第三章 硬件

　　2. 4张力检测器

　　目前，张力检测方式基本上分三种:

　　1.张力传感器检测方式

　　它是对张力直接进行检测。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上，纸带通过检测导辊施加负载，使张力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给张力控制器，最终实现张力闭环控制。张力传感器的类型较多，经常采用的有板簧式微位移张力传感器，应变电阻片张力传感器和压磁式张力传感器等等。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好，缺点是当张力变化较大时不能吸收其峰值。

　　2.浮辊式张力检测方式

　　它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制。当张力稳定时，纸带上的张力与同浮辊相连的气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，从而通过一摆杆带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用。但此系统要求气缸磨擦系数小，响应速度快，气源稳定，浮辊和摆杆的重量轻，动作灵活。

　　3.浮辊反馈复合式张力检测方式

　　它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。它不但具有浮辊式张力检测对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还具有张力传感器闭环控制的高精度、高重复性的特点，但其价格昂贵。

　　由于张力传感器具有检测范围宽，响应速度快，线性好以及性价比较高的特点，本次设计最终采用了张力传感器检测方式。

　　2.3控制张力的执行机构

　　目前应用最为广泛的张力控制执行机构有两种:

　　一种为变频电机，它是通过变频器控制其转速，从而实现张力的恒定。它主要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。

　　另一种就是磁粉制动器(离合器)，它主要用于低张力控制。磁粉制动器是一种比较新型的自动化控制元件，它采用高磁化磁粉作为转矩的传动介质，通过改变励磁线圈中的电流来改变磁场的强度，使磁粉之间的剪切力发生变化来调节输出转矩。

　　而本设计将采用变频器作为执行机构。

　　2.4 编码器

　　编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种;按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

　　编码器可按以下方式来分类。

　　1、按码盘的刻孔方式不同分类

　　(1)增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号(也有发正余弦信号，

　　然后对其进行细分，斩波出频率更高的脉冲)，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频;Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。

　　(2)绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

　　2、按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。

　　3、以编码器机械安装形式分类

　　(1)有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。

　　(2)轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。

　　4、以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式。

　　编码器是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。

　　编码器产生电信号后由数控制置CNC、可编程逻辑控制器PLC、控制系统等来处理。这些传感器主要应用在下列方面：机床、材料加工、电动机反馈系统以及测量和控制设备。在ELTRA编码器中角位移的转换采用了光电扫描原理。读数系统是基于径向分度盘的旋转，该分度由交替的透光窗口和不透光窗口构成的。此系统全部用一个红外光源垂直照射，这样光就把盘子上的图像投射到接收器表面上，该接收器覆盖着一层光栅，称为准直仪，它具有和光盘相同的窗口。接收器的工作是感受光盘转动所产生的光变化，然后将光变化转换成相应的电变化。一般地，旋转编码器也能得到一个速度信号，这个信号要反馈给变频器，从而调节变频器的输出数据。故障现象：1、旋转编码器坏(无输出)时，变频器不能正常工作，变得运行速度很慢，而且一会儿变频器保护，显示“PG断开”...联合动作才能起作用。要使电信号上升到较高电平，并产生没有任何干扰的方波脉冲，这就必须用电子电路来处理。编码器pg接线与参数矢量变频器与编码器pg之间的连接方式，必须与编码器pg的型号相对应。一般而言，编码器pg型号分差动输出、集电极开路输出和推挽输出三种，其信号的传递方式必须考虑到变频器pg卡的接口，因此选择合适的pg卡型号或者设置合理.

　　编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，

　　位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的;　因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的;　不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。

　　编码器的厂家生产的系列都很全，一般都是专用的，如电梯专用型编码器、机床专用编码器、伺服电机专用型编码器等，并且编码器都是智能型的，有各种并行接口可以与其它设备通讯。

　　编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺.按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种.接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”;非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。

