运动控制系统实时演示控制平台设计Word格式文档下载.docx

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5卷绕过程中的控制问题13

5.1卷绕模型及其求解13

5.2张力辊张力仿真模型14

5.3通过PI控制器控制转速15

5.4控制系统各参数的确定16

5.5数据记录及控制效果的观察18

6总结22

参考文献23

致谢错误！

附录错误！

译文及原文错误！

1绪论

1.1上位机介绍

上位机在工业控制当中又被称为HMI,就是一台计算机，只不过它的作用是监控现场设备的运行状态，当现场设备出现问题在上位机上就能显示出各设备之间的状态（如

正常、报警、故障等），HMI对应全称为HumanandMachineInterface。

“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。

1.2设计背景

机电一体化已经成为当今世界机械工业技术和产品发展的主要趋向，是我国机械工

业发展的必由之路。

而机电拖动控制是机电一体化技术的重要组成部分，它接受来自控制系统的指令信号，控制电机去驱动执行元件，是机械运动部件按照指令要求进行运动。

近年来，随着工业自动化程度的不断提高，需要对多个电机进行同步协调控制，使其按照设定的规律运行［2］。

如何实现多个电机的协调工作，成了机电拖动控制的关键。

工业中，卷绕控制⑻就是一种典型的多电机同步协调控制系统，它广泛应用于纺织、造纸、印刷和电子加工等行业中。

要实现上述的控制，上位机起到了重要的作用。

PC技

术快速的发展，拥有丰富的软件和硬件资源，软件间的相互操作性不断加强，其中组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

本设计就是运用组态软件，通过PC控制电机

的卷绕。

该系统采用PC机控制，建立基于WINDOW平台的用户界面，运用组态软件设计控制系统。

另外根据卷绕实际过程中卷绕引起的卷绕半径的增大，从而影响线速度，本设计模拟一个张力传感器，根据输入和输出的速度差，得出张力的大小从而反馈给主卷绕电机，来实时控制卷绕的半径，使输入输出速度相同，并且维持张力辊在平衡位

