

在“MENU LEVEL”（菜单级）按[M]键便进入主菜单（一级菜单），操作[]、[]键找到“SETUP PARAMETERS”（设定参数）菜单，显示如下：

“MENU LEVEL”（菜单级）

“SETUP PARAMETERS”（设定参数）再按[M]键便进入设定参数菜单，显示如下：

“SETUP PARAMETERS”

“RAMPS”（斜坡）

即进入二级菜单的第一个分菜单“RAMPS”（斜坡）。再按[M]键，显示如下：

“RAMPS”（斜坡）

“RAMP ACCEL TIME”（斜坡加速时间）

进入分菜单“RAMPS”（斜坡）的第一个参数。再按[M]键，显示如下：

“RAMP ACCEL TIME”

“X SECS”（X 秒）

也就是进入了分菜单参数的数值级或逻辑级。通过操作[]、[]键可改变数值。按[E]键可返回到分菜单选择其它变量。反复按[E]键，可一路返回到“MENU LEVEL”（菜单级）。590系列的四级菜单结构如图3-3所示。

图3-3 590系列菜单结构

3.4张力控制策略

为了使张力控制达到响应快、超调小且精度高的目的，采用多模态分段控制算法，综合了模糊(FUZZY)控制和比例积分(PI)控制的长处。在实际操作中，按偏差的大小来分段使用。在某段内只有一种控制被使用，这种多模态分段控制给设计和调试带来了方便，需要注意的是切换点需要通过实验来确定，从而达到最佳控制效果。

3.4.1模糊控制

当偏差O

模糊控制包括模糊量化处理、模糊控制规则、非模糊化过程。规则表示和模糊计算等工作可以事先进行，运算的数据以表格的形式存放在计算机中，使用时直接查表即可。

输人变量取误差E和误差变化量△E两个变量，输出为控制量U，描述误差E,误差变化量△E、U的词集为：

{ NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}

NB:负大 NM:负中 NS:负小 ZO:零 PS:正小 PM:正中 PB:正大

变量变化的实际范围称为变量的基本论域。基本论域内的量是精确量，因而模糊控制器的输人和输出都是精确量，但是模糊控制算法需要模糊量。所以，输人的精确量需要转换为模糊量，这个过程称为“模糊化”，模糊算法所得到的模糊控制量需要转换为精确的控制量，这个过程叫“非模糊化”过程。为了能够借助数学的方法来综合控制规则，采用了将基本论域分成若干个档次的方法。取变量的模糊子集论域表示为：

{-n,-n+1, „, 0, „, n-1, n} 增加论域中的元素个数可提高控制精度，但增加了计算量，而且模糊控制效果的改善并不显著。在词集选为上述七个的时候，选择的E和△E、U的论域均为：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6} 为了实现模糊化，要在上述离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量之间建立关系，即确定论域中的每个元素对各个模糊语言变量的隶属度。

依据人进行控制活动时的模糊概念一般呈正态型模糊型的特点，以如下表初始确定了E和△E, U的隶属度。在实验过程中对E, △E, U的各个词集的隶属度分别进行修正。实践证明，这样能够较快的找到合适的隶属度µ。

表3-1 模糊变量E、△E、U的隶属度

模糊控制逻辑为二输人单输出型，模糊推理规则在用PLC实现时，采用如下的形式:

“IF E=PB AND △E =NS THEN U=NM“ 现在将所有的模糊控制规则列表如下(其中表头横列表示△E，纵列表示E):

表3-2 模糊控制规则集

模糊控制规则实际上是一组多重条件语句，可以表示为从误差论域到控制量论域的模糊关系矩阵R，通过误差E和△E的模糊向量与模糊关系R的合成进行模糊推理，得到控制量的模糊向量，然后采用反模糊化方法将模糊控制向量转化为精确量。

将模糊控制向量转化为实际的控制量简单易行的办法通常有两种，一种是用最大隶属度法，例如“得到的:U=0.1/2+0.4/3+0.7/4+1.0/5+0.7/6的时候，由于控制量隶属度等级5的隶属度最大，就取U =5。这种方法的优点是简单易行，但是完全排除了其他隶属度较小的控制量的影响和作用，没有充分利用取得的信息。

为了克服最大隶属度的缺点，我们采用了加权平均判别法，即：

nU(u)uii1ni

（3-1）

(u)ii1采用以上控制策略时，所有的模糊关系、推理都是离线进行的，然后得到了误差和误差变化量和增量输出的确定性关系。控制表存在PLC的DM区。

3.4.2比例积分控制PI 由于模糊控制本身没有积分环节，所以单纯用模糊控制很难消除稳态误差，误差在零点附近都被认为是零，这样在平衡点附近会有小的振荡。因此在平衡点附近切换到PI控制可以消除稳态误差。

采用的PI控制算法为：

UnUn1KP(EnEn1)KiEn

（3-2）

FUZZY—PI控制器与常规的PID控制器相比，它大大提高了系统适应外部干扰和内部参数变化的鲁棒性，减小了超调，改善了动态性能。与简单模糊控制器相比，减小了稳态误差，提高了平衡点的稳定度。

如上所述，FUZZY—PI复合控制器是采用按误差来决定采用控制器种类的方法。当误差在大范围变化时，采用FUZZY控制来提高系统的响应速度，当误差在小范围内时，则采用PI控制器来消除系统的稳态误差;两者切换量起一个开关作用。但是，在切换点上存在切换扰动.。众所周知，事物的平稳变化应该是循序渐进的，任何系统在控制上发生突变时将不可避免的存在扰动，这无疑加长了调节过程，使得控制质量变坏。

为了解决这个问题，经过试验采用了如下的平滑方式：

Un(1)uF

(3-3)

UF为切换前的FUZZY解模糊后的值，在切换过程中不变，为每一采样周期逐渐增加的量，0

在拉幅过程中，当偏差突然增大时候，也有可能发生由PI控制向FUZZY控制转换的逆过程。这个时候，同样也采用式(3-2)，此时从大到小变化，同样能起到平滑的作用。

第四章

热风循环控制系统

4.1热风循环系统工艺要求

拉幅机采用热空气对流式加热系统对织物进行热定型。其做法是：用热电阻将空气加热到一定温度，用强风力机把热空气吹向安装在织物上下表面的管道，管道上有开口程度不一的窄缝，在织物的背面相对位置强力吸风机抽吸空气，造成低压迫使热空气从织物中穿过，回收后再加热循环利用。要控制好织物表面的温度，应检测管道的热空气温度，再对温度进行调节。根据化学纤维的热定型原理，在定型的过程中使用多段不同的温度，每一段温度必须保持稳定，不能出现较大的波动，否则会造成定型效果上的差异。在热定型过程中每一段温度的温差极限须保持在给定温度的2 oC，否则定型后的成形织物质量难以保证。多段温度的温度范围在170—200 oC之间。由于温度变化的时候织物不能停下来，所以有一个温度过渡过程，工艺上要求这段时间越短越好。