　　按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

光电增量式编码器工作原理

　　增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

　　旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

　　绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

　　由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI(同步串行输出)。

　　多圈绝对式编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

　　绝对值编码器的光栅盘结构

　　旋转变压器

　　旋转变压器(resolver/transformer)是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。是一种在伺服系统中常用的位置和转速传感器，数字的位置信号和模拟的转速信号同时输出，也可在控制器中根据每个采样周期数字位置量的增量算出转速的数字量，它比模拟转速信号精度更高。旋转变压器的特点是坚固、精度高、位置和转速能同时检测[[2]旋转变压器是一种特殊控制电机。它有一组(两个)正交励磁绕组，一个通以交流励磁电流(频率f。为几kHz至几十kHz);另一个短路，用以抵消交轴磁通，改善精度。在它的定子上也有一组(两个)正交绕组，励磁建立后，在这两个绕组里将感生出两个频率为.fe;幅值包络线分别为位置角入的正弦和余弦值(sink和cosh,)的电压输出:

　　第四章 电源及电动机

　　4.1电机

　　传动电机选用三菱公司的三相异步鼠笼式交流变频电机。

　　4.2电源

　　卷纸机使用的电源类型有380VAC 50Hz, 220VAC 50Hz, 24VDC具体电源分配如下:

　　传动电机控制供电电源380VAC 50Hz 1000A

　　卷纸机本体电机控制柜供电电源400VAC 50HZ 200A

　　PLC控制柜供电电源采用独立UPS电源供电230VAC 32A

　　4.3卷纸机电机的选择

　　卷纸机主要参数数据：纸卷幅宽：4500mm,纸卷最大直径3000mm,纸卷限速直径900mm,卷纸轴直径600mm,纸符工作张力1500N/m,设计车速2000m/min,底辊直径720mm.

　　卷纸机电机选型：

卷纸辊最高转速: (4.4)

卷纸辊最低转速: (4.5)

卷纸辊调速范围: (4.6)

　　选择减速机速比:暂定原纸卷直径为900mm，卷纸辊达到最高转速时，根据

(4.7) 得

(4.8)

卷纸机功率： ( 4.9)

　　取

 

　　则

(5) 三相异步电动机转矩的公式如下：T=9.549×P/n 式中，T为额定转矩，单位N.m P为额定功率，单位W n为额定转速，单位r/min 则 额定转矩

　　由于该电机功率是根据退纸辊最大所需扭矩推导而来，所以不必再进行扭矩核算，而且也考虑了1.5倍的动态力矩裕量，所以具体选择的电机的额定功率550KW，电机额定转速716/2000 rpm，配用减速比2.79的减速箱。

　　在稳速卷取过程中，纸幅张力恒定，电机输出力矩变化范围不大，引入减速箱，使得最大车速下，电机转速为额定转速，可以使电机选择达到最佳。前后底辊一般选用相同规格的电机，额定转速暂定为1500r/min

则减速器速比 (5.1)

为满足转矩要求，底辊电机功率应选为:(5.2)

在稳速卷曲过程中，纸幅张力恒定，车速恒定，因此前后底辊电机共同提供的轴功率基本恒定，为根据功率计算，前后底辊电机的额定功率应为250kw

　　根据转矩计算和功率计算所得的额定功率值进行比较，选取较大值以满足转矩和功率的要求。具体选择的底辊的电机额定功率250KW,额定转速1248rpm，配减速比为1.47的减速箱。

　　第四章卷纸机控制系统

　　复卷机控制系统SIEMENS S7-400与东芝传动的AC80, 3BFE 64248260 80125通过PROF工BUS-DP通信进行数据交换。程序编写是在英文环境下完成的。

