非晶薄带成型机自动控制系统设计与实现

摘要

非晶薄带具有高电阻率、高机电耦合系数、低温度电阻系数、高饱和磁感、低损耗等优异的电磁特性，使其在电力电子行业有着广泛用途。作为非晶薄带生产的控制系统，其设计的性能左右着生产带材的品质与效率。目前我国的非晶薄带控制技术上仍落后于国外，国内绝大多数生产线效率低、容量小，控制精度低，所生产带材一致性和尺寸精度差，市场比重低。因此研究一套性能好、精度高、低成本、稳定性好、易维护的控制系统具有十分重大的研究价值。
　　本文通过对非晶薄带的生产工艺的分析与研究，设计了以西门子S7-300为主核心控制器的非晶薄带控制系统方案。该方案主要有三部分:硬件方案设计、系统软件设计和张力算法设计。
　　在硬件方案设计上充分考虑了系统性能需求、可靠性、稳定性及硬件成本等综合性能。对控制器、变频器、电机、触摸屏、上位机等做了选型与分析。搭建了稳定、时效高的控制系统通信网络，设计了安全可靠的电气方案。
　　软件设计方面，借助西门子STEP7软件和WinCC组态软件开发平台，以功能模块化设计理念，对系统各子部分进行编程和组态。主要内容包括系统硬件组态、网络组态，包车运动子系统、铜辊修模子系统、抓取卷绕子系统、温度控制子系统、压力控制子系统程序设计，系统的可靠性设计，设计了美观实用的HMI界面和上位机交互界面。
　　在张力控制算法设计中，分析了非晶带卷卷绕过程中张力产生的原理，对卷绕过程中动态转矩与动态卷径作了分析计算，提出间接转矩负反馈的恒张力控制方法。采用模糊控制算法应用于PID控制器参数整定，并使用MATLAB工具进行了实验和仿真分析。引入积分分离控制策略，解决卷绕速度模式切换到转矩模式时积分累积问题。最后将算法在S7-300控制器上实现，在实际生产中取得了不错的效果。
　　本文提出的非晶薄带成型机自动控制系统方案已通过项目验收。该方案不仅能提高生产效率与品质，而且设备运行稳定可靠。在解决卷绕过程中带材张力不均匀的问题上有理想的表现。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容及结构安排

第二章 系统功能需求分祈及总体方案设计

2．1 非晶薄带的制备方法

2．2 非晶薄带生产线的设备构成

2．3 非晶薄带总体生产工艺

2．4 控制系统工艺需求和功能分析

2．4．1 包车运动子系统

2．4．2 铜辊修模子系统

2．4．3 抓取卷绕子系统

2．4．4 温度控制子系统

2．4．5 压力控制子系统

2．4．6 HMI及上位机监控

2．5 控制系统总体方案设计

2．6 本章小结

第三章 成型机控制系统硬件方案设计

3．1 控制系统硬件选型

3．1．1 控制器的选型

3．1．2 变频器的选型

3．1．3 电机的选型

3．1．4 触摸屏选型

3．1．5 上位机选型

3．2 控制系统通信网络

3．2．1 现场总线通讯技术

3．2．2 通讯网络接口

3．2．3 控制系统通信方案

3．3 控制系统电气设计

3．4 本章小结

第四章 成型机控制系统软件设计

4．1 软件开发环境介绍

4．1．1 STEP7软件介绍

4．1．2 WinCC flexible软件介绍

4．1．3 STARTER软件介绍

4．2 控制系统程序设计

4．2．1 系统硬件组态

4．2．2 包车移动子系统

4．2．3 铜辊修模子系统

4．2．4 抓取卷绕子系统

4．2．5 温度控制子系统

4．2．6 压力控制子系统

4．2．7 系统可靠性软件设计

4．3 上位机程序设计

4．3．1 WinCC组态软件简介

4．3．2 上位机软件的设计

4．4 本章小节

第五章 非晶薄带卷绕张力控制

5．1 非晶薄带张力产生原理

5．2 间接恒张力控制

5．2．1 动态转矩的计算

5．2．2 卷径计算方法

5．3 模糊PID控制器设计

5．3．1 模糊控制器结构及原理

5．3．2 模糊控制器设计

5．3．3 模糊控器的MATLAB实验仿真

5．4 可积分分离模糊PID算法实现

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