4.2温度控制系统的硬件组成根据热定型的工艺要求，设计一套温度监控系统，主要由AL808智能仪表、热风炉、上下风箱和两个可控硅调功柜组成，热风炉配有供风扇和排风扇，空气的流量可以通过两个阀门加以调节，炉中配有电空气加热器，可将温度加热到230 oC。由智能仪表控制两个可控硅调功柜，并对其进行调节，使热风温度保持恒定，最大加热功率可达780KW。系统的控制框图见下图：

图4-1 温度控制系统结构框图

系统各部分介绍如下： 1.AL808智能仪表

AL808智能仪表采用16位A/D转换器，自动温漂、零漂修正技术，保证仪表具有0.2%的测量精度。

采用了先进的专家智能PID自整定技术，保证仪表不超调，不欠调，控温精度可达1 oC或0.1 oC。

J, K, E, R, S, B, T热电偶，PT100，Cu50热电阻，远传压力电阻信号，线性

电压(电流)自由输人，并可扩充任意规格输人信号。

输出采用模块结构，可选择继电器、逻辑电平(驱动固态继电器)、可控硅过零触发、可控硅相移触发等多种输出模块。强大的软件组态功能，用户可通过按键操作对仪表功能进行组态编程。

支持RS-232, RS-422, RS-485通讯协议，配合工控组态软件与计算机构成低成本高性能的集散控制系统。

2.温度加热执行机构

温度加热执行机构由可控硅调功柜和电空气加热器组成。3.温度检测变送

温度检测元件采用杭州热电偶厂的WRNT-202型热电偶。

4.3 AL808智能仪表PID自整定过程

AL808智能仪表采用特有的专家智能PID自整定算法，可以非常容易的完成系统PID参数的整定。在仪表投人运行之前，应设置最佳PID调节参数(加热比例带、积分时间、微分时间)，只有设置了系统的最佳PID调节参数，才能实现理想的控制精度。

从理论上说，系统在不同设定值上的最佳PID参数值不完全相同，因此在启动PID自整定前，应将设定值设置为用户需要精确控制的设定值。

当仪表处于自动控制方式，将PID自整定参数设置为ON，则将启动PID自整定。在PID自整定过程中，将PID自整定参数设置文OFF，将终止PID自整定过程。系统在PID自整定过程中，执行位式调节，测量值将出现振荡，经过1.5个振荡周期后，完成PID自整定。根据振荡的周期及振幅，仪表将计算出最佳的PID调节参数，并将其存储在仪表的EPROM中。

如果在PID自整定过程中，系统不能出现振荡响应，那么PID自整定将不能成功，根据各个系统的响应周期不同，PID自整定需要的时间可从数秒至数小时不等，PID自整定需要的时间与用户系统有关，与仪表无关。

4.4专家智能自整定PID控制器 4.4.1智能PID调节器的发展

智能控制是当前控制技术发展的新动向，是控制系统向智能化方向发展的产物。智能调节器应具有自整定、自综合和监控三种运行状态。自整定是指：调节器根据对象特性变化自动整定PID参数，使控制系统具有稳定性和鲁棒性；监控状态是用来确保控制系统安全可靠运行；自综合用来保证控制系统的性能鲁棒性。

PID调节器由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业生产过程中仍然是应用最广泛的一类控制器。尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控

制系统。但对于那些具有高度非线性，时变不确定性和大纯滞后对象，难以建立精确的数学模型，应用常规的PID调节器难以实现有效地控制。

近10多年来，智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓的智能PID控制，这种新型的控制器已经得到广泛的应用。它具有不依赖系统模精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有较高的鲁棒性。智能PID控制器包括基于规则的智能PID自学习控制器，加辨识信号的智能自整定PID控制器，专家式智能自整定PID控制器，模糊PID控制器，基于神经网络的PID控制器，自适应PID预测智能控制器等等。

4.4.2专家系统智能自整定PID控制器

专家系统智能自整定PID控制器的原理框图如图4-2所示。专家系统应包括专家知识库、数据库和逻辑推理机制三部分。专家系统可视作为广义调节器，专家知识库中已经把专家的经验和知识，构成PID参数选择手册，这部手册记载了各种情况下被控对象特性所对应的P, I, D参数，数据库根据被控对象的输人与输出信号及给定信号提供给知识库和推理机。推理机能进行启发式推理，决定控制策略。优秀的专家系统可对已有知识和规则进行学习和修正，这样对被控过程对象的知识了解可大大降低，仅根据输人、输出信息就能实现智能自整定控制。

图4-2 专家系统智能自整定PID控制器原理框图

专家系统整定PID控制器参数的原理框图可用图4-3表示。其算法包括三部分：

(1)利用单片机测试对象的阶跃响应，根据Cohn-Coon公式计算出受控对象特征参数K, Tp,。从阶跃响应提取对象特征参数的Cohn-Coon公式如下：

KyR(y2y1)(R2R1) TP1.5(t0.632t0.28)1.5(tt0.280.6323)式中，△R为系统阶跃输入；

△y为系统输出响应；

t0.28为对象飞升曲线中对应0.28△y时的时间； t0.632为对象飞升曲线中对应0.632△y时的时间。

图4-3 专家系统整定PID参数的原理框图

(2)将在线测量的特征参数送入专家系统，在知识库内进行搜索查询，作出推理决策，重新整定PID参数。在自综合状态下，仅需几条控制规则就能保证系统的性能鲁棒性。

(3)监督级的主要作用是保证微机测试对象特性和专家系统整定PID参数的正常进行，并用来确保控制系统的安全可靠运行。

4.4.3专家系统智能自整定PID控制器在热风炉加热系统中的应用

为了研究的方便，通常将热风炉加热系统近似为一阶惯性环节加纯滞后来表 示，其传递函数为：

Kes

G(s)

(4-1)TPs1连续PID调节算法为：

u(t)KP[e(t)1de(t)e(t)dtT]

(4-2)DTIdt对方程(4-2)采用梯形数值积分代替矩形数值积分，则PID调节器离散增量型算法为：

u(n)KP{[e(n)e(n1)]TT[e(n)e(n1)]D[e(n)2e(n1)e(n2)]}2TIT21



KP[(1TTT2TTDDe)n()(1Den)(1)en(2TIT2TITT22)]

p0e(n)p(n1)1e其中：)

(4-3)pe(n 2TTDpK(1)P02TITT2TDpK(1)

(4-4)1P2TITTDpK2pT其中，KP ,TI ,TD分别为比例系数、积分时间和微分时间。方程组(4-4)有唯一解。

pp13p2KP02T(p0p13p2)T

(4-5)I2(p0p1p2)2Tp2TDp0p13p2在数字控制系统中，采样周期T大小的选择是PID调节器参数整定必须考虑的一个重要问题。对纯滞后控制对象，一般选择T=(0.1—0.4)。

