1、毕业设计(论文)报告题目名称：基于PLC的复卷张力控制系统电气设计学生姓名： 学号：二级学院（系）/专业：能源与电气工程学院/电气自动化技术专业班级：电气 xx x指导教师： 201x年5月23 日毕业设计（论文）报告纸1装订线摘要本文通过分析张力控制系统的发展历史和市场现状，确立了项目研究的基本方向。通过分析恒线速度的张力控制系统的工作过程和原理，结合理论知识建立起张力控制系统的数学模型，选择PID控制算法作为主控制策略，采用闭环速度控制模式，从而提高被控量的稳定性、可靠性、精确性。该系统采用三菱Q系列模块式PLC作为系统的控制器，施耐德超声波传感器、张力传感器和旋转编码器作为检测元件，三菱
2、FR-A700变频器搭配普通的交流异步电机作为执行机构，三菱GOT触摸屏作为监控和显示部分，建立起卷绕辊恒线速度、卷材恒张力的复卷张力控制系统。该系统控制精度高，稳定性好，同时具有生产过程实时监控和数据可视化等优点。关键词：恒线速度；张力检测；PLC；变频器；PID。毕业设计（论文）报告纸2装订线ABSTRACTIn this paper, the development history and current situation of market oftensioncontrol system, established the basic direction of project. The
3、 working processand principle of the control system through the analysis of constant speedand tension, combined with theoretical knowledge to establish the mathematical model oftension control system, select the PID control algorithm as the main control strategy, usingthe closed-loop speed control m
4、ode, so as to improve the stability ofthe controlled quantity, reliability, accuracy. This system uses Mitsubishi Q series moduletype PLC as the system controller,Schneider ultrasonic sensor, tension sensor and rotaryencoder as the detecting element, Mitsubishi FR-A700 inverter with AC asynchronousm
5、otorcommon as the executing agency, Mitsubishi series GOT1000 touch screen asthe monitoring and display part, establish the rewinding tension control systemof constanttension, coil winding roller constant linear velocity. The system has high controlaccuracy, good stability, at the same time with the
