1           項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　某公司有多臺(tái)薄膜卷繞機(jī)需要進(jìn)行自動(dòng)化控制改造。

　　原設(shè)備采用機(jī)械式計(jì)數(shù)，卷繞動(dòng)力采用離合器傳動(dòng)，元件卷繞的起動(dòng)、停止、圈數(shù)控制等均由人工操作控制，因此存在產(chǎn)品參數(shù)離散性大、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率因人而異等不足之處?；w紡絲聯(lián)合機(jī)組中的一種主要單元機(jī)；系指熔體紡絲時(shí)，用以使加工中所得到的初生纖維（包括長(zhǎng)絲或短纖維絲束等）給予進(jìn)一步的補(bǔ)充加工，并使之形成一定卷裝形式的專(zhuān)用機(jī)械。

　　熔紡卷繞機(jī)一般具有如下四個(gè)主要組成部分：給濕上油部分、拉伸或?qū)Ыz部分、卷繞部分和電器拖動(dòng)及控制部分。按照所加工纖維品種的不同，熔紡卷繞機(jī)有：長(zhǎng)絲卷繞機(jī)、短纖維卷繞機(jī)和產(chǎn)業(yè)用絲卷繞機(jī)等多種型式；就長(zhǎng)絲卷繞機(jī)而言，又可分為常規(guī)卷繞機(jī)（繞絲速度1000～2000m/min）、高速卷繞機(jī)（3000～4000m/min）和超高速卷繞機(jī)（5000～8000m/min）等。

　　卷繞機(jī)主要用作膠管線，錦綸，滌綸簾子線，聚酯線繩卷繞，高科技纖維、涂層紗線、人造草絲、鋰離子電池生產(chǎn)、涂層玻璃纖維、單絲、復(fù)絲扁絲（單絲或多頭線收錠）、錯(cuò)式紗錠等領(lǐng)域。

　　工藝要求簡(jiǎn)述：由于卷制材料是10幾微米的薄膜，要求卷軸平穩(wěn)起動(dòng)，均勻加速，以使用張力平穩(wěn)；中間在某些位置需要停頓，作一些必要的處理，再繼續(xù)卷繞；和起動(dòng)一樣，停頓或停止時(shí)，必須均勻減速，保持張力平穩(wěn)；要求圈數(shù)準(zhǔn)確。

　　2           控制系統(tǒng)構(gòu)成

　　很自然地想到S7-200PLC應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目要求的控制功能。

　　S7-200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能，普通型號(hào)的CPU脈沖輸出頻率達(dá)20KHz，而224XP（CN）更是高達(dá)100kHz，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，再由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)卷繞主軸旋轉(zhuǎn)，完成工藝所要求的動(dòng)作。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件?！　〔竭M(jìn)電機(jī)在成本上具有優(yōu)勢(shì)，但是步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性不如伺服電機(jī)，而兩者的定位（圈數(shù)）的控制，在本工藝?yán)锒伎梢赃_(dá)到要求。我們考慮先試用步進(jìn)電機(jī)的方案。

　　PLC向驅(qū)動(dòng)器送的僅為代表速度與位置的脈沖，這里要考慮的是步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下是否足夠平穩(wěn)，是否適合作為薄膜卷繞的動(dòng)力。

　　我們作了一個(gè)模型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用細(xì)分型的驅(qū)動(dòng)器，在50齒的電機(jī)上達(dá)到10000步/轉(zhuǎn)，經(jīng)17：25齒的同步帶減速傳動(dòng)（同時(shí)電機(jī)的振動(dòng)也可衰減），結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)很平穩(wěn)，粗步確定可以達(dá)到工藝要求。于是正式試制一臺(tái)，也獲得成功，性能達(dá)到工藝要求，目前已經(jīng)按此方案批量進(jìn)行改造。

　　CPU選擇224XPCN DC/DC/DC，系統(tǒng)構(gòu)成如下：

　　224XP*1、步進(jìn)電機(jī)*2、細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器*2、TD200*1、LED顯示屏*1、編碼器*1。

　　2.1         PTO0（Q0.0）輸出一路高速脈沖，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)卷繞主軸的旋轉(zhuǎn)；

　　2.2         PTO1（Q0.1）輸出一路高速脈沖，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)主軸的水平直線移動(dòng)；

　　2.3         一個(gè)正交增量型編碼器裝在主軸上，作為卷繞圈數(shù)的反饋；

　　2.4         TD200作為人機(jī)界面，用于設(shè)定參數(shù)

　　2.5         一個(gè)LED顯示屏用于顯示實(shí)時(shí)的卷繞圈數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，工人需要時(shí)時(shí)參考卷繞的進(jìn)度，LED顯示比LCD醒目，所以這里放置了一個(gè)自制的LED顯示屏。LED屏和PLC的連接方式，可參考本人在2003年的論文集中的文章。LED顯示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)LED。它是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，其大概的樣子就是由很多個(gè)通常是紅色的發(fā)光二極管組成，靠燈的亮滅來(lái)顯示字符。用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。