我们根据PID控制知识和控制率=/Tp大小的直觉经验，总结出以下专家系统整定PID参数规则。

规则一:调整Kp。按从小到大，逐渐减小Kp，既提高系统的动态响应速度，又不至于影响系统的稳态精度。

规则二:调整TI。按从小到大，由于大的对象不好控制，TI逐渐增大一些，使得积分增益凡KpTI /(2TI)减弱一些，这样既保证稳态精度，又避免积分饱和和积分作用太强使动态性能变差。

规则三:调整TD。按从小到大，TD应逐渐增大，在不影响系统抗干扰能力前提下，增大微分控制作用可改善系统动态特性。

为了便于计算机进行数据处理，我们将上面的专家系统整定规则转换成可查询的表格，详见表4-1。其中表中各项和PID调节器各个参数的关系如下：

TP

Kp01[1.350.27] KTIK2TP TDK3

因此，只要测出被控对象的特征参数K, Tp,即可整定出PID调节器参数。表4-1设定参数对不同受控对象的特征参数经计算机仿真，确认为最佳设定值。

表4-1 PID参数整定表

综上所述，专家系统PID。调节器参数自整定算法流程图如图4-4：

图4-4 专家系统智能PID自整定流程图

该控制算法在热风炉加热系统中得到成功的应用，被控对象电阻加热炉额定量为8KW，由200V单相交流电源供电，选用KS200A/800V双向晶闸管过零触发控制。图4-5是本系统的响应曲线图：

4-5 加热炉系统响应曲线图

图

第五章

通讯协议和通讯链路设计

5.1通讯协议选择

在分布式控制系统中，上位机和下位机的连接是必须解决好的问题，一般地，上下位机的连接可以采用并行方式、串行方式和通讯控制器方式，并行连接方式传输速度快，每次传输8位数据，但当进行远距离传输时，布线成本会大大提高，传输的可靠性也会下降，因此采用并行连接方式在分布式计算机控制系统中很少采用，而大多采用串行连接方式或通讯控制器方式。目前广泛采用的串行通讯协 议有RS-232, RS-422和RS-485等，下面将介绍几种串行通讯方式的特点。

5.1.1 RS-232C总线

RS-232C是一种串行通信总线标准，是数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)助之间的接口标准，由美国电子工业协会EIA公布，RS即推荐标准(RECOMMANDED STANDARD)。RS-232C标准包括机械指标和电气指标，机械指标规定：RS-232C接口通向外部的连接器是一种“D”型保护壳插头，有25针的(DB-25)和9针的(DB-9)，其引脚信号具体定义如下：

DB-9引脚信号：

引脚

功能

数据载波检测Data Carrier Detect(IN)

数据接收Received Data(IN)

数据发送Transmitted Data(OUT)

数据终端就绪Data Terminal Ready(OUT)

信号地Signal Ground

数据设备就绪Data Set Ready(IN)

请求发送Request to Send(OUT)

清除发送Clear to Send(IN)

振铃指示Ring Indicator(IN)

DB-25引脚信号：

引脚

功能

数据发送Transmitted Data(OUT)

数据接收Received Data(IN)

请求发送Request to Send(OUT)

清除发送Clear to Send(IN)

数据设备就绪Data Set Ready(IN)

信号地Signal Ground

数据载波检测Data Carrier Detect(IN)

数据终端就绪Data Terminal Ready(OUT)

振铃指示Ring Indicator(IN)

其余空(不常用)RS-232C串行通讯协议有1个起始位，5-8位数据位，1个奇偶校验位，1个或1.5个或2个停止位，RS-232C串口的传送距离为15米，在波特率较低时，距离可以远一些。

一般地，两个标准的RS-232C串口互联时，只需三根线，即:数据发送、数据接收和信号地，当有特殊要求时，需连多根线，如图5-1所示：

图5-1 DB-9串口的简单连接

RS-232C由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不可能使用双端信号，因此公共噪声会祸合到系统中，这是迫使RS-232C使用高传输电压的主要原因。总之，RS-232C总线缺点很明显，它适合于传输距离较短、对于数据传输率要求不高的场合。在本系统中，上位机和PLC以及590直流驱动器之间的通讯就采 用RS-232C总线，主要考虑到设备和上位机之间的距离较短(不超过10米)，而且上位机主要不用于实时的监控，对于数据传输率没有很高的要求。

5.1.2 RS-422/485总线

RS-422/485总线克服了RS-232总线的缺点，它采用双线差动传输，在多点平衡总线上，最大传输率为IOMBPS。采用差动传输，便于隔离，它有较宽的共模电压范围，因此具有很强的抗干扰能力，适合远距离传输，在波特率为100KBPS，传输距离为1.2KM。由于具有以上优点，RS-422/485串口协议已经在工业控制计算机、可编程控制器和智能仪表上被广泛地采用。研华IPC-610工控机母板上的COM2串口可以通过跳线设置通讯方式为RS-232, RS-422.RS485三者之一。我们所采用的AL808智能仪表通讯协议为RS-485串行通讯协议，而且考虑到上位机和仪表之间的距离较远，所以上位机和智能仪表之间通讯采用RS-485协议。

RS-232, RS-422, RS-485通讯协议各项指标比较如下表：

表5-1 RS-232，RS-422，RS-485串行接口标准比较

5.1.3 MOXA多串口卡

由于工控机系统串行通讯端口数目较少，我们在这个项目中选用了MOXA公司的CP168多串口卡，提供多达8个串行连接端口。该卡可以非常方便的安装和配置，在此不做过多的介绍。

5.2上位机和下位机通讯实现

在上位机和下位机的通讯实现中，上位机和OMRON PLC之间采用HOST-LINK通讯协议，其物理连接是通过RS-232端口完成的。由于OMRON PLC使用较为广泛，故不在此详细介绍。

本文主要介绍智能仪表AL808和上位机的通讯。

5.2.1智能仪表和上位机连接方案选择

AL808智能仪表和上位机通讯采用RS-485串行通讯协议，AL808智能仪表本身配有RS-485串行通讯端口。上位机一般带有RS-232串行通讯端口，没有RS-422/485通讯端口，要实现上位机以RS-422/485方式进行通讯，有两种方法：

第一种方法是对现有的RS-232C通讯端口进行转换，即通过1488,1489,75174,75175芯片进行RS-232到RS-422的电平转换，其结构图如图5-2：

图5-2 RS-232到RS-422/485电平转换图

这种转换原理简单，但是实施起来比较麻烦，要在机器外部做一些连线。同时这种转换方式需要本机占用一个RS-232串口，在系统串口资源比较紧张的情况下不宜采用。

第二种方法是直接使用串口扩展卡。使用串口扩展卡可以缓解机器串口资源紧张的状况，同时还可以提供更高的可靠性。下面介绍研华公司的PC-745双口RS-422/485通讯卡特点及使用：

1.PCL-745的特点：

提供两个独立的RS-422J485通讯端口 3000V直流电压隔离 2500V直流电压电涌保护 最大传输率921.6kbps I/O地址和中断可选 支持双线或四线连接 2.PCL-745使用简介：