6、 productionprocess real-timemonitoringand datavisualization etcKeywords: constant linearvelocity andtension test;PLC; frequency converter;PID.毕业设计（论文）报告纸3装订线目录摘要1ABSTRACT.2目录3第1章绪论.51.1张力控制系统简介.51.2张力控制系统的市场现状.51.3张力控制系统发展历史.6第2章张力控制系统概述.72.1张力数学模型.72.2张力控制原理.82.3张力控制方式.92.4 张力控制动态过程分析9第3章张力控制系统方案设计
7、.103.1 总体设计103.2 系统控制策略103.3 硬件设计113.3.1 硬件介绍及设备选型.113.3.2 电气设计.183.4软件设计.203.4.1PLC程序设计.203.4.2 触摸屏画面设计.23第4章系统调试.264.1 系统装配效果图264.2 系统抗干扰措施274.2.1控制系统中的干扰及其来源274.2.2 常用抗干扰措施.274.2.3 本系统采用的抗干扰措施.284.3PID参数整定284.4 系统运行情况29总结.30致谢.31毕业设计（论文）报告纸4装订线参考文献.32附录133附录234毕业设计（论文）报告纸5装订线第1章绪论1.1张力控制系统简介在工业生产
8、的许多行业，都会碰到卷绕过程的张力控制问题。比如在纸张、布料、磁带、薄膜、电线等卷材的生产过程中，线材在放卷收卷过程中所受到的张力将影响产品卷绕的质量，所以需要全程进行恒张力控制，使卷材在卷绕过程中承受最佳张力，并且始终保持不变。张力过大，卷材所承受的拉力过大使材料变形甚至断裂；张力过小，卷材每层的应力不相同，从而导致收卷不整齐、跑偏或者产生褶皱、松卷等现象。因此，恒张力控制系统是卷绕生产线的重要组成部分，广泛应用在卷绕加工生产线上,它的作用是实现各导引辊、收放卷辊之间的同步运行和收放卷全过程的张力精确控制。1.2张力控制系统的市场现状随着传感器检测技术、变频调速技术的发展，各类张力控制设备日
9、趋发展、成熟，已广泛应用于工控领域。各类变频器和张力控制器的出现使得张力控制方式更加多元化，张力控制手段得到空前发展，目前市场大多使用三种类型的张力控制系统，即手动控制型、半自动控制型和全自动控制型。手动控制型是指在收放卷过程中根据实践经验和系统需要手动调整制动器或离合器的扭矩，改变电机输出力矩，从而达到系统所需张力。这种方法要求用户随时检查卷材所受张力，根据情况不断调整输出力矩，以保持张力的近似恒定。手动控制方式操作比较复杂，控制精度教低，仅适用于一些对张力控制要求不高的系统。半自动控制型是指利用超声波原理或者精确地数学计算自动检出卷径，建立数学模型后经过计算调整输出扭矩进而改变卷材张力。这
10、是一种半闭环控制，可自动检测辊直径并计算输出转矩，同时有惯性补偿，缓冲和防退卷和其他附加功能。该方案控制精度的比手动控制模式高，成本低，因而被广泛应用于纺织机械市场。全自动控制型是系统根据预定的算法，随扰动量的不断变化来调整输出扭矩自动控制系统张力的稳定，有两种检测方式。一种是借助张力传感器直接测出物料所受张力，然后调整离合器扭矩来调节张力。该方案是张力全闭环控制，可以实时反映出张力变化情况，并自主调整输出转矩，因此精度最高，一些控制要求较高的冶金设备等常采用这种方案。另一种是通过安装浮动辊电位器来检测张力，然后调整离合器的输出扭矩来调节系统的张力。这种方式可以吸收滚筒抖动和材料因素带来的干扰
