涂布机收卷控制的升级

公司有条涂布线，听老员工说年龄比我还大，控制器已经改成S7-400，所有外设都采用IO接线方式接入plc，驱动是老旧的ABB ACS600，通过IO接线与PLC连接。整个系统基本上没有通讯，线速度也很低，最高车速100m/min。今年上半年某一天下大雨，房顶漏水正好滴在了电器柜上，导致收卷驱动进水600变频器报销，维修部门用ACS800代替，结果收卷经常出问题，起步松卷然后突然张紧断纸几率很高。收卷过程中也容易出现收卷不齐的问题。问题被扔给了我，以前也没做过卷曲的项目，正好用这个烂线练练手。找维修的自动化工程师拷贝了程序，直接现场去。
这个收卷部分在忽略涂胶机构的话可以看成一个复卷机，系统如图1所示，图中是我对收卷驱动的升级方案，（原来采用什么控制方式我没有去细究）采用速度控制器饱和加转矩限幅，带收卷LOADCELL的闭环张力控制。

为了达到收卷驱动器速度环饱和，就需要将收卷驱动作为从机，跟随主机（这里是复合棍驱动，将2层纸复合在一起）的速度，以主机线速度为从机速度设定值，并且外加一个正的超速补偿，由于主机与从机之间有纸张连接，并且主机的出力大于从机，这样在正常的运行过程中作为从机的收卷电机会与主机保持一样的线速度，由于收卷电机达不到它的设定速度，这样就会导致收卷驱动速度控制器饱和，转矩环输入为额定满转矩，然后在通过转矩限幅，就可以达到控制收卷张力的目的。

既然是收卷采用速度控制，那么首先需要解决的是收卷驱动的快速调试工作，这里ACS800变频器采用DTC控制方式，加装一块RPBA-01 做profibus通讯，这样能省去很多的接线任务，调试过程也轻松很多。一路参数设置完成，通讯正常，电机辨识优化完成，ACS800已经ready。然后工作的重点就移到PLC了，删除原有的收卷控制程序，把我的FC269替换上去。
FC269中有如下功能块：收卷loadcell的标定与滤波，收卷直径超声波的标定与滤波，收卷驱动的速度控制，收卷的张力控制，简单的锥度控制（实际使用的是张力设定的线性控制）。重要的就是速度控制与张力控制。
对于速度控制来说，我们需要保证在卷曲的过程中收卷的线速度要与主驱动的线速度保持一致，由于卷曲的过程中卷径是在增大的，根据公式，有n=V/(πD)*i，直径D由超声波传感器给出，V是主机的线速度设定值加一个超速补偿后的值，i是减速机的速比，这样我们所需要的收卷驱动的转速设定值就有了。
对于张力控制来说，我们要保证材料在卷曲的过程中内紧外松，根据张力与转矩的计算公式，有：M=FD/2i, M为收卷轴转矩，F为卷曲张力，D为直径，i为减速机速比。另外我们还需要考虑摩擦力与转动惯量对系统的影响，所以收卷驱动需要提供的扭矩为M?=M+M?+M?。（在这个系统中，由于最高速只有100m/min，并且加减速时间很充裕，我没有将补偿做进去）利用收卷loadcell做一个闭环控制，将PID的输出叠加到一个启动转矩上，（其实这个启动转矩也可算是摩擦补偿加惯量补偿，只不过这个值是通过不断的调试得出来的）然后将这个值送到ACS800的转矩限幅上，达到控制张力的目的。
从这半年多的实际运行效果来看，原有的起步断纸问题没有了，收卷效果也达到生产要求，纸卷的硬度也有保证，客户很满意。接下去准备有机会的话还是要把惯量补偿做进去，另外还做了一个卷径计算功能，还没有开放给生产使用，打算在下一个升级改造中一起做掉。