2024年4月23日发(作者：回宏峻)
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务１ 匐 似
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ在铜箔后处理生产线上的应用
张立群，李铁才，万筱剑
（深港产学研基地运动控制应用实验室。深圳５１８０５７）
摘要：本文介绍了新一代运动控制平台ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ在铜箔后处理生产线电控系统上的应用，根据
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５高集成度、控制速度快等特点，提出了一套完善的硬件配置和软件设计思路
和方法，实现多级级联的直接张力闭环控制。实践证明该系统运行稳定、张力控制精度高，非
常适合于冶金、造纸、轻纺等大型多轴卷绕设备的应用场合。
关键词：ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５；运动控制系统；恒张力；直接张力闭环控制
中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２００８）０６—００４ ６－０４
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉ—ｑｕｎ，ＬＩ Ｔｉｅ—ｃａｉ，ＷＡＮ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎ
（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｔｅｃｈ—Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ５１ ８０５７）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ Ｓｉｅｍｅｎｓ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ
ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｈｉｇｈ—
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｇｏｏｄ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｄｉｒｅｃｔ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ ｆａｃｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎ ｓｔａｂｌｙ
ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ ｍｅｔａｌ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｐａｐｅｒ—ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｉｎｎｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ；ｄｉｒｅｃｔ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｔｅｎｓｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ
０引言
铜箔后处理生产线主要工作是将生箔机生产出
来铜箔进行表面处理，加热，卷取，最终生产出成
品卷。主要设备有开卷机，进料装置，多个张紧装
１ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ介绍
在运动控制领域，一般的电机驱动器提供了丰
富的运动控制功能，但逻辑控制和复杂运算功能却
相当弱，而一般的ＰＬＣ提供了全面的逻辑控制功能，
置，卷取机。该设备主要用于超薄片状铜箔的处理，
此种铜箔轻，薄，标重在９０ｇ／ｍ 左右，极容易出现
打折，压印，串卷，断箔等问题。这种大型多轴卷
绕设备的技术难点就是如何实现机列带上恒张力控
制，保持带上各级间线速度恒定。目前能实现恒张
力控制的方法大致有如下几种…：（１）力矩电机加驱动
但又很难具备运动控制的全部功能。传统的应用方
式是将ＰＬＣ和伺服控制器配合使用，但存在高速数
据传输、数据同步和精确控制等方面的问题。新一
