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前言
在实际生产中如果以中心收卷方式来收卷的话，收卷轴的直径是不断变化的。不断变化的收卷直径引起角速度的变化，从而引起材料上张力也随之出现的波动：张力过小，材料收卷时会松弛起皱、横向走偏；张力过大则导致材料拉伸过度，在纵向上会出观张力纹甚至出现纵向隆起。
在收卷的过程中为保证生产效率和收卷的质量，张力控制系统就显得尤为关键。张力控制模式一般有开环、闭环控制两种模式，其中开环控制模式没有张力检测和反馈环节。设计、结构上相对简单但控制精度和稳定性较差。闭环控制模式则一般有卷径检测装置和张力反馈环节，控制的随机性很强，具有较高的控制精度和响应速度，但系统的控制设计比较复杂元器件较多，在小型设备上的应用受到一定的限制。
本文介绍一种基于伺服系统及plc系统的开环张力控制系统，经过试验，能够应用在0.1mm级材料的收卷上，收卷质量完全可以媲美闭环控制的质量，其系统构成如图1所示。
图1 系统构成框图
选用伺服控制系统是基于它的转矩控制模式在收卷方面具有控制简单、精度高的特点。在转矩模式下，不需要对收卷的速度进行控制，只需给出一个速度限制值即可使收卷轴的角速度根据转矩的大小而自动浮动，并实现恒线速度收卷。伺服控制器的内部转矩检测功能可以jingque的检测输出电流，从而实现转矩的高精度控制。
系统的转矩、速度指令及收卷的半径等参数通过plc系统内部计算得出，使系统得到的简化。
系统控制原理
系统的控制模型如2所示，整个收卷系统主要由三菱mr－j2s伺服系统、三菱a系列plc系统、proface触摸屏构成。
图2 系统的控制模型图
其中速度、转矩指令在触摸屏上设定，传送到plc中，经过plc的计算后通过a1s68dav形成0～10v的模拟信号，传送给伺服系统。伺服系统接受信号后再经过内部单元转换成电机的速度、转矩控制信号，从而控制电机jingque运转。在伺服电机运转过程，伺服电机的旋转编码器（pg）将瞬时转速经a1s64ad模块转换成数字信号输入plc中，计算出瞬时卷径，再根据计算卷径的大小变化输出转矩，从而实现张力稳定有规律的控制。
伺服系统设计
三菱mr-j2s伺服系统有位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式三种控制方式，本系统选用的是转矩控制模式。
（1）转矩控制模式的接线图如图3所示
图3 转矩控制模式的接线图
（2）转矩控制指令
模拟量转矩指令输入电压和伺服电机输出转矩间的关系如图4所示。
图4 模拟量转矩指令的输入电压和伺服电机输出转矩间的特性
±8v对应大转矩，±8v输入时所对应的输出转矩可用在伺服系统no.26#参数改变，例如：no.26=50%,表示当输入电压为±8v时，对应的输出转矩＝大转矩×50％。
由于受系统精度限制，在输入电压低于0.05v时，系统将会无法准确地设定输出转矩。
在使用时，可以通过设定输出电压的极性来控制电机的正反转。
（3）速度限制指令
当伺服电机处在转矩模式时，其大角速度将会受到模拟量速度输入电压的限制，并且伺服系统将会根据检测的转矩电流大小（负载）而自动调节速度。模拟量速度限制电压与伺服电机速度的关系如图5所示。
图5 模拟量速度限制电压与伺服电机速度特性
（4）伺服参数设定
转矩模式下的主要伺服参数设定如表1所示。
表1 转矩模式下的主要伺服参数设定
plc系统设计
plc系统采用三菱a系列模块构建，其中a1s68dav及a1s64ad作为plc系统与伺服系统之间的信息接口，触摸屏通过rs232与plc相连。如图6所示。由于a系列中每16点为一个模块位置号，a1s68dav在程序中的位置编号为4＃、5＃、a1s68ad在系统中的位置号为6＃、7＃。
