控制网

1 引言

    目前，在铜箔卷绕设备中用交流传动代替直流传动在这个行业中已成为发展趋势。此外，在铜箔生产线卷绕的整个过程中，要求其张力是恒定的，而且对系统的稳定性和控制精度有很高的要求，因此我们有必要对其电控系统进行研究，来提高生产线的整体性能。

2 系统构成

    本文所涉及的铜箔生产线长度约24米，铜箔在生产线上电镀时有微微的增厚，在各种导辊上穿插后长度在40米左右，铜箔的最大宽幅1360mm，设计机列速度为36米/分钟。成品卷的质量标准为：具有适当的硬度，且内紧外松，径向硬度分布均匀。为了达到上述的指标，采用了全数字的交流伺服系统作为主传动装置的电控系统。
系统主要有以下几个部分组成：

    (1)．开卷和收卷驱动辊，一个速度辊，6个辅助辊，分别由单独的交流伺服电机拖动，并由6SL3120全数字双轴驱动器供电。

    (2)．西门子SIMOTION  D435作为中心控制器。

    (3)．张力检测装置。

    (4)．TP270触摸屏作为输入操作和状态显示。

3 系统控制方案

    系统配置了西门子SIMOTION D435和TP270触摸屏，可以组成控制精度和自动化程度较高的系统。考虑到系统动态响应性，稳定性，精度性的要求，系统采用以下控制方案：

    （1）系统的车速由单独的速度辊传动系统来提供，这个辊通过交流伺服电机拖动，运行在速度模式下，它的线速度作为机列的速度基准，为了保证启动和停止的运行平稳，采用S加减速曲线升降速。

    （2）开卷辊传动系统运行在张力闭环控制模式，通过张力传感器的反馈值组成张力闭环，通过张力设定以及张力反馈来保证开卷轴附近铜箔上的张力保持恒定。

    （3）收卷辊传动系统也是运行在张力闭环控制模式下，控制方式与开卷辊类似，不同之处只是添加了张力的锥度补偿，以此来保证卷绕的质量。

    （4）其余的6个辅助辊传动也是运行在张力闭环控制模式下，它们提供系统运行过程中由于摩擦等的能量损失，从而保证中间部分铜箔上的张力保持恒定。

    （5）控制系统由SIMOTION D435、TP270触摸屏组成，SIMOTION、触摸屏和交流伺服驱动器之间通过PROFIBUS通讯来传递信息，从而使电气传动系统连接简便，辅助设备操作灵活，方便。

    （6）系统由穿卷到运行过程中，各个辊之间铜箔会有一个由松到紧的过程，如果这个过程变化过急，猛地把铜箔由松弛状态到绷紧状态，很容易把铜箔拉断，从而产生断箔。所以张力应该使按照S曲线变化量递增，而不应该是阶跃的变换量。

    （7）动态补偿的实施由SIMOTION D435通过软件来完成，收卷辊传动的惯量补偿，以及锥度补偿等通过实测的数据来实现。

4 SIMOTION D435的硬件配置和软件设计

    4．1硬件配置

    控制器采用西门子的SIMOTION D435，该控制器是基于SINAMICS S120驱动平台的驱动系统，是一个极其紧凑同时具有强大控制功能驱动控制系统，它带有两个具有时钟同步的PROFIBUS接口以及两个以太网口，可以通过DRIVE-CLiQ接口与SINAMICS S120的其它模块进行数据交换通过扩展，一个SIMOTION D435最多能控制64个轴，单独的一个SIMOTION D435仅可以控制6个轴，由于本系统控制的轴数为9，故选取了CX32轴扩展模块。

    整个系统由五部分组成，SIMOTION D435，CX32多轴扩展模块， SINAMICS S120的双轴驱动模块，ET200，TP270触摸屏。它们之间通过PROFIBUS接口协议通讯。SIMOTION主要完成逻辑控制，算法的运算，接受触摸屏和ET200的信号，同时将计算得到的运动指令送到SINAMICS S120驱动控制器中。

    4．2主要控制功能

    （1）现场控制信号的采集，远程I/O和操作屏通过通讯把现场操作信号送入SIMOTION。
 
    （2）速度的控制及计算，根据工艺要求设定不同的机列速度，通过计算，传送给速度辊传动装置。
 
    （3）惯量补偿的自动计算，根据铜箔的厚度不同，通过惯量补偿计算出需要补偿的惯量。
 
    （4）SIMOTION与操作屏通过PROFIBUS实施高速通讯传输，将各个传动点的工作状态实时显示出来，同时接受触摸屏上的操作指令，控制各个传动点执行相应的动作。
 
    （5）张力控制，通过铜箔上张力的设定和传感器的反馈来实现恒张力控制。
 
    （6）断箔报警控制、与工艺有关的电气一体化连锁控制。

    4．3程序流程
    
    主程序流程图如图1所示，首先初始化程序先对参数、卷径计算模块、张力控制模块、锥度补偿模块、机列速度等进行初始化。

    逻辑控制程序流程图如图2所示，根据工艺要求执行操作台上的按钮，来实现自动控制的目的。
 

    在运行过程中，卷径实时计算通过速度辊上的线速度作为机列的线速度，然后根据收放卷辊的实际角速度计算得来的；收卷锥度动态补偿的实施也由SIMOTION来完成，根据设定的速度和实际在运行过程中对应不同卷径下需要的不同张力值计算出来，以曲线的形式存入SIMOTION中，运行时候根据计算得到的卷径值来给出需要的张力值，达到锥度补偿的目的；同时根据张力的反馈值，实时的对系统进行张力补偿；利用速度辊驱动电机的编码器来计算成品铜箔的生产量长度，达到定长停车的目的。

5.结束语
    
    该系统采用西门子SIMOTION D435作为中心控制器，使开发周期大大缩短，模块化的设计和各种通用、专用模块使系统配置变得简单，其符合IEC 61131-3工业编程语言的国际标准使得系统编程更为方便，其硬件结构的工作可靠性及良好的抗干扰性能，保证了系统的可靠工作。经过调试、试运行，该系统运行情况良好，收卷质量达到要求。

参考文献
[1] 孟彦京.造纸机变频传动原理与方法[M].西安
：陕西人民出版社，2002-09.
[2] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，1988-06.
[3] Application Winder with SIOMOTION.
[4] SIMOTION D435使用手册

作者简介：
万筱剑：1978年10月，男，硕士研究生
研究方向：电力电子与电力传动
手机：13824307626