使用板卡本身的SW1(多位拨码开关)和SW2(多位拨码开关)可以为两个通讯端口分别设置110地址，将两个串口设成本机的COM1-COM4，但要防止地址冲突。通过设置跳线JPI和JP2可以为两个通讯端口选择中断号，也要注意避免中断冲突。通过设置跳线JP6和JP9分别设定两个通讯端口采用的通讯协议，该板卡支持RS-422和RS-485两种通讯协议。

PCL-745的安装十分简单，只需插在工控机空闲的ISA插槽上，然后为板载的两个通讯端口设置正确的I/O地址和中断号即可。PCI-745两个通讯端口采用DB9型插口，其引脚信号定义见表5-2：

表5-2 PCL-745通讯卡端口引脚信号

采用RS-422通讯协议时，需要四根连线(1, 2, 3, 4)，为全双工通讯方式。采用RS-485通讯协议时，需要两根连线(1, 2)，为半双工通讯方式。

5.2.2智能仪表和上位机连接框图

在本课题中，智能仪表和上位机的通讯协议为RS-485，其连接框图如图5-3：

图5-3 智能仪表与上位机连接框图

5.2.3数据通讯协议

智能仪表和上位机之间的数据传输方式为半双工方式，采用主从式的查询方式采集数据，上位机作为主机，发送查询请求，智能仪表作为从机响应主机的数

据查询请求。它们之间采用简单的请求一发送协议进行协商。每一个智能仪表都有一个唯一的地址码，范围为00-99智能仪表的参数采用两位ASCII字符表示。协议帧格式如下：

(1)上位机读数据命令帧格式：

(2)下位机数据应答命令帧格式：

(3)上位机写数据命令帧格式：

(4)下位机写数据应答：

如果下位机写数据成功，则返回ACK，否则返回NAK。

第六章

热定型机监控系统

6.1 SCADA系统

作为现代企业生产、物流、管理等企业自动化的计算机管理系统，SCADA(Supervisor Control And Data Acqusition)在生产过程和事务管理自动化中起到了重要的作用。一方面，它接受企业的生产调度安排，并操纵设备按既定计划运行;另一方面，它能收集现场运行数据，将现场各种设备的运行参数一记录下来，用作以后的工艺分析。同时，还能及时报警，对现场设备进行诊断，为维修提供依据，能够极大程度的缩短维修时间和费用，给企业增加效益。

SCADA系统通常包含三个较重要的方面的：一是分布式的数据采集系统，即数据采集部分；二是数据处理和显示系统，即上位机HMI(Human Machine Interface)系统，计算机屏幕上能直观的显示现场运行状况，能集中反映全车间乃至全厂的各个设备的工作状况，同时操作人员能够在上位机上实时操控；三是多机网络系统，这通常是任务比较繁重，数据量很多，报警频繁的大型生产过程，在这种情况下，可以用单独的主机来配置数据库服务器，报警服务器，Web服务器，双机冗余设备等。这样构成的网络系统能满足大型生产过程的需要，能够在办公室就能了解到现场状况，并保证意外故障下系统仍能正常运行。

下位机一般意义上通常指硬件层上的，即各种数据采集设备，如各种仪表、PLC及各种带通讯功能的控制设备，包括插在上位机箱中的数据采集卡等。这些采集设备与生产过程和事务管理的设备或仪表相结合，实时获得设备各种参数的状态，并将这些状态信号转换成数字信号，通过数字通信或者数字网络传递到HMI中。同时，这些智能系统可以执行上位机发送来的命令、参数，对物理设备进行设定、控制、诊断。上位机HMI系统接受这些信息后，以适当的形式如声音、图形、图像等方式显示给用户，以达到监视的目的。数据经过处理后，可以提示用户设备各种参数的状态(报警、正常或报警恢复)，存储的报警数据还可以用作事故分析、统计。HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机，以达到直接控制的目的。这些数据还可以保存在数据库中，也可以通过网络系统传输到企业的不同层次的平台上，供分析人员分析，可以与别的系统(MIS, GIS)结合形成功能更强大的系统，可以为企业决策分析，物流状况提供分析资料。可使系统维护的自动化程度提高，系统维护费用减少，维修时间缩短。

上位机与下位机相结合的SCADA系统，作为操作员平台和中央监控系统，己经广泛的应用在工业生产的多个领域，主要包括：楼宇自控、电力系统自动化、化工厂监控系统、生产管理、无人工作站系统和其他日常行业。

在应用了SCADA系统后，至少可以取得以下社会效益和经济效益：(1)减轻了操作人员的劳动强度，以前需要在现场操作的设备通过上位机就

能远程操控，这对于电力行业和化工厂等设备数量多，范围广的尤有意义！同时，能极大的提高生产和管理的安全性和可靠程度；

(2)生产配方管理的自动化可大大提高产品的质量和生产的效率，在上位机就能进行生产配方的设置并下发到各生产设备；

(3)有效地减少生产人员面临恶劣工作环境的可能性，保证了生产过程中人员的安全；

(4)通过生产过程的集中监视和数据记录，能大幅度提高企业信息化程度，提高企业效率和竞争力；

(5)系统通过对生产趋势的保留和分析，可提高预测突发事件的能力，在紧急情况下依据故障设定快速做出反应，保护关键设备，减少生命和财产的损失，带来潜在的经济效益；

(6)在系统安装调试阶段，能给设计人员、施工人员、工艺人员提供直观的数据，帮助他们缩短调试时间，尽快的找到问题症结，让工艺人员分析找出最优化方案。

SCADA系统从用户的角度来讲，主要解决以下三个问题：(1)设备参数状态采集和控制信息的发送

这部分包含两个含义：一是怎样采集设备参数状态数据，这是由设备生产厂家或者行业标准制定来解决，带通讯功能的下位机在出厂时也可提供对应通讯协议格式或协议处理芯片；二是上位机通常通过标准串口或通讯功能卡，如西门子的Profibus通讯功能卡，它能够以12M/秒速率和Profibus网络实时通讯，还有一种办法就是在上位机插槽中加上I/O卡运行专用的上层采集模块，从下位机中实时地采集设备各种模拟量数据并作A/D转换，同时发送各种控制信息。采集和控制中最重要的问题就是实时性和准确性，实时性表现在采集周期的长短上，这也是衡量一个SCADA系统是否适合某个行业的重要指标之一。目前上位机系统可以达到平均毫秒级的采样周期。准确性包括通讯的正确性，采集的数据不受干扰，真实反映现场情况。

(2)事故分析和趋势分析

监控的一个重要目的是分析生产设备的运行情况和预测系统可能发生的事故，记录下操作员操作情况过程作为操作是否得当的依据。在发生事故时候，记录下各个仪表、控制器当时的运行参数以便能在事故后快速找到事故发生的原因，从这个角度上讲，事故数据采集和系统操作情况的记录就变得非常重要。因此评价一个SCADA系统功能强弱的一个重要指标就是对实时、历史数据记录的准确性。同时，上位机能够以图表的形式反映当前的运行趋势，给操作人员提供启示，帮助他们分析将来一段时间的运行状况。历史趋势分析能给操作人员分析系统提供帮助。