11、，也具有缓冲启动、防松卷等附加功能。毕业设计（论文）报告纸6装订线1.3张力控制系统发展历史国内外早期使用的张力控制方法是加重锤法，这种方法只能粗略的控制张力，并根据实际张力来调节线速度，速度的变化对张力影响很大，因此调节精度很差。20世纪80年代出现了一种机械式卷筒导开装置，在卷筒后面安装了一个摩擦片作为反馈元件，通过调节卷筒所受摩擦力的大小，可以一定程度的改变张力。但范围有限，控制精度不高，而且张力仍随卷筒直径的变化而改变，并不能保持恒定。20世纪80年代后期，传感器检测技术、变频调速技术不断发展成熟，数字技术被引入到张力控制系统中，出现了使用单片机和PLC作为主控制器的模拟数字混合张力控
12、制系统。近几年，张力控制系统结合了最新的变频调速技术、微电子技术、数控技术，系统功能更加完善。目前，国外张力控制设备对于卷取整个过程（包括启动和停车）的张力都有精确的控制，并且具有诸如断纸检测、手动/自动切换、保存控制参数、自诊断、防松卷等附加功能，支持多种通讯接口和通讯协议，但价格较昂贵。国内的张力控制系统在90年代以前几乎空白。90年代中期以后，由于需求增加，张力控制技术迅速发展，系统运行时可以较准确的控制张力的恒定，但和国外设备相比仍有差距。毕业设计（论文）报告纸7装订线第2章张力控制系统概述2.1张力数学模型卷材张力产生的原因在于卷绕电机的牵引作用和其他外界因素使卷材发生了弹性形变，图
13、2-1所示是一个张力控制系统的牵引和张力检测部分，假设L、L0为卷材在张力传感器两侧的两连续辊之间未经拉伸的长度和被拉伸后的长度，设张力为T，卷材形变率为，弹性模量为E，横截面积为A，推导过程如下：图2-1张力控制系统图由胡克定律可得：(1)又设t为卷材经过两导引辊所用的时间，则有：(2)再由线速度和角速度的关系可得：(3)综合(1)、(2)、(3)三式可得：)dt1R1-2R2(0 0 tLEATu (4)由式(4)可知，张力调节是一个积分环节，当卷材拉伸后由于面料的弹性伸长，面料绷紧，建立起张力。面料的张力与传动单元的速度差有密切关系，只要速度差保持恒定，张力即恒定，传动单元转速差变化直接
14、引起张力的变化，因此对卷材张力的控制转化为传动单元速度差的控制。要求线速度的恒定则需要控制收卷转轴角速度随毕业设计（论文）报告纸8装订线卷径D的逐渐增大而成反比例减小，放卷转轴角速度随卷径的减小而增加，同时附加张力PID调节的影响。2.2张力控制原理卷材的张力控制系统一般分为开环控制和闭环控制两大类：开环是指利用电机本身具有的与卷绕特性相似的软机械特性，直接传动卷绕机构，来获取近似的恒张力控制。开环控制方式不设反馈环节，如图2-2所示：图2-2开环张力控制闭环是指需要张力（位置）检测装置作为反馈部分，如图2-3所示为带浮动辊反馈的闭环张力控制。闭环控制共有三种方法，直接型、间接型和复合型。直接
15、型设置张力检测元件，利用张力检测值和给定值比较，得出偏差量，经过控制器的计算后，得出输出量，然后驱动执行机构来保持张力的恒定。直接型控制系统结构比较简单，控制比较精确，但容易受到张力检测元件的精度和环境因素的影响；间接型没有张力检测元件，仅通过对卷绕过程的静态和动态分析，发现张力变化的影响因素并且加以控制，从而达到控制张力恒定的目的。根据控制要求的不同可采取不同的反馈方法，包括卷径反馈、电流反馈、功率反馈等。间接型系统成本低，控制方式复杂，缺点是控制精度较直接型低。图2-3闭环张力控制毕业设计（论文）报告纸9装订线2.3张力控制方式张力控制方式有以下几种：手动张力控制方式；：在收放卷的过程中，
16、随着卷径的变化，手动调整离合器和制动器扭矩以得到张力的控制方式。半自动张力控制方式：在收放卷过程根据转轴转速和卷材厚度等参数自动计算出卷筒外径，来调节收放卷输出扭矩的方法。这种方法稳定性较好，并且可以屏蔽外界干扰的影响，但是由于计算误差较大，因此张力控制精度不高。全自动张力控制方式。 通过张力传感器或者其他位置检测元件测量材料所受的张力作为反馈，进而控制执行机构使测量值达到张力设定值的方法，属于闭环控制模式。这种方式控制精度较高，但对于一些突发的干扰信号，容易产生较大的震荡，因此大多使用PID控制方法。2.4张力控制动态过程分析卷取机的工作过程如下：初始状态下，放卷直径最大，收卷直径最小；开机