代的运动控制平台ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ 是为那些运动控
制要求复杂、高速、精确的机器而设计的。
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ系统的目的是为各种运动控制任务提
控制器（２）磁粉制动器加直流调速单元（３）间接
张力控制（４）直接张力闭环控制。这４种控制方法
各有优缺点，但是第４种方法，相对前３种，张力
供一种简单、灵活的控制平台。除了运动控制功能
外，还集成了逻辑控制及工艺控制，可以独立完成
以往ＰＬＣ加电机调速器的所有功能，主要应用于那
控制精度高、系统稳定性好。本铜箔后处理生产线
就采用第４种控制方法，以张力传感器反馈带上实
际张力与伺服电机和ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ运动控制平台构
些控制要求复杂，控制速度快的运动控制场合。
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ是一款紧凑型驱动器平台，基于
最新的ＳＩＮＡＭＩＣＳ驱动产品系列。在ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ
成直接张力闭环控制系统，该系统的稳定性和精度
满足现场生产的工艺要求。
中，ＳＩＭＯＴ１０Ｎ的逻辑控制和运动控制功能与
收稿日捆：２００７—１２ ０４
基金项目：广东工业大学科研启动基金和广东省自然科学基金（０５００１ ８３６）资助
作者简介：张立群（１９７３一），女，河北埠城人，高级工程师，硕士，主要从事自控设备的系统集成和嵌入式系统研发工作。
第３Ｏ卷第６期２００８—０６ １４７］
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、１
ＳＩＮＡＭＩＣＳ驱动控制软件均运行在ＳＩＮＡＭＩＣＳ Ｓ１２０
硬件系统上。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ具有不同性能版本，从
訇
机传动，中间部分采用了７台电机，前开卷及后收
卷各一台电机。要求生产线正常生产以张力闭环控
而确保了最高的分级能力与灵活性。通过符合工业
控制系统提供标准化编程语言的国际标准Ｉ Ｅ Ｃ
６１ １３１—３的集成ＰＬＣ，ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ不仅能控制运
动，还能控制整个机器。ＨＭＩ（人机操作界面）装
置能够连接到本机，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ或以太网接口，
用于操作和监控。通过这些接口，可以进行远程监
控、维护和数据浏览。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ提供了一体化
的解决方案即控制器、驱动器及人机界面的程序全
制方式为主。本系统为宽幅面、大惯量、多级张力
控制系统，每一级所要控制的张力是不同的，张力
不能过大，否则会导致变形损坏，张力不能过小，否
则会产生皱纹和横纹。按照设计，生产线长度在
２４ｍ，铜箔在生产线上电镀时有微微的增厚，在各
种导辊上穿插后长度在４０ｍ。机列最高速度３６ｍ／ｍｉｎ，
总传动比ｉ＝１：４０。开卷分为上下２种开卷方式，可各
自独立进行。
部集成在一起，工程开发系统ＳＣＯＵＴ软件可以实现
由一个开发环境解决所有的运动控制、逻辑及工艺
控制问题，并且它还能够提供所有必要的工具，从
（１）多级大惯量系统的恒定速度控制
多级大惯量系统的恒定速度的张力控制系统，
除必须解决单级的张力速度控制系统的相关技术问
题，还要妥善处理前后相近级之间的相互作用和相
互影响。当某一级驱动系统的张力发生变化时，这
编程到参数设定，从测试到故障诊断。在计算机技
术和网络高速发达的今天，人们对电气设备的集成
度和自动化程度的要求不断提高，在自动化领域，
像ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ这样的简单、灵活的运动控制系统
将会越来越受关注。
个变化必定会沿铜箔运动方向，向前后各级逐级传
递到另一级，如果控制环路不稳定，或者稳定性不
好，或者超调量过大，将会引起波动或振荡，即引
起铜箔的抖动。
２系统硬件设计
２．１系统技术关键
在电气方面，整条生产线采用９台伺服同步电
（２）多级级联张力控制系统的启动与停机控制
启动、加速、减速、停机这４个阶段，是任何
一
个传动控制系统必须的过程，这４个阶段要克服
机械的静摩擦、转动惯
量，保持张力恒定的过渡
到恒定速度运行，有些电