2相关软件和硬件的介绍

2.1Vijeo-Designer

Vijeo-DesignerVer.4.6.0是由SchneiderElectricIndustriesSAS开发的人机界面（HM）工程开发软件。

它采用类似MicrosoftStudio的设计环境，拥有高级

用户界面，带有许多可配置窗口，能够迅速地开发项目。

最丰富的图形库：

比其它触摸屏软件都丰富（仅ImageLibrary就包含4000多个），客户也可自定义；

方便强大的动画制作，只需要设置参数，即可获得流畅的动画效果；

组件方式，只要简单配置，就可以直接完成报警、趋势、配方、事件记录。

2.2UnityPro编程软件

UnityPro中集成了操作员界面工具。

操作员界面为调试、启动和维护过程中的自动化过程操作

提供了方便。

操作员界面给出了一系列信息（解释性文本，动态值显示，按钮，以及摘要），这些信

息使用户能够快速方便地对PLC变量进行修改和动态监视。

操作员界面编辑器提供了所有动画设计以及过程浏览所需的HMI（人机界面）元件。

它使得用户可以通过专用的工具设计以下页面：

1.页面（创建操作员画面，可以根据族进行分类。

）2.消息（创建要显示的消息。

）

3.对象（几何元素，控制元素，动化元素）。

2.3PowerSuite

PowerSuite是一款用来监控和描绘控制部件对电机控制效果的工具软件，它允许用户来定义设备的基本变量，以及设置相关的数据和通信参数。

他提供设备运行的方法，使得用户可以编辑或者改变配置和链接设备。

最后PowerSuite导航功能可以和各

种设备相通信，从而控制，调整和监控设备。

2.4伺服控制器

LXM05A是一种通用型交流伺服驱动装置。

通常由一个上级PLC控制系统来设定、监控给定值。

使用选定的SchneiderElectric伺服电机，传动系统会得到非常完善而有效的运行。

正面安装有显示器和操作按键的输入装置（HMD,可用来进行参数设置。

在总线控制驱动中，可以通过HMI或者配置软件UnityPro来进行通讯配置。

2.5变频器

由于具有不同的电机控制类型以及大量的内置功能，Altivar71系列变频器能够

满足最严格的要求，适宜作为要求最高的变频器，它的特点有：

极低速度时的转矩与速度的精确性，磁通矢量控制的高动态性能；

扩大的频率范围，适合高速电机驱动；

提供电压/频率比控制方式，适用于驱动专用电机和变频器进行并联连接；

开环模式下同步电机控制方式，能提高静态速度精度并省电；

ENA功能使不平衡机器运行平稳。

2.6可编程控制器

2.5.1ModiconM340PLC

M340处理器拥有卓越的运算能力和多任务操作系统，支持64个高优先任务，对选定I/O时间进行快速反射动作，保证一些动作能够在几个ms内被执行。

M340处理器型号有BMXP341000BMXP342010,BMXP342020,BMXP342030,不同型号处理器对应不同的接口。

2.5.2PLC与PC连接方式

USE连接时处理器与PC的默认连接，用USB线作为程序下载通道可以有效的提高下载速度，而且传输十分方便。

使用以太网方式与PC机连接，可以有很多优点，传输

距离不受限制，便于管理，而且相对USB线可以节约成本。

使用以太网的方式连接时，需要首先使用USB线将IP地址下载到PLC

2.7触摸屏介绍

实验室中使用的触摸屏为XBTGT系列的人机界面产品，型号为XBTGT2330工作电压24VDC下面列出该产品的各项特性：

1）屏幕尺寸：

5.7英寸，

2）屏幕分辨率：

QVGA

3）屏幕颜色：

彩色

4）屏幕技术：

TFT薄膜晶体管型，也称为主动矩阵型。

2.8伺服电机介绍

高动态同步交流伺服电机［4］为永磁同步电机，专为高动态定位任务设计。

与其他交流伺服电机比较，不仅具有低惯量的特性，还可以耐受高负载：

不但可以保证良好的

加速特性，而且可以减少电机的能量损失和散热。

转矩由定子线圈在正弦三相电流系统结合电机磁体产生的磁场中产生。

旋转电流系统的产生取决于数字伺服电机或定位控制器的转子位置。

基于此目的，通过正余弦编码器监视转子位置

BSH电机具有以下特性：

高可靠性

过载保护（通过点击温度监视）高工作特性，低惯量，大转矩范围咼动态性，咼过载能力

正弦EMF

高压技术=地电流简单快速调试（通过自动电机识别）

3系统各机构规划及环境界面开发

系统采用上位机实时演示电机传送和卷绕过程，通过下载目标可以在触摸屏上控制

整个过程。

按此原理搭建的系统结构框架如图2所示。

图1系统结构框架

上位机系统采用人机交互方式［5］，图形菜单，操作简单，功能强大，方便用户操作。

上位机界面包括：

组态软件操作模块，电机控制模块，上位机与电机和触摸屏数据通信模块。

上位机系统主要包含以下几个模块设计：

3.1组态软件操作模块

组态软件操作模块利用组态软件Vijeo-Desiger来实现。

操作界面如图3所示。

卷绕参数输入窗口

图

形

伺服电机Lexim05A初始化窗口

操

作

变频器ATV71初始化窗口

窗

动态演示卷绕进程动画窗口

口

图2操作界面

第一个窗口为卷绕初始化参数输入窗口，输入的参数包括_送卷绕辊的半径R1,主卷绕

辊的半径R2,卷绕材料的厚度d,送卷绕辊的速度V。

第二，三个窗口分别用来初始化伺服电机LXM05和变频器ATV71,让电机进入工作状态。

第四个窗口是用来动态演示⑹电机卷绕进程的动画窗口。

整个程序创建的主要外部变量如图4所示

曲

XTarget_velocity

U1NT

MadbusiS^Dl

%MW58

29

XA7V71_CMD_value

外部

Modbus^Ol

%MW32

30

XATV71_LFRD

Moclbusix>

Oi

^MW34

31

子Mode

ModbusiS>

01

%MW300

32

hVelocity.actval.v^lue

Modbu5iS>

0i

甜

XStatusword

Modbus®

备01

%MW30

34

Freadyingle

UJNT

Modbus设备tn

%MW500

35

jXControlword

ModbusiS^-01

%MW65

ATWl-Status^v/ord

%MW4

37

XATV71_RFRD

ModbusWOl

%MW6

图3程序创建的主要外部变量

其中ATV71_CMD_vali为变频器命令字，ATV71_status_word为状态字，ATV71_LFR为设定的转速，ATV71_RFF为实际的转速。

电机运行时状态字应为16#0637.Controlword为伺服电机的控制字，Statusword为状态字，Target_velocity为设定转速，Velocity_actual_value为实际转速，Mode为运行模式，ready_single为准备好标致。

在窗口中加入了实际运行的动作及一些脚本程序，包括初始化各参数及修改R1,v,d,R2

时返回s1,s2,R的值的脚本；

更新R,v1的脚本；

把31,s2的值分别传给送卷辊电

机和主卷辊电机的脚本；

扰动的脚本；

计算张力F1,张力辊的位移，并不断调整主卷辊电机的转速32的脚本。

编程中还分别对R1,R2,d,v这只了报警，当超过一定范围，将会报警提醒。

软件设计中包含的主要脚本编程见附录中主要脚本编程。

3.2电机控制模块

通过编程软件UnityProXL实现1PLC!