17、前手动设置张力和线速度初值，随着电机启动，系统建立张力，此时放卷电机实际线速度比收卷电机小，以便拉紧材料，建立张力。张立达到预设值之后，收放卷线速度基本一致。随着卷绕过程的开始，放卷卷径逐渐减小，收卷卷径逐渐增大，由V=R可知，要保持线速度的恒定，必须使放卷电机的角速度则要随卷径的减小而增大，收卷电机角速度使其随卷径的增大而减小，电机转矩则随速度的增大而减小；启动时，收放卷的线速度要迅速由0到达预设值，而停车或紧急停车时，线速度则要迅速由当前值变为0，这三种状态都要求保证系统张力的恒定和线速度的稳定。毕业设计（论文）报告纸10装订线第3章张力控制系统方案设计3.1 总体设计本论文所设计制作的复
18、卷张力控制系统组成如图3-1所示：该系统从右向左依次为放卷辊，压紧辊，张力辊，导引辊和收卷辊。收放卷辊由两台相互独立的变频器控制普通三相交流异步电动机驱动；收放卷辊上设有压紧辊，作用是防止卷材由于电机高速旋转而发生抖动或产生褶皱；收放卷辊下方安装有超声波传感器，用于测量卷辊的实时卷径；靠近收放卷的导引辊上安装有旋转编码器，用于测量卷材实时线速度，形成速度反馈环；张力辊装在张力传感器上，可以检测卷材所受张力，形成张力反馈环，因此，该系统是一套双闭环控制系统。图3-1张力控制系统组成考虑到系统的控制量复杂，且控制要求较高，因此选用三菱Q系列的PLC作为控制器，选用施耐德超声波传感器、张力传感器和旋
19、转编码器作为检测元件，选用三菱FR-A700变频器搭配普通的交流异步电机作为执行机构，选用三菱GOT1000系列触摸屏作为监控和显示部分。3.2 系统控制策略本系统综合直接法和间接法的优缺点，采用闭环速度控制模式，驱动形式采用中心驱动，利用张力传感器来实现张力的反馈，利用编码器实现线速度反馈，原理如图3-2所示：毕业设计（论文）报告纸11装订线图3-2张力控制原理框图首先，设定张力和速度给定值，启动系统，收放卷电机开始运作，此时收卷线速度比放卷线速度大，张力系统建立后，通过超声波传感器检测实时卷径，由公式：可计算出为达到线速度给定值所需的收放卷电机的角频率，再通过编码器检测当前线速度，与给定值
20、比较，经过CPU的运算，输出电压信号给变频器，从而使电机转速得到控制。张力传感器检测到张力信号后，经放大器输入到PLC的A/D模块，与张力设定值比较，形成误差，经过PID运算后，将控制信号输出到放卷变频器，通过控制放卷的实际线速度来改变张力。3.3硬件设计3.3.1硬件介绍及设备选型1.可编程控制器可编程控制器，简称PLC，是一种为适应小批量、多品种，多规格、低成本和高质量生产需求而发展起来的通用工业控制装置。可编程控制器应用面广，功能强大，使用方便；梯形图编程语言形象直观，简单易学；可靠性好，抗干扰能力强；简单易用，维护方便等特点，常见的有西门子、施耐德、三菱等品牌。本系统控制量较复杂，因此
21、选用三菱Q系列模块式PLC作为系统的控制器。Q系列PLC具有多种CPU模块和功能模块，可以根据需求自由选择搭配，Q系列PLC支持以太网、串口通信、CC-LINK等多种通信模式。如图3-2所示为三菱Q系列PLC：毕业设计（论文）报告纸12装订线图3-3三菱Q系列PLC该系统使用了以下几个模块：表3-1PLC模块选型表序号 名称 型号 数量1 CPU 三菱Q00J 12 通讯模块 QJ61BT11N 13 数字量输入 QX40 14 数字量输出 QY10 15 模拟量输入 Q64AD 16 模拟量输出 Q62DAN 17 高速计数 QD62 1通讯模块使用cc-link通讯协议，负责与GOT触摸屏