　　3           控制系統(tǒng)完成的功能

　　3.1         控制系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)的功能，是卷繞的平穩(wěn)起動(dòng)、加速、減速、平穩(wěn)停止。在新版的S7-200中，支持高速輸出口PTO0/PTO1的線性加/減速，通過(guò)MicroWin的向?qū)С绦?，非常容易?shí)現(xiàn)。

　　3.2         使用位置控制向?qū)梢韵滤膫€(gè)子程序（僅限CPU內(nèi)的PTO，不包括專(zhuān)用模塊的情況），以PTO0為例：

　　3.2.1          PTO0_CTRL：每周期調(diào)用，可以控制PTO0的行為；

　　3.2.2          PTO0_MAN：可以控制PTO0以某一頻率輸出脈沖，并且可以通過(guò)程序隨時(shí)中止（減速或立即中止）；

　　3.2.3          PTO0_RUN：運(yùn)行（在向?qū)е猩模┌j(luò)，以預(yù)定的速度輸出確定個(gè)數(shù)的脈沖，也可以通過(guò)程序隨時(shí)時(shí)中止（減速或立即中止）。

　　3.2.4          PTO0_LDPOS：裝載位置用，本例使用相對(duì)位置，所以不必裝載。

　　本例的工藝要求，輸出脈沖數(shù)可變（圈數(shù)可設(shè)定），又要在工藝允許的情況下盡可能地按指定的速度運(yùn)行，也要隨時(shí)能夠減速停止，包括人工手動(dòng)的停車(chē)要求。直接使用PTO0_MAN和PTO0_RUN都無(wú)法直接滿足要求，以下來(lái)研究配合輔助手段如何實(shí)現(xiàn)。PTO0_RUN：運(yùn)行（在向?qū)е猩模┌j(luò)，以預(yù)定的速度輸出確定個(gè)數(shù)的脈沖，也可以通過(guò)程序隨時(shí)時(shí)中止（減速或立即中止）。

　　3.3         的位置（圈數(shù)）控制

　　3.3.1      PTO0_RUN + 中斷

　　卷繞定位與圈數(shù)控制，達(dá)到0.1圈以內(nèi)的即可，以10000步/轉(zhuǎn)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，0.1圈相當(dāng)于1000脈沖。

　　假使PTO正以100kHz速度輸出脈沖，以1ms的時(shí)間響應(yīng)中斷，脈沖的誤差約為100個(gè)，所以從理論上說(shuō)，中斷方式把脈沖誤差控制在1000個(gè)以下完全可以。

　　如何實(shí)現(xiàn)？我們來(lái)看下面一個(gè)PTO0_MAN指令執(zhí)行的示意圖：

　　有恒速階段

　　無(wú)恒速階段

　　當(dāng)PTO0_MAN指令RUN=1允許脈沖輸出時(shí)，脈沖序列從速（起始速度，本例設(shè)為100p/s，很小，可以認(rèn)為0）線性加速，加到指定速度speed后保持勻速，當(dāng)收到減速停止RUN=0命令時(shí)，線性減速，至速后停止。

　　所以，我們只要在脈沖輸出前計(jì)算出停止指令執(zhí)行的位置，并在此位置設(shè)置中斷以便執(zhí)行減速停止指令，就可保證輸出的序列脈沖個(gè)數(shù)在要求的誤差范圍內(nèi)。

　　計(jì)算過(guò)程：

　　本例加速和減速的斜率是相同的，比較簡(jiǎn)單，如果兩個(gè)斜率不同，計(jì)算稍麻煩一點(diǎn)，原理差不多。

　　3.3.1.1     用向?qū)梢粋€(gè)速單速包絡(luò)，從生成的PTO0_DATA中找出加速和減速脈沖數(shù)（可以參考3.3.2節(jié)的描述），如果加減速斜率相同，這兩個(gè)數(shù)應(yīng)該是一樣的，由于計(jì)算的關(guān)系，差幾個(gè)脈沖也屬正常。

　　3.3.1.2     如果目標(biāo)脈沖數(shù)大于加速和減速脈沖數(shù)之和，表示脈沖輸出可以加速到速，有恒速階段，那么中斷位置=目標(biāo)脈沖數(shù)-減速脈沖數(shù)；

　　3.3.1.3     如果目標(biāo)脈沖數(shù)不大于加速和減速脈沖數(shù)之和，無(wú)恒速階段，包絡(luò)變成一個(gè)等腰三角形（兩邊斜率相同的情況），那么中斷位置=目標(biāo)脈沖數(shù)/2。

　　3.3.1.4     更進(jìn)一步，水平恒速的速度可變，就象本案的情況，卷繞速度是可設(shè)定的，而且這個(gè)速度受機(jī)械/電機(jī)限速、薄膜線速的限制，取三者中的值，然后才能確定加速到該速度所需的脈沖數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算即可獲得。

　　3.3.2      PTO0_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)

　　用向?qū)梢粋€(gè)單一速度包絡(luò)，我們來(lái)研究自動(dòng)生成的包絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　PTO0_DATA