图6 plc系统采用三菱a系列模块构建图
（1)a1s68dav数模转换模块
转矩、速度模拟信号都是通过plc系统中的8通道a1s68dav模数转换模块向伺服控制器输出的，a1s68dav的性能规格如表2所示，
表2 a1s68dav的性能规格
表3 a1s64ad的性能规格
其中模拟输出值（v）＝大分辨率（v）×数字输入值，其中模拟输出值为模块向伺服控制器输出的扭矩、转速等控制电压，而对应的数字输入值则通过plc程序内部计算后得出。
在plc程序中的初始化模块的语句如图7所示。
图7 plc程序中的初始化模块的语句
其中h4为a1s68dav模块在plc系统中的位置号，第1条指令是将16进制数“00000000”放到模块缓冲储存期0＃地址上，表示允许模拟输出；第2条指令的是将16进制数值“11111111”以组传送的方式送到模块的内部y软元件上（50为开始的y输出编号），表示1＃～8＃通道均允许d/a转换数值输出。
（2)a1s64ad模数转换模块
伺服电机的转速信号是通过plc系统中4通道a1s64ad模块来转换的，a1s64ad的性能规格如表3所示。其中数字输出值（v）＝大分辨率（mv）×模拟输入值，而模拟输入值为伺服控制器将旋转编码器脉冲转换后的电压值，上表中当电机速度为额定速度时，输入到plc系统中的数字值为4000。
在plc程序中的初始化语句如图8所示。
图8 plc程序中的初始化的语句
其中h6为a1s64ad模块在plc系统中的位置号，第1条指令是将16进制数值“0011”放到模块缓冲储存区0＃地址上，表示允许1＃、2＃通道a/d变换允许；第2条指令与第3条指令是将通道1＃、2＃的数值按20次进行平均处理，周期时2×20×20ms＝800（ms）。第4条指令是设定分辨率为1/12000，后一条指令是将模块1＃、2＃通道的值分别送到plc的d128、d129数据寄存器上，这里实际上返回的是放卷、收卷的转速信号。
plc控制程序
由于系统采用无张力反馈的开环控制模式，plc系统必须要对收卷轴的速度、张力进行实时的计算及输出。
速度限制指令
伺服转矩模式下只需plc系统给出一个0～10v的速度指令（也就是收卷的大线速度），伺服控制器在运转过程中将会根据实际负载电流的检测情况而自动调节角速度使线速度达到速度指令值，在此过程当中并不需要计算收卷轴上产品的卷径大小，伺服控制器实际上控制的是收卷轴的角速度。
plc内部数字信号、电机角速度、线速度的关系图如图9所示：其中参数i是传动比与小卷径的乘积，为一常数。
图9 plc内部数字信号、电机角速度、线速度的关系图
比例系数k的确定：假设收卷轴小直径为92mm，伺服电机额定转速为2000rpm，传动比为0.168，可以得到收卷轴空卷在额定转速下的速度ve＝3.14×0.092×2000×0.168＝97米/分钟。
假设我们速度限制值vu＝30米/分钟，可以计算出电机此时的转速为619rpm，由于电机额定转速2000rpm对应10v电压，则有plc系统中的内部数字值2000－10v，可以得到在大限制速度下向a1s68dav模块输出的数字信号为619。
此时将触摸屏上的30米/分钟数度设置值乘以100，得到大速度时的输入要求值为3000，根据以上关系可以得出当输入要求值为3000时，速度内部输出数值为619，这样就得到一个比例k＝3000/619。
有程序如图10所示。
图10 速度处理程序
其中段是做速度限制，第二段是计算plc向a1s68dav输出的数字信号值。
转矩指令