22、的通讯。数字量输出模块用来从外部控制FR-A700变频器的运行状态。模拟量输入模块负责采集张力传感器和超声波传感器检测到的数据并输入到PLC。模拟量输出模块根据算法要求调整变频器的转速，进而改变张力。高速计数模块负责采集旋转编码器的脉冲数，输入PLC，进而计算出系统的线速度。2 变频器变频器是一种可调速驱动系统，是通过改变电机工作电压、电流和频率来调整电机速度的设备。变频器内部结构包括整流滤波电路、逆变电路、检测单元和驱动单元等组成部分。变频器通过控制内部绝缘栅双极型晶体管的通断来调整输出电压，根据毕业设计（论文）报告纸13装订线实际需要来调节电机的工作电压，实现节能、调速的功能，同时还具有过
23、流、过压、过载保护等功能。本系统选用的是三菱FR-A700变频器搭配普通交流异步电动机作为执行机构。三菱变频器有两种工作模式,分别是PU运行模式、外部运行模式，PU运行模式直接在变频器控制面板上控制电机的启停，正反转，点动，模式选择；通过旋钮来调节转动频率或进行其他设置。外部模式则通过连接PLC输出端口和变频器的外部控制端子来控制变频器的运行状态。本系统使用触摸屏作为人机界面，所有操作均在触摸屏上进行，因此选择变频器的外部控制模式来控制系统的启停。变频器的参数设置仍需使用变频器控制面板上的按钮手动预设。图3-4所示即为变频器操作面板的简单介绍：图3-4三菱FR-A700变频器操作面板毕业设计（
24、论文）报告纸14装订线该变频器端子接线方式如图3-5所示：图3-5三菱FR-A700变频器接线图毕业设计（论文）报告纸15装订线在使用过程中，要保证变频器长期可靠运行，良好的安装环境是必须的，一般变频器安装要求如下:1)工作环境要求无浮尘，腐蚀性气体或液体，不能影响变频器正常工作2)对于变频器的最小空间要求是外围尺寸加上变频器周围的通风空间，一般情况下，变频器的上下左右应留出20cm的空间。3)电动机和变频器之间距离受最大电动机电缆长度的限制。4)环境温度，一般要求为-10+40。5)环境湿度，相对湿度不超过90。3.人机界面人机界面（又称用户界面简称HMI）是系统和用户之间交换信息的媒介和对
25、话接口。人机界面由硬件和软件组成，硬件包括微处理器、输入端口、显示器、通讯接口、存储器和其他部件；软件部分包括系统软件和画面组态软件。本系统选用三菱 GT15-C100BS触摸屏作为监控和显示部件，使用三菱GTDesigner3软件设计组态画面。4.旋转编码器编码式传感器简称编码器，能将直线运动量和转角转换成数字信号输出。按照工作原理可以分为电磁式、光电式和接触式3种。旋转编码器具有体积小、分辨率高、可靠性好、使用方便等优点，因而在工控领域得到广泛的应用。本系统选用光洋TRD-2T600BF增量式旋转编码器作为系统的速度检测及反馈部分。5.张力传感器张力传感器也叫张力检测器，是用于测量张力控制
26、过程中卷材张力值大小的仪器。按工作原理分为应变片式和微位移式：应变片式是指将应变片通过电桥连接，受到外界压力时，电阻值与压力值呈线性关系变化，由此可计算出张力的大小。微位移型是指板簧受外部压力后发生位移，通过差接变压器计算出张力。按照外型结构的不同可分为轴台式、穿轴式、悬臂式3种本系统选用JuquSN系列穿轴式张力传感器搭配张力放大器作为张力检测及反馈元件，其安装方法如图3-6所示：毕业设计（论文）报告纸16装订线图3-6张力传感器安装图6.超声波传感器超声波传感器是利用超声波的物理特性开发出来的。超声波检测使用0.2520MHz范围内的声波。超声波具有波长短、方向性好、易于形成光束的特点。超