(3)状态表达和报警处理

报警作为监控的一个重要环节，是所有上位机系统必须重视的问题。如果说各种图形、图像、动画、声音等用于表达设备运行状态的方式是必不可少的话，那么上位机系统若不能做出有效的报警，则所有的表现形式都是多余的。上位机必须做到该报警不漏报和不该报警的不错报，评价上位机系统可靠性和高效性的一个重要指标是看它是否能不遗漏的处理多点同时报警。同时，丰富的画面表现形式也是必要的，能利用各种图形元素变化反应生产的实际情况，给操作人员提示。

在工业监控中得到大量应用的SCADA系统现在也广泛的应用到楼宇监控、物流管理上，这廓宽了SCADA系统适用的领域，但是SCADA系统在这些新领域还得解决以下的问题：

(1)与管理信息系统(MIS)的结合在现代企业中，生产过程管理和企业日常事务管理的结合是密不可分的，信息流的分层次流动适合于不同的管理需要。地域和管理部门的分散化在企业集团化管理的趋势下变得越来越明显，因此现代SCADA系统除了生产设备的分布式管理之外，上位机系统的分布式要求变得越来越重要。如果将SCADA系统应用到这种场合，其网络数据库功能将需要大大的增强。如何和MIS系统紧密结合将是一个值得研究的课题。

(2)与地理信息系统(GIS)的结合SCADA系统应用所面临的众多领域中，对地理信息的要求越来越高。在一个SCADA系统中嵌人地理信息系统，对于电力等行业来说将带来不可估量的效益，从而其也成为评价SCADA系统的一个重要指标。如何整合信息，满足地理信息系统的需要是现在正在研究的问题。

基于Windows平台的SCADA上位机系统是目前发展的趋势。目前，国际和国内应用比较广泛的SCADA上位机系统有：WondWare的InTouch、西门子公司的WinCC、澳大利亚的CiTech、美国Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，这些系统都较好的完成了传统SCADA上位机系统的功能。

这些系统应用时也有如下的缺点：

(1)偏向于控制，与企业MIS系统的结合性能差；(2)对楼宇自控这种新形式支持不够，GIS功能弱；

(3)缺乏高效能的控制任务调度算法的支持，而且没有开放式的接口能让客户自己编程来满足自己的需要；

(4)对国内一些仪表的支持不够，比如西门子公司的WinCC满足Profibus。通讯效果较好，但是对于其他厂家的仪表、通讯设备支持的不够，使用别的厂家 34

仪表往往通讯不稳定甚至不能进行。如果全部采用其支持的仪表，设备制造商、集成人员的熟悉了解程度不够，价格也是一个大问题；

(5)模块化功能不强。上位机系统在很多行业中都有运用，各个行业的具体特点也不一样，但现有的软件只作大致的划分，不能根据具体客户功能需要来组合，当客户选择一种上位机系统中不得不面对高昂的价格和很多自己不需要的功能。

同国外系统相比，大部分国产上位机系统开发过程中或多或少的受到国外系统开发的影响，上面谈到的问题依然存在。优点是具有较高的性能价格比，能够兼容国内大部分下位机厂商的设备，本地化能力强，能够较快的满足客户的需求。同时，国内上位机系统软件生产商调研、分析、软件编制的时间还不长，对于系统稳定性分析的还不够，实际应用中有时候会出现问题，这对于大型重要的监控任务是不能接受的！软件要满足企业级和行政部门级大型集中监控管理系统的要求，还需要相当长的时间。

SCADA系统作为一个应用软件系统，涉及到硬件设备，控制理论、计算机技术、网络技术的各个方面。从计算机软件方面讲:通讯技术、计算机网络技术、分布式数据库技术、编译技术、操作系统技术、可靠性保障技术、多媒体技术、图形用户界面技术等。从控制方面讲:控制理论，控制设备，硬件设备等。目前还需要在这些方面综合加强。

6.2监控系统设计

在热定型控制系统研制过程中，根据需要，设计如下两套监控方案：(1)用上位机通讯连接现场的PLC等。可以在上位机观察到现场运行的状况，并能通过鼠标和键盘对运行参数作调整，启停设备等。

(2)采用触摸屏终端和PLC通过网络通讯连接。触摸屏经组态后能够完成大部分上位机完成的工作，能够对PLC状态作改变。

计算机监控系统的组成结构：

硬件：采用研华的IPC-610工控机作为上位机；RS-422/485通讯卡选择的是研华的PCL745双口通讯卡，一路接到AL808仪表上，另外接到变频器。PLC用计算机本身带的COM1。采用宏拓公司的PC-7484板卡来完成A/D转换任务。

软件：选用了亚控公司的组态王(版本6.5)软件作为上位机监控系统的组态软件。

组态王由开发系统和运行系统两部分组成。使用开发系统可以完成变量的定义，和现场设备的逻辑相接，定义画面，规划报表结构等。运行系统则可以操作现场的I/O设备，画面切换等操作任务。

组态王具有以下优良的特点：

(1)以窗口操作为基本单位，管理画面元素简单明白，不需要很多编程组态

经验也可快速人手，构造可靠的生产过程和事务监控系统。

(2)画面元素很多，软件本身附带很多图形元素，可以很多方式表现现场设备外形，工作状况等。提供了许多动画联接的方式，比如:输人、输出、位置、尺寸、移位、颜色、填充、闪烁、旋转等。让操作人员能直观明了的操作。开放式的图库管理系统可以让开发人员用别的工具生成图片，嵌人到图库中使用。

(3)独特的ActiveX控件使应用更有灵活性，比如报警窗口，对报警显示内容，格式，报警时颜色，以及运行时工具条都可以自己定义，这样非常方便使用。

(4)有趋势控件支持历史趋势曲线和实时趋势曲线的表达。简单的组态即可完成历史趋势曲线查询工作。趋势曲线可以帮助工程人员分析运行情况，找出问题症结所在。比如升温曲线非常有利于工程人员整定PID参数。

(5)软件采用32位多任务，多线程模型，提供了很好的保护机制，可以在Win98和NT操作系统下运行，使得运行速度快，稳定。

(6)通过DLL和制作DDE服务程序，驱动串口设备和插卡式智能数据采集设备，采集速度高达毫秒级，单机可接人256个独立设备，可从另外一台网络站点上通讯的方式交换数据，这样接人的设备更多。DDE程序容许用户用VB或者EXCEL等开发服务程序或客户程序。这样开发人员可以利用组态王采集的现场数据来做进一步的分析，也可以开发自己的驱动程序采集数据后让组态软件来读。