伺服转矩模式下，伺服控制器只控制输出转矩，张力属于间接张力控制。一般张力曲线模型有递减、递增、恒定等三种，但实际上无论那一种模型，要完全符合是很困难的，根据不同材料、不同厚度等情况选取不同的收卷曲线，这就要求张力曲线是可调的。
由于本系统中张力是由转矩间接控制的，实际控制对象就变为控制转矩了。一般认为收卷电机输出实时转矩由下公式表示：
m＝mo+mj+mz （1）
式中：m—实时转矩；m0—空载时的负载转矩mj—系统阻尼转矩；mz—增加的负载惯量转矩。
一般mj，m0均为常数，实际上变化的是收卷过程中逐渐增加的负载惯量转矩。在转矩算法中必须要使收卷输出转矩随着卷径的增加而自动变化。
（1）卷径的自动计算
设v为线速度（米/分钟），d为收卷轴直径（mm），n为收卷轴转速（转/分钟），nd为伺服电机转速（转/分钟），i为传动比，有
v＝π×d×n＝π×d×nd×i （2）
d＝v/（π×nd×i）＝kv/nd＝k×（∫vdt/∫nddt）
＝k×（线速度/角速度） （3）
由于线速度是恒定的，故只需求出收卷轴的角速度即可计算出收卷轴的实时卷径。
有以下程序图11所示。
图11 转矩、卷经处理程序
其中k50为内部转速信号的补偿值，k10为内部数字转速信号与实际电机的比例系数，k5为传动比。注意，当系统运行速度较低时，材料线速度和伺服控制器的输出转速都较低，较小的检测误差就会使卷径计算产生较大的误差，要在程序中设定一个低线速度，当材料线速度低于此值时卷径计算停止，卷径当前值保持不变。
(2）转矩的计算
根据m＝（mo+mj）+mz=mo＋mj，需要补偿的是mz值，设定一个递增（递减）系数k，选择设定的曲线函数使m能够随半径的变化而变化。
经过试验，设定以下转矩控制曲线，如图12所示。
图12 转矩控制曲线
根据三角等比关系得到m－d的关系函数为：
m＝mo[1＋k（d-do）/（dmax－do）] （4）
其中m为实时转矩，mo为空载转矩与阻尼转矩之和，k为递增（减）系数，do为空轴直径，dmax为大直径。
将求出的直径数值d代入上式即可求出不同递增（减）系数k下的实时转矩，再根据m=f*d/2从而得到如下类似双曲线的张力－直径曲线，如图13所示。
有以下程序如图14所示。
图13 张力－直径曲线
图14 张力处理程序
结论
在实际收卷生产中，这种基于伺服及plc的开环控制系统由于在应用上不需要很准确的精度数学模型，只需按负荷分配、按实际效果设定递增系统的特性，能够应用在多种不同厚度、不同品种的材料收卷上，效果很好。
ETS装置即汽轮机危急遮断装置，它接受来自TSI（汽机安全监视系统）及汽轮发电机组其它系统来的报警或停机信号，进行逻辑处理，输出汽轮机遮断信号。原国产200MW机组ETS系统采用继电器搭接的跳闸回路，由于继电器硬接线回路容易出现设备老化，或因为积灰而造成接触不好，出现拒动或误动的可能性增加。为了该系统运行可靠，维护方便，选用了双机可编程控制器PLC进行逻辑处理。双机PLC工作，任一动作均可输出停机信号。
1 装置简介
ETS装置包括一个控制柜，内部逻辑采用日本OMRON公司的C200HE系列可编程控制器（PLC）实现，取代了传统的继电器逻辑，为了提高ETS装置的可靠性、安全性，采用了双PLC结构。
1．1 工作环境
运行环境：5～55℃；
相对湿度：10％～90％RH（无凝聚）；
振动：2．0G（10～55Hz）；
无腐蚀性气体、导电尘埃。
1．2 硬件性能
控制电源：两路独立AC100～240V，单相50HZ，容量：1．5kVA；
响应时间：约30ms；系统MTBF＞10000h；
可用率≥99．99％。
2 工作原理
1）ETS装置的双机PLC工作。从现场来的输入信号进入本装置后到A机和B机，经过内部逻辑自动处理后，给出相应的输出信号。