27、声波检测通过发射换能器向被测物体发射超声波，然后接收经被测物体相反射回来的超声波。其检测过程如图3-7所示:图3-7 超声波检测过程超声波探头，分为超声波发生器和接收器两种，是将电能转换为超声振动能或将超声振动能转换为电能的一种装置，原理是压电效应。在实际使用中，通常利用压电效应的可逆性使换能器具有“发射”和“接收”两种功能，即使用同一个超声波探头发射和接收超声波。超声波传感器测距原理：超声波传探头先向目标物体发射超声波，当超声波遇到物体后反射回来并被传感器探头接收到。记录声波从发射到接收所用的时间除以2，再乘以声波在空气中的传播速度，就能够求出超声波传感器相对于被测物体之间的距离。本系统先利
28、用超声波传感器测量与卷辊外沿距离的变化，再通过计算得出卷径的实时变化。本系统选用的是施耐德公司的OsiSenseXX930A1A1M12超声波传感器检测收放卷卷径的实时变化。该型号传感器接线方式如图3-8所示：毕业设计（论文）报告纸17装订线图3-8超声波传感器接线图本型号超声波传感器的检测范围是1m，最小开关距离(盲区)是5cm如图3-9所示：图3-9超声波传感器的检测范围这种类型的超声波传感器设置方法如下：1.移除传感器检测区域的所有无关物体，传感器检测不到物体，LED灯闪烁红色。2.将物体置于传感器检测区域，按住设置按钮，使LED 闪烁绿色(约3秒)后松开按钮。3.设置检测区间，将物体置
29、于检测范围的下限，按住设置按钮，使LED闪烁琥珀色。然后将物体置于检测范围的上限，按住设置按钮，使LED显示绿色，表明设置完成。检测区间可自定义，但要在传感器工作范围之内。硬件设备选型情况详见附录1。毕业设计（论文）报告纸18装订线3.3.2电气设计电气设计包括两个方面，首先根据上节的硬件选型表进行输入输出端口配置，然后根据I/O配置绘制电气原理图。系统输入/输出配置信息如下表所示：表3-1系统输入/输出配置表输入点 输出点序号 功能 地址 序号 功能 地址1 超声波传感器1信号输入V+ CH1V+ 1 左变频器正转 Y02 超声波传感器1信号输入V- CH1V- 2 左变频器反转 Y13 超
30、声波传感器2信号输入V+ CH2V+ 3 左变频器点动 Y24 超声波传感器2信号输入V- CH2V- 4 右变频器正转 Y45 张力传感器信号输入V+ CH3V+ 5 右变频器反转 Y56 张力传感器信号输入V- CH3V- 6 右变频器点动 Y67 编码器脉冲输入A X20 7 左变频器电压输入V+ CH1 V+8 编码器脉冲输入B X18 8 左变频器电压输入V- CH1COM9 右变频器电压输入V+ CH2 V-10 右变频器电压输入V- CH2COM毕业设计（论文）报告纸19装订线本系统的电气控制原理图包括主电路图（如图3-10所示）和控制电路图（如图3-11所示）：图3-10主电路
31、图图3-11控制电路图毕业设计（论文）报告纸20装订线3.4软件设计软件设计是整个张力控制系统的重要组成部分,包括PLC程序设计和触摸屏画面设计两部分。3.4.1 PLC程序设计程序设计主要包含三个部分:（1）根据控制要求绘制系统工艺流程图；（2）分配输入输出设备，确定系统输入信号和输出信号；（3）编写梯形图程序，并上机运行调试程序；本系统以三菱Q系列模块式PLC作为主控制器，搭配数字量输出模块，模拟量输入输出模块，高速计数模块和CClink通信模块等功能模块。系统软件的开发使用梯形图编程语言，实现程序的初始化，过程参数采集（张力卷径和实时线速度值），张力和线速度的计算，存储，显示，PID运算