过变频器简单控制电机运行2、PLC空制伺服电机运行。

具体步骤如下：

3.2.1完成PLC通过变频器简单控制电机运行：

⑴打开UnityPro软件，创建一个项目。

（注意：

当变频器控制的电机运行时状态字应为16#0637,当伺服电机正常初始化后准

备标志应为25000）

⑵双击项目项目浏览器中的PLC总线，双击窗口中CANope总线接口。

⑶弹出CANope配置窗口，设置传送速度为：

500千波特。

⑷双击项目浏览器中的CAPNopen双击配置窗口中空白节点，在弹出“新设备”选择窗口中选择：

运动和驱动器下ATV71_V1_1拓扑地址为：

1;

点击确定。

⑸至此完成软件配置。

重新生成所有项目，根据提示修改输入输出字配置消除4出警

告。

连接PLCF载项目文件至PLC

⑹下面需要完成硬件配置。

变频器上电，操作变频器控制面板，选择菜单“1.6命令”，设置：

给定1通道：

CANopen组合模式：

I/O模式；

命令通道1设置：

CANopen

⑺选择“1.9通讯”，选择“CANopen，设置：

CANope地址：

CAnope比特率：

500kbit/s。

⑻选择“1.3设置”，设置最高频率为：

30Hz。

硬件设置完毕，断电重启。

⑼回到UnityPro软件，选择CANope选项卡，双击ATV7变频器，弹出配置窗口，选中ATV71,右侧选择I/O对象，在I/O对象窗口中点全选，然后点击更新网格，取名为”ATV71，点击创建，生成IODD■变量数据类型。

⑽双击基本变量，选中右上方IODDT便能看到刚创建的变量ATV71

（11）新建动态数据表，双击空白处，浏览选择变量ATV71如果没有，请确认IODDT说明:

ETA_status_word—状态字；

Cmd_value-控制字；

LFRD速度给定值；

RFRD速度反馈值。

322完成伺服电机的硬件设置：

⑴打开UnityPro软件，打开同一个项目。

⑵双击项目浏览器中：

CANopen双击配置窗口中空白节点，在弹出“新设备”选择

窗口中选择：

运动和驱动器下LXM05A_V1_12拓扑地址为：

2;

至此软件配置已经完成。

下面需要对硬件进行配置。

⑶将伺服控制器恢复出厂设置，如图5所示：

图4伺服控制器恢复出厂设置步骤

⑷设置伺服控制器为CANope的控制方式，并修改其基站号为2及数据传输的波特率为500kbit/s。

至此，硬件设置完毕，断电重启。

⑸运行模式：

i.双击驱动器LXMU05,选中PDO选项卡，选择PDO组，点击确定。

ii.新建变量：

点击项目浏览器中的“基本标量”，在数据编辑器中添加新的变量，包

括Enable，Stop，Reset，Controlword，Target_velocity等，其中Controlword、Target_velocity、Statusword、Velocity_actual_value这四个变量的地址是由PDOl

动分配的，其他变量是由用户自己定义的。

iii.编写程序，该程序包括伺服电机的初始化程序，电机使能、停止及复位的程序，并使其工作模式为速度特征曲线模式。

见附录梯形图。

iv.将数据编辑器中建立的变量导入到动态数据表中，重新生成所有项目，连接“PLC，

下载项目文件至PLG

v.新建动态数据表，导入所有基本变量。

3.3上位机与PLC及触摸屏数据通信模块

㈠实现PC与PLC以太网连接

⑴打开UnityPro软件，打开之前创建的项目。

⑵在项目浏览器中，右击“工作站”一“全部展开”，右击“网络”一“新建网络”。

⑶可有网络列表下拉选择“以太网”，更改名称为“e_1”。

⑷点“确定”。

双击项目浏览器中网络下新建好的e_1网络，弹出配置窗口。

型号选择

“CPU2020CPU2O30,弹出对话框“更改网络”，点击“确定”。

配置好IP地址,

如下所示：

PLC的IP地址：

192.168.0.106;