2）任一机（A）B发生故障时，都会给出本机的报警信号，自动切断本机的停机输出接点，而由另一机正常工作。双机工作停机逻辑见图1。
3）该ETS装置设有双路电源切换回路，在某一电源出现故障时，该路电源指示灯熄灭，自动切换到另一电源回路中继续工作。
3 技术要点阐述
1）ETS装置包括机柜、PLC、继电器、电源开关、指示灯、端子排等设备；
2）完全能满足用户提出的停机及报警要求；
3）双PLC并联构成保护、控制逻辑；
4）对于重要的信号，采用三重冗余，例如润滑油压低、凝汽器真空低、EH油压低等信号；
5）对于直流驱动回路，本ETS装置设计有吸取反电动势电路；
6）ETS与DEH及DCS之间采用硬接线联络；
7）每一停机点和报警点，都有扩展接点输出至光字牌或事故记录仪；
8）机柜内部布置方便接线及维修，内部接线及颜色等都是按国家标准（GB）执行；
9）PLC内的CPU处理能力、抗干扰能力及I／O量都能满足标书要求，且各I／O动作时有发光二极管指示；
10）根据现场需要，当负载电流过大时，设置中间继电器；
11）为了便于操作，设置ETS停机通道切投开关；
12）为了便于检修，分别设置主、辅保护电源开关。
4 跳闸功能
电气故障停机；锅炉故障停机；DEH停机；手动停机；轴位移停机；真空度低停机（三取二）；润滑油压低停机（三取二）；EH油压低停机（三取二）；电超速停机（三取二）；油箱油位；振动大停机；差胀超限停机；偏心；备用停机。
5 维护
该装置属精密全电脑控制装置，在投运前需作全面检查和试验，确认正确无误后方可正式投入使用，包括以下几方面的内容。
1）检查主、副电源是否工作正常；
2）为了防止现场强干扰信号进入控制柜，特设有抗干扰抑制器。平时应特别注意装置柜上的电压表指示是否正确；
3）清除控制柜内的灰尘。
更换有故障的元器件，及时修复以供备用。
6 新增加设备清单（日本OMRON配置）
可编程控制器PC(Programmable Controller)，为与个人计算机PC(PersonalComputer)相区别，可简称为PLC。它是按照成熟而有效的继电控制概念和设计思想，用先进的单片机技术来实现I/O的实时检测和控制，可靠性高，编程简单、易学，得到广泛应用。
将PLC技术引进电工学、电力拖动课程，是课程建设现代化的重要措施。在教学经费相对紧张的情况下，我们自己动手，以AT89C51单片机为核心，设计并研制了LD型微型PLC，应用于继电控制实验，取得了良好的效果。
用单片机构成的PLC，实际上就是一个单片机测控系统。用这样一个程序控制的计算机系统去执行继电控制的梯形图程序，由于继电控制梯形图中各被控电器之间是并行关系，而计算机程序控制中，各被控电器之间在时间上是串行关系，二者显然不协调。若简单地像一般单片机测控系统一样，对梯形图各程序行依次实时采集输入端子状态，进行处理后实时输出，是达不到控制目的的。为此，必须采用一次性采集全部输入端子状态，并将其存入输入缓冲区。按梯形图程序行的逻辑关系，从输入缓冲区读取相应输入端子状态，处理后将待输出的结果存入输出缓冲区。后,待梯形图程序行全部执行完毕，一次性将输出缓冲区的值输出到相应的输出端子，从而完成一个程序执行周期。如此往复，自动进行下一轮的采集输入端子状态……。这种工作方式即称为扫描方式，它将串行程序工作和电器并行工作两种关系协调了起来。单片机执行一条指令的时间是μs级，执行一个扫描周期的时间为几ms乃至几十ms。相对于电器的动作时间而言，扫描周期是短暂的，可以认为在一个扫描周期内输入端子的状态是不变的，而对其状态变化的采集和处理也是实时的，从而满足了实时控制的要求。