32、等功能。系统流程图如图3-12所示：图3-12张力控制系统程序设计流程图毕业设计（论文）报告纸21装订线本系统采用三菱公司提供的GX编程软件编程。程序主要功能是：整机联动、收放卷变频调速、卷径张力线速度的检测和运算、PID运算、恒张力控制、手动自动模式切换、机器调整等。程序功能分手动调试、自动运行和机器调整三个部分，保障系统的完美运行。如图3-13所示为编码器测速度的PLC程序，寄存器k10存储编码器的当前脉冲，每隔50ms记录一次脉冲数，每计两次脉冲后求一次平均速度作为系统线速度。图3-13编码器测速度PLC程序如图3-14所示,为PID算法的初始化程序，用于设置PID的通用控制数据和环路1
33、的各项数据，包括环路数和每个环路的动作方向，采样周期，比例积分微分常数，输出量的上下限等等。毕业设计（论文）报告纸22装订线 图3-14PID的初始化程序PLC完整程序详见附录2。毕业设计（论文）报告纸23装订线3.4.2 触摸屏画面设计三菱触摸屏编程软件GTDesigner3是GOT触摸屏的画面组态软件，该软件集成了 GT Simulator3 仿真程序，可以在 PC 机上模拟仿真。 本系统使用GTDesigner3软件进行系统的组态画面设计和通用设置、数据传输等操作，通过触摸屏仿真软件GTSimulator3和PLC仿真软件GXSimulator在PC机上模拟运行。触摸屏主要实现在参数设置
34、，系统的启动停止、手动调试、自动运行、运行监测等功能，具体画面设计如下列图片所示：触摸屏主画面，包含项目名称和项目简介、自动运行、手动调试、机器调整四个页面的跳转按钮如图3-15所示：项目简介页面，简单介绍了该系统的组成、功能、运行情况、在触摸屏上可以实现的操作，并插入了一张设备的三维图形给用户直观的印象，右下角是返回主页面的按钮，如图3-16所示：图3-15触摸屏主画面图3-16项目简介页面手动调试操作界面，选择手动操作模式后，可实现手动启停系统，正向收卷和反向收卷等操作，并且实时显示张力，线速度和左右卷径。页面下方四个按钮分别跳转到主页面、自动运行、实时监控、参数设置四个页面。如图3-17
35、所示：自动运行操作界面选择自动运行模式后，直接控制系统启停，系统按程序自动运行调整张力。实时显示张力，线速度和左右卷径。页面下方四个按钮分别跳转到主页面、自动运行、实时监控、参数设置四个页面。如图3-18所示：毕业设计（论文）报告纸24装订线图3-17手动调试页面图3-18自动运行页面参数设置页面，可设置线速度，张力和PID参数，如图3-19所示：实时监控界面，可以动态监测系统张力和线速度的变化，如图3-20所示：图3-19参数设置页面图3-20实时监控页面毕业设计（论文）报告纸25装订线机器调整界面，可用于机器运行前的硬件检测和故障排查，如图3-21所示：模拟监控界面，可以实时监测模拟量输入
36、输出模块输出量的变化情况，如图3-22所示：图3-21机器调整页面图3-22模拟量监控页面毕业设计（论文）报告纸26装订线第4章系统调试4.1 系统装配效果图系统组装完成后效果如图4-1所示：图4-1硬件结构安装效果图图3-13控制部分组装效果图毕业设计（论文）报告纸27装订线4.2系统抗干扰措施4.2.1控制系统中的干扰及其来源1干扰源及其分类PLC控制系统的干扰产生在电压电流剧烈波动的部位，这些部位就是干扰源。按干扰模式的不同，可以分为共模干扰和差模干扰两种模式。共模干扰是各个输入信号接口段的共有的信号干扰，是信号线对地线的电位差，属于非对称性干扰。差模干扰是指线与线之间的干扰，也指作用于
37、信号正端和负端之间的干扰电压，差模干扰叠加在信号上，将会影响到系统测量的精度。2PLC系统干扰的来源（1）空间辐射干扰空间辐射干扰主要由电力网络、无线电广播、电视等产生的，分布十分复杂。PLC系统大都会受到空间辐射干扰，影响系统的控制精度和稳定性。（2）传导干扰传导干扰是指来自系统外线路的干扰，有三个主要来源电源线，信号线和接地系统。由于电网用电设备众多，内部剧烈的变化都将通过输电线路传到电源原边。虽然PLC电源通常都是隔离电源，但其隔离性能并不理想，因此将产生电源干扰。PLC控制系统的各种信号线，在传输有用信息的同时也会传输一部分外部的干扰信号。干扰信号有两种，一方面是经由传感器变送器电源串
