西門子S00選件在自調整卷徑計算中的應用

高位肖 郭永紅

(河北經貿大學信息技術學院，河北石家莊，050061)

在造紙生產或原紙再加工中，卷取是一個十分重要的工序。卷取過程一般要求恒張力，需要配備先進的直流調速系統。目前，西門子的6RA70調速器在直流調速系統中應用較為廣泛，但是，6RA70沒有現成的卷徑計算模塊。卷徑計算對于速度和張力控制都是至關重要的。S00是西門子6RA70的選件，它提供了一些邏輯、數值計算等功能模塊，用戶可根據具體工程和工藝要求來編制搭建自己的控制系統。本文介紹了S00選件在自調整卷徑計算中的應用，目的是進行恒張力控制。

1 恒張力卷紙系統原理

在卷紙過程中，紙卷的直徑逐漸增大，因此在整個過程中保持紙張的張力不變十分重要，因為張力過大會將紙拉斷，而張力過小，則可能造成卷繞松馳。為了保持卷繞過程中紙的張力不變，必須在紙卷直徑增大時，使驅動紙卷的電機的輸出力矩也增大。并且如果要保持卷繞紙的線速度不變，須使卷軸筒的轉速隨之降低。因此控制卷紙的系統應該是一個恒張力的控制系統。該自控系統原理如圖1所示。

由圖1可知，該控制系統給定了線速度和張力，測速電機進行速度反饋，另外通過張力傳感器進行紙張張力反饋。張力反饋經過適當運算后也轉換成電機轉速控制。為了保障卷取過程的恒張力，隨著紙卷直徑的增大，電機的輸出扭矩和轉速需要不斷調整。紙卷的直徑是速度反饋和張力反饋中的重要計算量，因此系統中需要實時計算出紙卷的直徑。西門子6RA70直流調速器內部提供了一系列可以自由使用的功能模塊，用戶可以任意組態出圖1中的功能。但是，6RA70內部沒有提供現成的卷徑計算模塊，解決的方法是可以采用PLC控制器，但這樣會加大系統的復雜度。如果系統的卷取速度不是很快，就可以采用6RA70自帶的S00選件來自由組態卷徑運算功能模塊。S00選件的使用可以使控制系統結構簡單。

2 自調整計數器式卷徑計算

由圖1可知，卷徑計算是要求實時進行的。卷徑運算的結果是速度反饋、張力反饋以及卷徑運算本身的重要計算量。對于恒張力系統，卷徑運算的高效率和準確性非常重要。

圖1 卷紙系統恒張力自動控制原理圖

自調整計數器式卷徑運算的原理如圖2所示。圖2中卷徑計數器用來記錄卷徑的圈數。卷徑計數器是一個可以進行加或減的計數器。接近開關是一個測速器件，電機每旋轉1周，接近開關發出1個高脈沖，允許卷徑計數器計數1次。理論角速度和實測電機角速度的差值決定卷徑計數器是加計數還是減計數。卷徑計數器的輸出與卷取材料的厚度相乘就可得到紙卷的直徑。

在實際工作中，由于誤差及各種故障的存在，可能會出現卷徑計數器計數值與實際卷徑值不一致的情況。如果出現這種情況，卷徑模塊應能自行調整，使兩者趨于一致。這里采用將電機理論角速度與實測角速度對比的方法來調整。

理論角速度是根據當前的卷徑值計算出來的電機應該具有的角速度。如果理論角速度大于實測角速度，說明卷徑值較小。這時，通過兩個比較器的輸出可使卷徑計數器進行加計數。在卷徑過程中，如果設備工作正常，大部分時間里，卷徑計數器處于加計數狀態。但是由于系統會有一些不穩定狀態，比如打滑等，可能導致實際沒有卷紙，但計數器值卻增加了。如果是這樣，就會出現理論角速度小于實測角速度的情況，出現實際卷徑值小于卷徑計數器的值。此時，兩個比較器會控制卷徑計數器進行減計數。減計數可以排除系統故障引起的實際卷徑值與卷徑計數器值不一致的問題。通過自動調整計數器的加和減，可以使實際卷徑值與計數器值相一致，就可以獲得實時準確的卷徑值，為后續的張力和速度反饋提供準確數據。

在理論角速度與實測角速度比較時，為了使比較效果具有滯后性，增加比較的準確度，在比較之前，各自有一個小的上調值。上調值的大小可在實際系統中根據經驗來設定。圖2中材料的厚度也根據實際系統來設定。

3 S00工藝軟件在卷徑計算中的應用

圖2 自調整計數器式卷徑運算原理圖

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，根據前面介紹的自調整計數器式卷徑運算，這里選用的軟件模塊包括(如圖3):帶濾波的絕對值發生器 (60)、加法器(20、21)、限幅值監控器 (73、74)、定時器 (240)、與門 (120、121)、或門 (150)、線速度/轉速計算器 (115)、16位軟件計數器 (89)和乘法器 (50)。括號中標明的數字是該軟件模塊在說明書中的編號，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提供或指定的各種連接器來完成。這些連接器還可以作為兩個或多個模塊之間的參數進行傳遞。

在圖3中，K0013中為實測的電機轉速，經過60號絕對值發生器模塊由K9160輸出。K9257為根據卷徑計算值和給定線速度得到的理論角速度。在115號模塊中給定線速度在U522參數中設定。在20和21號加法器模塊中，輸入量有3個，可設定K9502為0，K9501中為根據系統設定的經驗值，用于滯后比較。240號定時器模塊用于延時，等待系統啟動穩定后再打開與門(120和121號模塊)并允許計數，其中U442參數中為定時時間。

表1 參數或連接器的用途

或門150的3個開關量連接器允許接入3種暫時停止計數的情況，比如斷紙、臨時停車、換軸等，如有需要這里還可以進行擴充。與門120和121中的B0020為接近開關輸出的高脈沖，可以控制計數的頻率。50號乘法器的K9503可用來設置材料厚度。其他參數或連接器的設置及含義如表1所示。

4 結語

卷徑計算是紙加工自動控制系統中非常重要的一環，卷徑計算是否準確將直接影響控制系統的性能。本文中介紹的自動調整計數器式卷徑算法，能根據實測值和理論值的比較自動修正卷徑計數器的計數值，使得計數器的計數值與實際卷徑值一致。通過深入分析S00選件的功能模塊和自調整計數器式卷徑計算的原理，文中給出了S00選件在該卷徑計算中的應用。對模塊的選取、模塊的參數以及模塊之間的連接器的使用都給出了詳細的描述。

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