系统硬件配置以AT89C51(以下简称51)单片机为核心，如图1所示。该单片机有4KB闪存，不必扩展程序存储器，其4个I/O口共32个I/O引脚，都可供用户使用，其中P0.7~0.0，P2.4~2.0共13个脚经光耦隔离后连到相应的输入端子X07~X00，X14~X10。可以用行程开关、液位开关、霍耳开关和手动按钮等进行输入。开关接通时，相应引脚为"0"，取反后存入输入缓冲区。
P1.7~1.0共8个引脚用于输出控制：P1.i为"0"时，相应的PNP管导通，继电器Ji线圈通电，其触点Y5i接通，可驱动220V/3 A的负载。
为了与PC机进行通信，系统扩展了RS-232C接口电路。51单片机的RXD和TXD信号经RS-232C电平变换后接至9芯插座。由此可与PC机进行串行通信。一方面，在编程状态时，可接收PC机上梯形图汇编程序编译结果的OBJ指令代码，并存入程序存储器；另一方面，在运行状态时，可将I/O口的状态和处理结果实时地发送给上位机。
程序存储器选用有SPI接口的X25045芯片。这是带可编程看门狗和电源监控功能的E2PROM，有512字节，每字节可擦写10万次，数据可保存100年。上电时自动提供200ms高电平复位脉冲；有三种可编程看门狗周期；电源欠压，VCC降到转折点时，自动提供复位脉冲。E2PROM采用三线总线的串行外设接口SPI，既节省了I/O口线和电路板空间，又降低了系统成本。该芯片是性价比极好的组合芯片。
软件设计分为PC机梯形图汇编程序编译软件和51单片机软件两部分。前者用IBM-PC汇编语言编写，我们称之为PLC编译软件。本机中我们自己设计了一套TD型PLC的梯形图汇编语言指令系统，有LD/LDI、AN/ANI、OR/ORI、TM/TMI、CN/CNI、MA/MAI、OUT、JP/JE和END等16条基本指令和X00~07、X10~14、Y00~07、CN0~1、TM00~07、MA00~07、10~17等器件。用它们来描述继电器梯形图，即设计梯形图汇编程序。用全屏幕编辑软件将其输入到PC机，即建立了源程序文件。用PLC编译软件将其编译成PLC目标程序文件(OBJ文件)，并经串行通信口发送到单片机，由单片机将其写入E2PROM。
51单片机软件由编程软件和运行软件组成。编程软件主要有串行通信和写E2PROM两个模块。此时，须将面版上的手动开关设置P2.7="0"，单片机即处于编程状态。当P2.7＝"1"时，单片机即处于运行状态。运行状态的程序主要有：
(1)输入端子采集模块
该模块两次采集P0口和P1口状态，结果全为有效，即将其存入输入缓冲区，否则重新采集。用软件滤波的方法，提高了抗干扰能力。
(2)指令分析模块
该模块从000H地址开始，依次读取E2PROM中的字节内容，先读出操作码，对其分析后转向相应的处理程序；接着读操作数，供处理程序操作，从而完成一条梯形图汇编指令的执行。再读取下一条指令的操作码……。遇到OUT指令时，将待输出的数据存入相应的输出缓冲区。
(3)输出模块
当CPU从E2PROM中读到END指令的二进制代码时，表示一次扫描周期结束，即将输出缓冲区的内容一次性输出到P1口，从而完成输出端子的刷新。
该PLC的应用可以用水塔水位控制的例子来说明。
图2(a)是硬件接线图，SB1/SB2是启动/停止按钮；SAC是水池液位开关：水浸到时接通，无水时断开；SAH、SAL分别是水塔的高低液位开关；M是水泵电机。
图2(b)是继电器梯形图，图2(c)是继电器汇编程序，即TD型PLC源程序。其中y50是PLC输出端子，我们将它的软件触点y50作为水位上升或下降的标志：y50＝"0"，表示电机已停，水位下降，此时SAL虽已接通，但电机不动作；y50＝"1"，表示电机正在抽水，水位上升，此时SAL接通，电机通电，继续抽水，直到高水位。