机的工作状态也在发电
机、电动机来回变换。启
动、加速阶段需要大的输
出功率，伴随着大电流，
减速，停车阶段将机械系
统的动能转换为电能，向
驱动系统回馈能量，使驱
动单元的电压升高。这些
都是系统不稳定的因素 ］。
启动、加速、减速、停
机这４个阶段，必须经过
低速区，在传动系统中，
低速区的力矩、速度控制
精度相对而言是比较差
的，不容易做好。尤其是
大惯量多级级联系统，还
带ＤＲＩＶＥ－ＣＬｉＱ接 ｊ的们暇 步电机
存在各级之间的相互影
响，难度会更高一些。
图１系统结构框图
［４８１ 第３０卷第６期２００８ ０６
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、ｌ
２．２运动控制系统组成
１．系统配置
・整机采用９台１ＦＫ７交流伺服电机，分别为开
訇
速、减速、停车时，为克服惯量，也要进行相应的
转矩补偿。补偿的量与运行的速度也要有相应的比
例关系，在不同的机列速度时，补偿的系数是不同
的。对于开卷、收卷电机，随着卷经的增大或减小，
还需要有响应的锥度补偿。
直接张力闭环控制，用张力传感器检测铜箔的
张力，反馈给控制系统，实现张力闭环，可以克服
开环张力控制张力误差大的问题。随之而来的问题
是，张力传感器输出的张力信号只是其输出信号的
一
卷电机、收卷电机、送料电机和６台进给电机。额
定转速均为３０００转／ｍｉｎ，开卷电机、收卷电机
功率为３．７７ｋＷ，送料电机和６台进给电机功率为
２．２９ｋＷ；
・采用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５作为主控制器，由于
伺服控制的轴数较多，增加ＣＸ３２扩展单元；
・采用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｓ１２０作为电机驱动单元，包
括可调节型电源模块、双轴电机模块；
小部分，其主要部分是辊子的重量。轴偏心、不
对称、不圆等，均会引起张力的测量的波动，铜箔
在传送过程中的抖动也会引起张力检测的波动，等
等一系列的因素，造成张力检测的干扰。而且这些
干扰属于低频干扰，一般的滤波器是难以滤除。如．
果加大滤波器时间常数，引起较大的滞后，容易引
起系统的不稳定与振荡。这样一来，系统的响应时
间也很慢。张力传感器的输出信号一般比较小，几
十毫伏至几百毫伏范围，采取良好的抗干扰措施非
・采用ＴＰ２７０作为系统的人机操作界面；
・采用ＣＭＣ张力传感器作为带上张力检测元件。
２．安装方式
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ采用一体化的连接电缆和集成化
的安装方式，保证系统的高可靠性
・ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ的电机电缆和编码器电缆全部
采用高ＩＰ等级的专用连接头，用户在使用过程中直
接将电缆接头插到相应的接头上，拧紧相应的螺丝
即可。
常重要。图２给出的是收卷控制单元的直接张力闭
环控制系统原理图。
这种利用张力传感器的直接张力闭环控制方式
・ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ采用一体化的集成连接方式，
控制器Ｄ４３５和驱动器ＳＩＮＡＭＡＣＳ１２０之间采用
使用速度修正模式进行张力闭环，从而保证各轴的
速度同步，保证各级的张力一致ｆ５】。当带上的张力发
生波动，带上的张力由传感器直接检测到实际张力
值的变化，通过张力设定值与实际值作差，进入
ＤＲＩＶＥ—ＣＬＩＱ高速通信方式，通信速率可达到
１００Ｍ，响应速度快，集成化好，对于用户来说简单
方便，故障率低。
・人机界面ＨＭＩ和远程Ｉ／Ｏ与ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ直
间采用ＤＰ电缆以Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线进行通信传输
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ中的张力ＰＩＤ控制器进行调整，作为
速度修正反馈到驱动器的速度控制器输入端的设定
２．３直接张力闭环控制系统设计
鉴于这种卷绕设备对张力控制
精度的要求，本系统对张力控制的
平稳性提出如下要求：无论是大
卷、小卷、加速、减速、激活、停
车、高速、低速、恒速，都要保证
张力的恒定，需要进行张力的补偿［４１。
整个系统要激活起来，首先要克服
静摩擦力产生的力矩，即静摩擦转
矩。静摩擦转矩只在激活的瞬间起
作用；正常运行时要克服滑动摩擦
力产生的滑动摩擦转矩，滑动摩擦