(7)透明的网络管理技术，无需专业的网络知识和经验，即可完成多机分布式集中监控系统的组态开发。

(8)具有非线性表，从现场来的数据在进行计算之前可以通过先查表线性转换，而且这种转换的时间很短，解决了传感器非线性的问题。

(9)可以对历史数据，操作事件，报警纪录分门别类的进行文件存储、打印，可以设置所需的格式，这样对事故追忆，工艺分析特别有效。

由上可看出，组态王系统能够满足绝大多数生产过程的需要。组态系统通常包括:数据词典定义、配方定义、非线性表定义、报警组定义、网络配置，历史数据实时数据记录配置等。

触摸终端在工业生产设备中己被大量采用。在采用了PLC作为主控器的机电设备中，触摸终端使用相当普遍，进口国外设计制造的机电设备基本上都配上这种简便直观的触摸控制终端。和以计算机为中心的上位机相比，触摸终端有以下特点：

(1)尺寸小，重量轻，安装方便。显示面积从5寸到14寸不等，厚度一般不超过10厘米。这样很容易嵌入设备中;重量一般在1-3Kg左右，对那些工作过程中需要移动的部件来说，安装这样的触摸屏是非常适宜的。

(2)触摸终端主要用于和PLC进行实时通讯，可以对PLC内部可访问的存储 36

器进行读写操作，可以通过触摸终端直接对PLC中位状态操作。由于触摸终端不象上位机那样建立在Windows操作系统上，所以任务单一，针对性强。通讯能够实时稳定的进行，不易造成死机现象。终端设计时候己经过严格的抗干扰测试，确保在恶劣的条件下也能正常操作。

(3)终端一般也能做到255个画面，颜色可为2色到256色，这样能满足绝大多数工业需要。热定型机设备中，当聚酷网处于拉伸状态的时候，光长度就有50米左右，如果所有的操作都需要到操作室操作，操作变得非常麻烦。在合适的地方放置这样一个触摸终端，能让操作工在现场就能操作设备并在平时检查设备状况，操作按钮设置也更简单。

本项目中采用了台湾台安电机股份有限公司的OP36L型的终端，利用随机的OPS6软件进行编程，组态后用串行通讯将数据下传到终端中的存储器中。软件可以读取普通图片并将其转换为终端能显示的图形，这就大大丰富了画面内容。同时，该触摸终端还支持多达5种语言的操作方式，可以选定一种语言作为主操作界面元素，运行时点击切换语言按钮可以切换成设计时候定义的不同语言。其能表现的元素包括按钮、数值输人、指示灯、数字显示、仪表图、历史资料显示、警报显示、静态元素等。而且操作上也有3级控制，可以设置使某些操作元素需要高级别的工程师才能修改。

为了让终端与各厂的PLC的通讯能够双向流通资料和显示画面，需要设定终端系统用控制暂存区和状态应答暂存区(其相对于PLC中的暂存器地址)。这是通过在OPS6编程软件的应用栏中选择设定的。通过系统设定区，PLC的设计者可以控制触摸终端的动作模式，最主要的暂存器有画面编号控制暂存器、控制命令标志暂存器、缓冲区记录控制暂存器、配方编号控制暂存器等。通过状态区的位状态，终端表明了完成某些动作的状态，做到和PLC的正确交流。检查状态区主要有画面状态应答暂存器、动作状态应答暂存器、趋势图取样应答暂存器、配方编号应答暂存器等。

为了增强终端的功能，OP36L内部有可用的存储器，可以利用其内部的指令编程。支持的功能包括数值运算、逻辑判断、流程控制、数值传送、数值转换、定时器、记数器、自定义通讯指令等。终端不仅可以和PLC连线通讯，而且另一通讯口能执行和其他设备的通讯，此功能不仅提供有效的系统整合，而且大大减少了PLC的程序的大小，让PLC运行效率达到最高。

OP36L支持每个代码块多达512条，这样可以完成较复杂的任务。通常，在程序开始执行时可以执行初始化程序，在运行过程中执行背景循环程序，也可以按时钟执行定时程序。每一幅画面在打开时候执行打开程序，当前画面显示时候执行循环程序，关闭时执行关闭程序。

第七章

拉伸同步控制系统

7.1拉伸控制策略

在拉幅定型开始之前，移动前后拉伸架使织物绷紧，并使织物纵向张力为工艺要求的初始张力。在定型过程中，拉伸辊在前后拉伸机的拖引下对织物进行拉伸。工艺上要求前后拉伸电动机稳速精度高且同步精度高。此外，还要求织物张力符合工艺规定的数值。

图7-1为拉伸部分的示意图：

图7-1

主动辊通过织物带动拉伸辊转动，速度为V1，同时拉伸辊以速度V2平动拉伸。对于变形织物一般可以应用胡克定理如下：

FyL l

（7-1）式（7-1）中，y为织物的弹性模量，为织物的横截面积，L为两个传动点间的距离，l为伸长量。

对于只发生物理形变的过程，上公式是适用的。但是，在这里，织物的横截面由于加热后折叠链的作用，织物截面积是变小的，弹性模量增大，长度L和速度V2有关。拉伸变形后形态即稳定下来，在穿过受热区后基本上不产生回弹变形。张力变化示意图如图7-2所示，从图上可以看出，张力是在缓慢上升，实测的曲线同理论分析一致。

图7-2 张力示意图

对于这样的一个非线性系统，可以先算出其数学模型，再采用较精确的控制算法对其进行控制。但是在以PLC为核心控制器中做这些复杂的算法，其实时

性是无法保证的。张力的过量增长和速度有关。针对张力变化情况，我们采用了速度分段的控制策略，即将张力变化分成16份，利用PLC特有的区间比较指令区分出张力变化的区域，并针对此调用不同的拉伸速度。

为了避免速度的频繁切换，在实际中加入了一定量的死区。在以往的拉幅机中，都是保持一定的速度拉伸，只限制最大张力，这样做不是很精确。而本方案在实验运行中，已收到了较好的效果，实时性得到了保证，控制效果也远好于以往方式。

7.2拉伸同步控制系统 7.2.1拉伸同步控制系统组成拉幅机同步控制系统由包含有高速计数单元CT021和模拟量输出单元DA003的C200HG型PLC, 2台变频器、2只E6B2-CWZ5C型旋转编码器(360P/R), 2台13KW变频调速电动机、2只张力传感器、放大器以及减速器等组成，系统框图如图7-3所示。

图7-3 拉升同步控制系统框图

拉伸同步控制系统属于位置跟随系统，前拉伸机的移动距离为Ll，后拉伸机的移动距离为L2。为了保证拉伸辊与主动辊的轴线平行，要求L2与Ll相等。在图7-3中，前拉伸机编码器PG1发出的脉冲数P1是后拉伸机的位置指令，后拉伸机编码器PG2发出的脉冲数P2为位置反馈，构成位置闭环控制系统。在PLC系统中，高速计数单元CT021的A计数器计P1脉冲数，计数值在IR182和IR183中；B计数器计P2脉冲数，计数值在IR184和IR185中，两者之差即

为位置误差。在实际操作中，统一给定信号U1施加于前拉伸机和后拉伸机控制系统上，计数偏差(位置误差)信号Ut叠加在后拉伸机的统一给定信号上，即后拉伸机的给定信号为(U1十Ut)，其中，Ut可正可负，取决于脉冲数P1和P2的相对大小。前拉伸机是稳速控制系统，后拉伸机是位置跟随控制系统。