子网掩码：

255.255.255.0；

网关：

192.168.0.254。

⑸点击菜单“编辑”一“确定”⑹在项目浏览器中，双击Ethernet。

弹出以太网配置窗口。

选中“通道3”，在“功能”下拉选择“以太网TCP/IP”，“网络链路”下拉选择“e_1”。

点击确认。

点击菜单“生成”一“重新生成所有项目”。

发现底下输出窗口有四个警告，按照提示消除警告，然后点击确认，重新生成项目即可。

⑺点击菜单“PLC—“连接”。

点击菜单“PLC—将项目传输到PLC弹出窗口，选中PLC在传输后运行，点击传输。

⑻点击菜单“PLC—“断开”；

然后点击“PLC—“设置地址”；

在“地址”框内键入“192.168.0.106”，在“介质”框内选择“TCP/IP”，点击“测试连接”，如弹出提示“成功连接到当前选择的目标，表示使用以太网防方式连接成功。

这样便可实现通过网络下载程序，在线修改了。

㈡实现PC与触摸屏以太网连接

⑴交替点击触摸屏左下角和右上角（间隔频率大约1s）,知道出现屏设置参数界面；

点“脱线”，点“网络”，提示“进入脱线设置”，点“确定”，出现滚动条，直到

弹出“静态IP地址设定”界面，设置IP地址如下：

IP地址为192.168.0.46;

子网掩码为255.255.255.0;

默认网关为192.168.0.254。

⑵确认触摸屏与软件版本一致。

点击“开始”一“所有程序”一“SchneiderElectric”

—“Vijeo-Designer”一“工具”一“Runtime安装程序”。

⑶选择目标机器型号：

XBTGT200系列；

安装方法：

以太网；

IP地址等填入触摸屏IP值。

⑷点击“发送”，弹出提示窗口，若显示把目标机器上的Vijeo-DesignerRuntime版本和Runtime安装程序中的版本相同，则点击“否”，退出；

否则点击“是”，进行版本同步传输。

⑸打开UnityPro软件，打开之前创建的项目，该项目PLC勺IP地址已在前面设置好了。

⑹双击打开Vijeo-Designer软件，创建卷绕系统工程，名称为“roll”，点击“下一步”目标类型选择XBTGT20系列，型号选择XBTGT2O3C032OX240）,点击“下一步”;

指定IP地址填入触摸屏IP地址，点击“下一步”；

点击“添加”，制造商选择：

schneiderElectricIndustriesSAS,驱动程序选择：

ModbusTCP/IP，设备选择：

Modbu设备，

点击“确定”完成。

⑺在导航器中双击Modbus设备01,弹出设备设置窗口，IP地址填入PLC勺IP地址168.192.0.106。

选中IEC61131语法框，点击“确定”。

4卷绕过程中的控制问题

M1、M2的卷绕半径分别为R1、R2;

31、32分别是送卷辊、主卷辊的角速度；

v是送卷绕材料辊

的线速度，为匀速运动。

卷绕系统运行过程中，送卷绕电机带动送卷辊M1输送材料，主卷电机带

动主卷辊M2卷绕材料。

随着卷绕的进行，主卷辊的卷绕半径R2时刻都在变化，转动惯量也随这

卷绕半径的改变而时刻发生变化。

如果主卷电机保持在原有的转速上，则转卷速度将随这半径的变大而变大。

当电机间的速度调节不匹配时，将使卷绕材料产生一松一紧的现象，从而使卷绕材料的张力不稳定，影响到卷绕材料卷绕的效果。

因此通过模拟材料之间的张力来控制主卷电机的转速，达到卷绕过程中，材料受到恒定的张力，即尽量不断地保持送卷辊和主卷辊的线速度一致，以达到卷绕系统中两个电极的同步协调运行。

在图1中就是要使张力辊M3维持在一定范围内波动，这样

就表示张力控制在一定得范围，因此通过张力辊的位移变化来控制主卷电机的转速。

4.1卷绕模型及其求解

当卷绕系统工作时，送卷辊保持恒定的速度，主卷辊不断地卷绕，随着卷绕的进行,主卷辊的半径不断地加大，导致主卷辊的线速度不断地增大，从而送卷辊和主卷辊的线速度不一致，产生了张力，通过查阅相关资料，得出张力的数学模型⑺为

AEt

T（v2-v1）dt

（1）

L0

其中E为卷材的弹性模量，A为卷材的横截面积，L为传动点之间的距离，t为卷材经过

相邻两辊的时间。

V2是收卷速度，Vi是送卷材速度。

启动后，V2总会大于Vi,这样使卷材产生一定的张力，因此要及时的调控卷绕的速度，控制好张力。

卷绕辊的半径为R,起始半径为「2,带料的厚度为d,转角为©

，则有：

R=r2+①d/（2n

（2）

因为：

①=wXt=22t/60/3）

把（3）带入/2）中有：

R=r2+n2td/60/4）

而

n2=60V2/（2nR/5）

/5）式代入/4）中得：

R2-RXr2-XX/2/2Xn=0/6）

期望的v2为匀速，解得：

R=/r2+-..r2r2■2tdV