西门子S00选件在自调整卷径计算中的应用

高位肖 郭永红

(河北经贸大学信息技术学院，河北石家庄，050061)

在造纸生产或原纸再加工中，卷取是一个十分重要的工序。卷取过程一般要求恒张力，需要配备先进的直流调速系统。目前，西门子的6RA70调速器在直流调速系统中应用较为广泛，但是，6RA70没有现成的卷径计算模块。卷径计算对于速度和张力控制都是至关重要的。S00是西门子6RA70的选件，它提供了一些逻辑、数值计算等功能模块，用户可根据具体工程和工艺要求来编制搭建自己的控制系统。本文介绍了S00选件在自调整卷径计算中的应用，目的是进行恒张力控制。

1 恒张力卷纸系统原理

在卷纸过程中，纸卷的直径逐渐增大，因此在整个过程中保持纸张的张力不变十分重要，因为张力过大会将纸拉断，而张力过小，则可能造成卷绕松驰。为了保持卷绕过程中纸的张力不变，必须在纸卷直径增大时，使驱动纸卷的电机的输出力矩也增大。并且如果要保持卷绕纸的线速度不变，须使卷轴筒的转速随之降低。因此控制卷纸的系统应该是一个恒张力的控制系统。该自控系统原理如图1所示。

由图1可知，该控制系统给定了线速度和张力，测速电机进行速度反馈，另外通过张力传感器进行纸张张力反馈。张力反馈经过适当运算后也转换成电机转速控制。为了保障卷取过程的恒张力，随着纸卷直径的增大，电机的输出扭矩和转速需要不断调整。纸卷的直径是速度反馈和张力反馈中的重要计算量，因此系统中需要实时计算出纸卷的直径。西门子6RA70直流调速器内部提供了一系列可以自由使用的功能模块，用户可以任意组态出图1中的功能。但是，6RA70内部没有提供现成的卷径计算模块，解决的方法是可以采用PLC控制器，但这样会加大系统的复杂度。如果系统的卷取速度不是很快，就可以采用6RA70自带的S00选件来自由组态卷径运算功能模块。S00选件的使用可以使控制系统结构简单。

2 自调整计数器式卷径计算

由图1可知，卷径计算是要求实时进行的。卷径运算的结果是速度反馈、张力反馈以及卷径运算本身的重要计算量。对于恒张力系统，卷径运算的高效率和准确性非常重要。

图1 卷纸系统恒张力自动控制原理图

自调整计数器式卷径运算的原理如图2所示。图2中卷径计数器用来记录卷径的圈数。卷径计数器是一个可以进行加或减的计数器。接近开关是一个测速器件，电机每旋转1周，接近开关发出1个高脉冲，允许卷径计数器计数1次。理论角速度和实测电机角速度的差值决定卷径计数器是加计数还是减计数。卷径计数器的输出与卷取材料的厚度相乘就可得到纸卷的直径。

在实际工作中，由于误差及各种故障的存在，可能会出现卷径计数器计数值与实际卷径值不一致的情况。如果出现这种情况，卷径模块应能自行调整，使两者趋于一致。这里采用将电机理论角速度与实测角速度对比的方法来调整。

理论角速度是根据当前的卷径值计算出来的电机应该具有的角速度。如果理论角速度大于实测角速度，说明卷径值较小。这时，通过两个比较器的输出可使卷径计数器进行加计数。在卷径过程中，如果设备工作正常，大部分时间里，卷径计数器处于加计数状态。但是由于系统会有一些不稳定状态，比如打滑等，可能导致实际没有卷纸，但计数器值却增加了。如果是这样，就会出现理论角速度小于实测角速度的情况，出现实际卷径值小于卷径计数器的值。此时，两个比较器会控制卷径计数器进行减计数。减计数可以排除系统故障引起的实际卷径值与卷径计数器值不一致的问题。通过自动调整计数器的加和减，可以使实际卷径值与计数器值相一致，就可以获得实时准确的卷径值，为后续的张力和速度反馈提供准确数据。

在理论角速度与实测角速度比较时，为了使比较效果具有滞后性，增加比较的准确度，在比较之前，各自有一个小的上调值。上调值的大小可在实际系统中根据经验来设定。图2中材料的厚度也根据实际系统来设定。

3 S00工艺软件在卷径计算中的应用

图2 自调整计数器式卷径运算原理图

图3 S00选件卷径工艺

S00是西门子控制器6RA70的用于卷取控制的选件，它提供的软件模块有几百个，根据前面介绍的自调整计数器式卷径运算，这里选用的软件模块包括(如图3):带滤波的绝对值发生器 (60)、加法器(20、21)、限幅值监控器 (73、74)、定时器 (240)、与门 (120、121)、或门 (150)、线速度/转速计算器 (115)、16位软件计数器 (89)和乘法器 (50)。括号中标明的数字是该软件模块在说明书中的编号，如图3所示。这些软件模块有输入量和输出量，输入量和输出量可使用系统提供或指定的各种连接器来完成。这些连接器还可以作为两个或多个模块之间的参数进行传递。

在图3中，K0013中为实测的电机转速，经过60号绝对值发生器模块由K9160输出。K9257为根据卷径计算值和给定线速度得到的理论角速度。在115号模块中给定线速度在U522参数中设定。在20和21号加法器模块中，输入量有3个，可设定K9502为0，K9501中为根据系统设定的经验值，用于滞后比较。240号定时器模块用于延时，等待系统启动稳定后再打开与门(120和121号模块)并允许计数，其中U442参数中为定时时间。

表1 参数或连接器的用途

或门150的3个开关量连接器允许接入3种暂时停止计数的情况，比如断纸、临时停车、换轴等，如有需要这里还可以进行扩充。与门120和121中的B0020为接近开关输出的高脉冲，可以控制计数的频率。50号乘法器的K9503可用来设置材料厚度。其他参数或连接器的设置及含义如表1所示。

4 结语

卷径计算是纸加工自动控制系统中非常重要的一环，卷径计算是否准确将直接影响控制系统的性能。本文中介绍的自动调整计数器式卷径算法，能根据实测值和理论值的比较自动修正卷径计数器的计数值，使得计数器的计数值与实际卷径值一致。通过深入分析S00选件的功能模块和自调整计数器式卷径计算的原理，文中给出了S00选件在该卷径计算中的应用。对模块的选取、模块的参数以及模块之间的连接器的使用都给出了详细的描述。

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