为了达到响应快、不超调且同步精度高的目标，采用了多模态控制算法，将同步跟踪位置误差分为16级，对应于16个增益值。误差大时增益大，响应快，随着误差的逐渐减小，增益也随着减小，故不会产生超调，这种控制亦称增益调度控制，属于自适应控制。为提高位置跟随精度，在调用最小增益时，可执行PI控制。

编码器PG1和PG2均为360P/R，减速器的减速比为40，拉伸机锭轴螺距为12毫米，即每个脉冲对应拉伸距离为0.833微米。在实际运行中，拉伸辊移动6000毫米，跟随误差在60-100个脉冲范围内，即误差不大于83.3微米，系统的动态和稳态性能均达到规定指标。

7.2.2拉伸同步控制系统编程及说明

拉伸同步控制系统控制流程图如下图所示：

图7-4 拉升同步控制系统控制流程图

1.拉伸速度设定

根据操作人员要求，采用具有零点的指针多圈定位器来设定拉伸速度，多圈定位器的输出电压送到AD003的输入1，其IR字为IR151，拉伸速度设定值存放在DM0004中。

2.拉伸速度与织物张力的协调

在加工过程中，当织物张力超过设定值时，拉伸速度应自动相应降低，以保持织物张力不变。在本系统中，前、后拉伸张力信号分别送到AD003的输入2和输入3，相应的IR字为IR152和IR153，两者数据之和存放在DM0006中。利用块比较指令BCMP(68)和减法指令SBB(51)，将设定值附近的张力分为16级，在张力变化时，DM0004中设定的数值减去16级中相应的数值，并将结果存放在DM0015中，用来控制拉伸速度，实现拉伸速度与织物张力的协调控制。

3.前后拉伸机同步控制

在加工过程中，拉伸辊移动过程中应与主动辊保持平行，否则将造成环状织物变形和跑偏。长9米的拉伸辊由前拉伸机和后拉伸机同时传动，两套拉伸机的变频器、电动机和减速器规格相同。前拉伸机为主令单元，后拉伸机为从动(跟随)单元，在统一速度给定下，利用高速计数单元和编码器实现位置跟随控制。

IR172，IR173中的脉冲计数值P1代表前拉伸机移动的距离L1，IR174，IR175中的脉冲计数值P2代表后拉伸机移动的距离L2。将P1与P2相减即得到两者之间的误差，对误差进行运算处理并考虑误差的符号，就能实现后拉伸机对前拉伸机的位置跟随控制，即拉伸同步控制。

在拉伸辊返回运动过程中，误差(Pl-P2)存放在HR16中。对误差进行运算处理后的闭环控制数据存放在DM0302中，该数据传送到DA003的IR162，输出模拟量控制后拉伸变频器和电动机，使得后拉伸机与前拉伸机同步运行，前后拉伸机移动6000毫米，位置误差小于1毫米。

在拉伸过程中，误差(P2-Pl)数据存放在HR18中，该数据乘以系数后存放在HR20中，对误差进行运算处理后的闭环控制数据存放在DM0302中，该数据传送到DA003的IR162，输出模拟量控制后拉伸变频器和电动机，使得后拉伸机与前拉伸机同步运行。

在加工过程中，当织物张力变化时，拉伸速度设定值与张力协调如2所述。前后拉伸机同步控制过程如上所述。前后拉伸机移动6000毫米，位置误差仍小于1毫米。

第八章

实验及结果分析

8.1引

言

8.1.1本实验应用的行业

本实验以印染行业中的连续轧染机为例，介绍多单元交流变频电机同步传动控制系统的分析和设计方法。这种分析和设计方法也适用于塑料、造纸、胶片、橡胶、金属薄膜等带材或线材加工制造行业。

8.1.2使用的产品

本实验的人机界面使用OP36L型可编程终端（触摸屏），用于操作、设置和显示。

控制器由欧姆龙公司的 PA204S（电源单元）、C200HG-CPU43（CPU单元）、AD003（模拟量输入单元）、DA004（模拟电流输出单元）、ID212（晶体管输入单元）、OC225（接点输出单元）以及DA003（模拟电压输出单元）等组成，用于系统控制。

使用的变频器有ABB公司的ACS550、松下公司的VF-7F、西门子公司的MMV1500、富士公司的5000G9S和丹佛斯公司的VLT2800，用于各个单元的传动。

同步检测装置采用JWY-I型角位仪，用于检测相邻单元之间的同步误差。

8.1.3实验的主要工艺点及要解决的主要问题

以连续轧染机为例，其工艺流程图如图8-1所示，工艺难点是28个独立的传动单元和织物所构成的既要解耦又要跟随协调的工艺要求。每个单元都是由一对（或一组）导辊、减速机、变频电机、变频器、角位移传感器、气动加压摆式松紧架等组成。对于开卷（退绕）和收卷（卷绕）单元，通常还要增加旋转编码器和张力传感器。

就数学模型而言，开卷单元和收卷单元是非线性、时变环节，其转动惯量j和布卷半径r都是随时间而变的，为了保持织物的动态张力恒定，必须对转动惯量和卷经进行自适应补偿控制。

对于轧车、透风架、预烘箱、焙烘箱、烘筒、蒸洗箱、水洗箱中的传动单元，由于介质、环境和织物工艺路径的不同，加之导辊直径、减速机的减速比以及电机功率的不同，要实现任意车速设定下，28个单元在动态过程中的严格同步升、降速，且各个松紧架均应处于零位附近，必须采取智能变参数解耦控制和智能变参数跟随协调控制。以上是主要工艺点和要解决的主要问题。

8.1.4实验方案简介

目前的连续轧染机，采用微型PLC控制开关量，采用单片机组成同步器，但因为只有一组系数，无法实现动态解耦和快速跟随协调控制。

为了满足工艺要求，解决控制上的技术难题，需要分析退绕单元工作过程、两个相邻单元之间织物的运动过程和卷绕工作过程，并建立相应的数学模型，在此基础上进行系统的组态设计。将基于模型的控制算法和智能控制算法有机地结合起来，设计智能变参数解耦控制和智能变参数跟随协调控制系统。本实验控制系统框图如图8-2所示。应用方案主要包括两部分：第一是智能变参数全解耦控制，其中主要是变比值控制；第二是智能变参数跟随协调控制，其中主要是变增益、变积分时间控制，实现既响应快又无超调振荡的目标。

预烘(焙烘)M10420kg排风11.5kWM107[5×0.75KW]M111[5×0.75KW]排风21.5kWM2072×10kgJWYM181M1825.5KW5.5KWJWYM186M1875.5KW5.5KWJWY烘燥1蒸箱M121M124M127[4×0.75KW][4×0.75KW][4×0.75KW]轧车1M204 1.5KW1号均匀轧车进布M201 3KWM202 3KW2号均匀轧车JWYJWYJWYJWYJWYJWYJWY退卷A气动加压松紧架退卷B气动加压松紧架M1017.5KWM1143KWM1177.5KWM1315.5KW