38、入的电网干扰，另一方面是信号线受到的空间辐射干扰。PLC控制系统的接地线比较复杂，包括系统地、交流地、保护地等等。正确的接地，可以在抑制电磁干扰同时抑制设备发出干扰；而错误的接地方式，会使干扰更为严重，影响系统正常工作。4.2.2 常用抗干扰措施1、采用隔离性能好的电源，抑制电网干扰采用隔离性能较好的电源为PLC系统供电，采用分布电容小、抑制带大的配电器为传感器变送器供电，以此来减弱电网对系统的干扰。2、硬件滤波及软件抗干扰措施在信号线与接地线之间并接电容可以减少共模干扰的影响；在信号正负间设置滤波器可以降低差模干扰的影响。但由于电磁干扰十分复杂，无法在硬件上完全消除，所以需要在系统的软件设计
39、时进行抗干扰处理。常用的方法有：限幅消抖滤波法，输入多次重复采样、加权平均，输出端口刷新降低干扰对输出口状态的影响毕业设计（论文）报告纸28装订线3、完善接地系统电气系统接地有两方面的原因：安全和抑制干扰。完善的接地系统是电控系统抑制电磁干扰的重要手段。系统接地方式有三种分别是：直接接地方式、浮地方式和电容接地。当信号源接地时，屏蔽层的接地方式与信号源是相同的，当信号源不接地时，屏蔽层需要在PLC侧接地4.2.3 本系统采用的抗干扰措施传感器传输线均采用独立屏蔽线，并在两端加装屏蔽磁环。PLC供电电源采用隔离变压器降低电源干扰。PLC的CPU模块及模拟量模块设置了与电气接地相独立的信号接地装置
40、。程序中设置了模拟输入信号的滤波采样环节。4.3PID参数整定PID控制器参数整定有理论计算整定法和工程整定法两种。前者根据数学模型经过计算后才能得出系统的理论控制参数。后者仅凭借工程经验，直接在控制系统的试运行时确定控制参数工程整定方法有试凑法、临界比例法、反应曲线法等。不同方法各有特色，但其共同的地方是都要通过多次试运行之后，再按照工程经验公式来确定控制器参数。本系统采用试凑法确定PID控制器参数试凑法是指通过研究不同参数对系统性能的影响，在系统试运行过程中，不断修改PID参数，直到系统运行满足控制要求为止的整定方法（1）比例系数整定：先将积分系数KI和微分系数KD置零,仅采用单纯的比例控
41、制器。将比例系数KP按由小到大顺序不断变化，同时,观察系统被控量的响应情况,直至被控量满足响应速度较快且有一定范围的超调量为止。如果系统余差在允许范围之内,系统响应曲线满足设计要求,可以选择纯比例控制。（2）积分系数整定：如果比例控制系统的余差过大，或者系统震荡大，就应该加入积分调节消除余差。整定参数时将积分系数KI按由小到大的顺序不断增加，观察系统余差是否消除以及消除的速度，当余差满足控制要求后，微调控制参数使消除余差的速度尽可能快。此时超调量会比纯比例控制大,降低一点比例系数KP即可。（3）微分系数整定：若使用比例积分(PI)控制器无法满足设计要求,或者震荡较大的话，就应该加入微分控制器用于消除震荡，稳定系统。整定参数时先让微分系数KD从零开始逐步增毕业设计（论文）报告纸29装订线大,观察系统稳定性,同时微调比例系数KP和积分系数KI，使系统的响应速度，稳定性等能够满足控制要求。4.4系统运行情况本系统经过调试后，可基本实现恒线速度恒张力的卷绕控制要求，系统运行稳定，没有出现跑偏、断卷、松卷等问题，总体运行情况良好。系统运行时的张力和线速度监控画面如图4-3所示，分别为张力和线速度随时间变化的曲线。绿色曲线为实时张力和线速度，红色曲线为设定值。由图可知，本系统对张力和线速度有良好的控制效果。图4-3系统运行实时监控画面