　　//----------------------------------------------------------------

　　//輸出 Q0.0 的 PTO 包絡(luò)表

　　//----------------------------------------------------------------

　　VB1000 'PTOA'                      //

　　VW1004 54                          //FREQ

　　VD1006 10240000                    //SS_SPEED

　　VD1010 204800000                   //MAX_SPEED

　　VD1014 16#02000E69                 //K_ACC

　　VD1018 16#82FFF197                 //K_DEC

　　VB1022 1                           //NUMPROF

　　VW1023 25                          //OFFS_0

　　VB1025 4                           //包絡(luò) 0 的 NUM_SEGS

　　VB1026 0                           //保留。

　　VB1027 0                           //段 0 的 S_STEP

　　VB1028 16#08                       //S_PROP

　　VD1029 +10240000                   //SFREQ

　　VD1033 49950                       //加速的脈沖數(shù)

　　VB1037 0                           //段 1 的 S_STEP

　　VB1038 16#04                       //S_PROP

　　VD1039 +199707040                  //SFREQ

　　VD1043 98                          //恒速的脈沖數(shù)

　　VB1047 0                           //段 2 的 S_STEP

　　VB1048 16#00                       //S_PROP

　　VD1049 -1                          //SFREQ

　　VD1053 49951                       //減速的脈沖數(shù)

　　VB1057 0                           //段 3 的 S_STEP

　　VB1058 16#10                       //S_PROP

　　VD1059 +10240000                   //SFREQ

　　VD1063 1                           //終減速的脈沖數(shù)

　　VB1067 0                           //保留。

　　VB1068 0                           //保留。

　　VB1069 0                           //保留。

　　可以看出，一個(gè)簡(jiǎn)單的包絡(luò)分為4段（VB1025）：

　　段0：加速段，加速脈沖數(shù)在VD1033

　　段1：恒速段，恒速脈沖數(shù)在VD1043

　　段2：減速段，減速脈沖數(shù)在VD1063

　　段3：終減速脈沖數(shù)，VD1063。依我的經(jīng)驗(yàn)看，這個(gè)終減速脈沖數(shù)始終為1。

　　在向?qū)е?，只能生成有限的包絡(luò)，如果目標(biāo)脈沖數(shù)任意的，我們只好修改包絡(luò)里面的數(shù)據(jù)了。加速段和減速段的脈沖數(shù)不方便改，所以只好修改恒速段的脈沖數(shù)。按其信號(hào)波形分為四大類(lèi)。按其信號(hào)波形分為四大類(lèi)：

　　①正弦信號(hào)發(fā)生器。主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按其不同性能和用途還可細(xì)分為低頻（20赫至10兆赫）信號(hào)發(fā)生器、高頻（100千赫至300兆赫）信號(hào)發(fā)生器、微波信號(hào)發(fā)生器、掃頻和程控信號(hào)發(fā)生器、頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。

　　②函數(shù)（波形）信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)，頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。

　　③脈沖信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用作模擬信號(hào)來(lái)測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。

　　④隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器。通常又分為噪聲信號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類(lèi)。噪聲信號(hào)發(fā)生器主要用途為：在待測(cè)系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測(cè)定系統(tǒng)性能；外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲比較以測(cè)定噪聲系數(shù)；用隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖信號(hào)，以測(cè)定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等。當(dāng)用噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測(cè)量時(shí)，若平均測(cè)量時(shí)間不夠長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，可用偽隨機(jī)信號(hào)來(lái)解決。

　　使用步驟：

　　3.3.2.1     在啟動(dòng)PTO0_RUN之前，計(jì)算出恒速段的脈沖數(shù)=目標(biāo)脈數(shù)數(shù)-加減速脈沖數(shù)之和-1，填入包絡(luò)表中的恒速位置；

　　3.3.2.2     啟動(dòng)PTO0_RUN。

　　3.4         在本項(xiàng)目的設(shè)備改造中，主軸卷繞的圈數(shù)、中間起停點(diǎn)的變化范圍大，使用“PTO0_RUN + 中斷”，安排在Q0.0輸出；

　　中斷是由高速計(jì)數(shù)器觸發(fā)的，所以在Q0.0的向?qū)е惺鼓蹾C0為作脈沖輸出內(nèi)部反饋，在啟動(dòng)PTO0前使能12#中斷“HSC0 CV=PV”，中斷程序樣例如下：

　　LD     SM0.0

　　R      M20.4, 1

　　CALL   PTO0_MAN, M20.4, PTO0_V, VB290, VD292

　　DTCH   12

　　主軸的水平直線運(yùn)動(dòng)，行程比較固定，使用“PTO1_RUN + 修改包絡(luò)參數(shù)”，安排在Q0.1。

　　4           項(xiàng)目運(yùn)行

　　至目前已有6臺(tái)投入運(yùn)行，效果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，生產(chǎn)效率也有提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度明顯降低。

　　                                           控制箱實(shí)物

　　5           體會(huì)

　　S7-200是一款是非常的微型控制器，S7-200系列在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡(jiǎn)單控制到更復(fù)雜的自動(dòng)化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。