　　表4-9复卷机控制系统与传动系统数据地址表

地址	注释	说明
DB 142.DBX2.0	System/drive reset (2spulse)	信号为真时，当控制条件满足时，允许信号输出复位部电路和复位控制器，从非准备状态转为准备状态。
DB 142.DBX2.1	Unwinder manouveringrun (Maintained)	信号为真时手动运行启动。当DB 142.DBX4.1为真时，开卷机通过电位计控制速度爬行。
DB 142.DBX2.2	Winder threading on(Crawling) (2s pulse)	发送2秒脉冲爬行请求信号给传动。当DB 142.DBX4.2为真时，请求传动爬行加速到爬行设定值。
DB 142.DBX2.3	Winder run on (2spulse)	发送2秒脉冲运行请求信号给传动。当DB 142.DBX4.3为真时，请求传动运行根据加速时间(DBW70)加速到运行设定值。
DB 142.DBX2.4	Wfinder STOP(Maintained)	复卷机根据加速时间停止。停止请求也会停止开卷机的手动运行。
DB 142.DBX2.5	Unwind overwind(0=underwind)(Maintained)	信号为真时，确定传动转向为纸张从卷轴的顶部引到复卷机。信号为假时，确定传动转向为纸张从卷轴的底部引到复卷机。
DB 142.DBX3.0	Emergency stop(Maintained)	在操作的任何模式中信号必须为假，并保持为假。当信号为真时，复卷机不能进行任何操作，所有操作不被允许。当信号为真时，放卷机会以最快的速度停止，复卷机速度根据急停减速时间停至0。当信号为真时，复卷机的减速时间在传动系统中设置。
DB 142.DBX3.1	Front Drum locked(Maintained)	信号为真时，前底辊为停止模式。
DB 142.DBX3.2	Web Holder bar upposition (Maintained)	信号为真时，纸张保持条在上升位置。
DB 142.DBX3.3	Jog Forward(Maintained)	信号为真时，点动向前请求开。
DB 142.DBX3.4	Jog Backwards(Maintained)	信号为真时，点动后退请求开。
DB 142.DBX3.5	Weh break(Maintained)	信号为真时，断纸状态激活。
DB 142.DBX3.6	Unwinder jog for clutchclosing (Maintained)	信号为真时，开卷机前后缓慢摆动。
DB 142.DBX4.1	Unwinder manouveringcrawling permitted(Maintained)	在手动模式下制动器打开时信号必须为真,在操作模式时，信号要保持真。信号为假时，手动模式不被允许。如果在操作模式信号为假制动器将会在减速时间里停止。
DB 142.DBX4.2	Threading (crawling)permitted (Maintained)	引纸模式请求时信号必须为真，在操作时保持真。信号为假时，手动模式不被允许。在操作中如果信号为假，复卷机将会按照加速时间降到车速0
DB 142.DBX4.3	Run permitted(Maintained)	运行模式请求时信号必须为真，在操作时保持真。信号为假时，手动模式不被允许。在操作中如果信号为假，复卷机将会按照加速时间降到车速0
DB 142.DBX4.6	Unwind diameter set(2s pulse)	当信号为真时，传动读取开卷机初始直径值。当操作员控制开卷机祸合器锁上时或按下手动直径设置按钮时，信号为真。
DB 142.DBX4.7	UW Manual crawlingSP from Panel(Maintained)	当使用电位计设置手动爬行速度时，信号为真。
DB 142.DBX5.0	Set change on(Maintained)	在复卷机停止和开卷机处于扭矩/张力控制模式，信号为真使得制动器保持足够长的时间完成换卷顺序。张力参数值降至换卷张力百分比。
DB 142.DBX5.1	Roll Kick-Out(Maintained)	当踢纸器动作时，信号为真。
DB 142.DBX5.2	Winding force controlon (Maintained)	信号为真，允许前/后底辊根据扭矩差去工作。如果信号为假，前/后底辊扭矩差值输出为0。
DB 142.DBX5.3	Unwinder tensioncontrol on (Maintained)	信号为真，内部联锁准备好允许开卷机工作在扭矩/张力控制模式，张力设定值。
DB 142.DBX5.4	Unwinder tensioncontrol off (Maintained)	开卷机祸合器打开或张力控制请求取消时，信号为真。
DB 142.DBX5.5	Unwinder clutch close(Maintained)	信号为真，允许制动器在操作模式。如果信号为假，制动器只能在开卷机手动爬行模式在限速情况下可以操作。
DB 142.DBX5.7	Splice Tension Take up on (Maintained)	当接合张力打开时，信号为真。
DB 142.DBX6.0	coon measuringmode (Maintained)	发出摩擦力测量请求时，信号为真。
DB 142.DBX6.1	Web threading mode on(Maintained)	引纸模式打开，张力控制预设功能开时，信号为真。这时没有张力控制。
DB 142.DBX6.2	Front drum reverse(Maintained)	前底辊反转时信号为真。在换卷设置开或引纸模式时可能会使用到