蒸洗箱1水洗箱1轧车2M1376×0.55KW蒸洗箱2轧车3M1446×0.55KW蒸洗箱3轧车4M1515×0.55KW轧车5水洗箱2JWYJWYJWYJWYJWYJWYJWYM1345.5KWM1415.5KWM1475.5KWM1545.5KW

烘燥2烘燥3落布JWYM1711.5KW轧车6JWY气动加压松紧架M1577.5KW气动加压松紧架JWY气动加压松紧架M161M1645.5KW5.5KW图8-1 连续轧染机工艺流程图44

JWY气动加压松紧架打卷M1743KW

JWY-I2张力检测信号JWY-I1OP36LID212OC225OD211DA003AD003OA221DA004SP001C200HG-CPU43PA204S富士5000G9S轧车3变频器4M4松下VF-7F轧车1变频器2M2ABBACS550退绕辊变频器1M1主令单元跟随单元 2 1 张力控制退绕单元丹佛斯VLT2800卷绕辊西门子MMV1500轧车2变频器3M3变频器5M5力矩控制卷绕单元跟随单元 3 2

图8-2 实验系统框图1

8.2实验方案详细介绍 8.2.1系统组成实验系统框图1如图7-2所示，变频器1（ACS550）的设定值由模拟电流输出单元DA004的第1路输出来设定，变频器2由DA003的第3路输出来设定、变频器3由DA003的第1路设定，变频器4由DA003的第2路设定，变频器5由DA003的第5路设定。

退绕辊与轧车1之间织物的张力由三菱公司的LX-200TD传感器检测，由LE-40MTA-E输出变送模拟信号，送到AD003的第4路输入端。

轧车1与轧车2之间同步信号由角位仪JWY-I检测，其信号送到AD003的第1路输入端，轧车1与轧车2之间的同步信号由1＃角位仪JWY-I检测，其变 45

送信号送到AD003的第1路输入端，轧车2与轧车3之间的同步信号由2＃角位仪JWY-I检测，其变送信号送到AD003的第5路输入端。

触摸屏用于多单元系统比值系数设定、车速设定、车速显示、同步状态数据显示、布长显示、卷绕层数显示、设备的开车、停车触摸按钮以及报警等。

8.2.2数学模型

1.卷绕过程数学模型

卷绕装置由卷绕轴、减速器、变频电机、变频器、编码器、张力辊以及相关机件等组成。为了有效地对卷绕过程进行控制，需要建立卷绕过程的数学模型。有关公式如下：

J28b28q28244(r28r28.0)

（8-1）

2828b28g

（8-2）

44J28bK28.1(r28r28.0)

（8-3）

K28.128b28q282g

（8-4）

'28d''J28(J2828)J2828dttt

（8-5）

d''(J2828)2828M28ZM28ddt

（8-6）

22J28J28d28J28K28J28b

（8-7）

J28223dr28(28J28b)28K28.2r28ttdt

（8-8）

K28.2228q28228b28q28g

（8-9）

r28r28.0N2828

（8-10）

dr28d(r28.028N28)K28.328dtdt

（8-11）K28.3 282

（8-12）

Tkf21（28e27）dtkfl28e27

（8-13）

式中：28——单位宽度织物的质量密度；q28——占积率；r28——卷绕轴半径；r28.0 ——卷绕轴空轴半径；28——织物的比重；g——重力加速度；b28——织物的宽度；K28。1——转动惯量变换系数；M28d ——动态转矩；M28z ——阻转矩；μ28 ——变速比；J 28 ——折算到电动机轴上等效的转动惯量；J28d ——电动机转子的转动惯量；J28K ——空轴的转动惯量；J 28b—— 卷绕轴上织物的转动惯量；ω28——变频电机M28的角速度；β28 ——折算到电动机转轴上的等效粘性摩擦系数；δ 28——每层织物的厚度；r28.0——卷绕轴空轴半径；N28——卷绕轴上织物卷绕的层数；T ——织物张力；v27 ——牵引线速度；v28e——等效卷取线速度；kf ——张力系数；K28.2——转动惯量转换系数；K28.3 ——卷绕轴半径变化转换系数。

以上，式（8-1）至（8-13）描述了卷绕过程的动力学特征，为非线性、时变数学模型。据此，可制定卷绕张力控制方案并进行系统组态。

2.相邻单元之间织物的数学模型

以第26单元烘筒和第25单元轧车这两个相邻单元为例，烘筒和轧车分别为独立的传动点，工艺上要求夹持在这两个传动点之间的织物张力在动态和稳态过程中均保持恒定并等于设定张力。为此，需要建立这两个传动点之间织物的数学模型。相关的表达式如下：

wdw26dw25(26262525)dt

（8-14）

26ldw

（8-15）

dl262525dt26

（8-16）

ldlll(2625)25dt2（8-17）

dlldt

（8-18）

~dl~~ldt

（8-19）

~TAEl

（8-20）

~dT~~Tk0dt

（8-21）

式中，

25、26是轧车

25、烘筒26处织物单位长度重量；w

25、w26是轧车

25、烘筒26处分别传送的织物重量；

25、26是轧车

25、烘筒26处织物的线速度；l是相对于原长度的伸长量；是时间常数；T是织物张力；带“～”的量是标称（标幺）量。

由式（8-14）至（8-21）可知，两个相邻单元之间织物的简化动力学特性可用一阶微分方程来描述。这一区间织物的张力取决于两个相邻单元的速度差或织物伸长量，据此，可制定控制方案并进行系统组态。

8.2.3卷绕张力控制系统分析与设计

1.系统分析

由式（8-1）至（8-13）可知，由于卷绕辊的卷绕半径和转动惯量都是变量，这就导致了卷绕过程的数学模型是时变、非线性数学模型。通常的张力闭环控制难于满足即响应块又无超调的要求。

2.卷绕张力控制系统设计(1)张力闭环控制

张力闭环控制系统是使用张力传感器直接检测织物张力所构成的负反馈控制系统。

(2)智能卷绕控制

为了提高张力闭环控制系统的动态性能和稳态性能，需要解决以下三个问题：

1）变比例系数控制

卷绕线速度28应与单元27的线速度27成比例关系，为此，变频器28的速度设定信号必须与卷径成反比变化，即变比例系数控制。

2）卷径补偿控制

根据卷绕过程的数学模型，卷绕半径r28的变化是对织物张力T的内部扰动，为此，采用卷径补偿控制，消除卷径变化对张力的影响。

3）变增益、变积分时间常数控制

为了改善系统的性能，需要根据误差的大小自动改变增益值和积分时间常数，达到响应快、抑制超调和无稳态误差的目的。

为了解决上述三个问题，本系统采用了参数自适应、信号自适应、多模态控制和专家控制等先进控制策略。本系统的知识库、控制规则集和推理机构均由PLC来实现。

3.灵活使用欧姆龙PLC指令