转矩在运行过程中一直存在，并且
在低速、高速时是不一样的，需要
进行大小不同的补偿。系统在加
图２直接张力闭环控制系统原理图
第３Ｏ卷第６期２００８－０６ 【４９】
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务Ｉ生 ＩＩ５ 化
值。张力控制器的Ｐ、Ｉ、Ｄ参数必须经过合理的配
置后，才可进行速度修正。本系统在确定参数时采
伺服驱动器之间的通信，伺服电机编码器反馈信号
等，可轻松实现高速数据同步。
系统软件在设备上电运行后主要完成如下工
用的是经验加ＭＡＴＬＡＢ仿真法确定参数。系统通过
不断的修正速度值，从而达到电机负载输出端线速
度同步和带上张力恒定，各个轴间的张力可以通过
作：系统初始化、数字逻辑处理与Ｉ／Ｏ管理、人机界
面管理、张力传感器信号处理、闭环张力控制、速
度控制、故障检测诊断与处理。系统主程序流程如
图３所示。
张力给定进行微量调整。其中卷径计算模块通过实
际线速度和环绕速度的关系（Ｖ／Ｎ），卷径通过卷轴
的速度和卷材的线速度来计算。卷轴速度必须连接
到参数Ａｃｔｕａｌ—Ｖｅｌｏｃｉｔｙ—Ｗｉｎｄｅｒ和卷材的线速度参
数Ａｃｔｕａｌ＿Ｌｉｎｅ—ｓｐｅｅｄ—Ｉｎｆｅｅｄ，信号内部滤波。在这
种模式下，当加速和减速的时候，卷径计算是不可
靠的。要求机列速度超过Ｖ…，卷径计算模块才可
以使能。这个最小的速度定标为额定转速的比率，
通过Ｓｔａｒｔ＿Ｃａｌｃ—Ｒａｔｉｏ以百分比表示，当随着收卷直
径的不断增大，铜箔会越卷越紧，需要适当减小带
上的张力从而保证不出现横纹或断带，可以引入锥
度控制，让张力设定值以锥度曲线按照设定值的百
分比平滑衰减。惯量计算主要包括对电机惯性、减
速机惯性、卷轴芯的惯性、皮带的惯性和卷材的惯
性的考虑，系统由静止到动态再到稳态运行，以及
由小卷径到大卷径过程中的一些补偿，当加速和减
速的时候，为了尽可能的减小卷材的偏差，应当进
行转矩预控制，加到转矩限制端口。
３系统软件设计
根据铜箔后处理生产线的生产工艺和控制任务
要求，设计开发系统控制软件。本系统应用ＳＣＯＵＴ
工具软件实现对ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５运动控制系统和
ＳＩＮＡＭＩＣＳ１２０电机驱动产品的硬件组态和识别（电
子铭牌）、参数配置、动态特性调试、故障诊断、运
动控制程序编程。编程人员可以在一个开发环境下
根据不同的工艺任务、逻辑控制或复杂计算公式，
分别采用ＭＣＣ、ＬＡＤ、ＳＴ语言完成３个不同部分
的程序编制，大大地简化了软件设计的工作量。
ＳＣＯＵＴ软件还集成了ＰｒｏＴｏｏｌ组态图形软件编辑触
摸屏，直接调用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５中的变量进行编
程。在现场调试阶段对于不断修改程序和更新人机
操作界面非常便捷，通过以太网和ＵＳＢ接口就可完
成上位ＰＣ机与触摸屏和ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ的３方通信。
对于工艺任务经常变更需要调整人机操作界面的场
合非常方便，为现场调试人员以及后期维护工作提
供了便利。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ提供内部通信的ＤＲＩＶＥ．
ＣＬＩＱ通信接口，该接口适用于ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ和Ｓ１２０
［５０１ 第３Ｏ卷第６期２００８—０６
图３主程序流程图
系统软件按照功能划分如下几个工作模块：
・张力闭环控制主程序
・速度控制主程序
・锥度控制模块
・ＰＩＤ张力控制器模块
・惯量计算模块
・转矩预控制模块
・卷径计算模块
・故障处理主程序
・人机管理程序
为了更有效地完成上述功能模块的执行调用，
节省系统扫描时间，提高系统的响应速度，本系统
的ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ把铜箔后处理生产线的运动控制归
结为３个控制过程：
（１）Ｓｔａｒｔｕｐｔａｓｋ（启动任务）：系统上电后，对各
功能寄存器和调节器和功能接口进行调用，参数初
始化赋值以及电机使能。
（２）Ｍｏｔｉｏｎｔａｓｋ（运动控制 多任务同步执行开卷
【下转第７３页ｌ
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、ｌ
闪烁材料位于光纤的顶端。为防止对ｘ射线敏感的
ＣＭＯＳ探测器被Ｘ射线损坏，光纤的末端与Ｘ射线
扫描头弯成直角连接到ＣＭＯＳ探测器上，探测器被
放置在钨和铅屏蔽罩中。该系统能够承受高达１ ０
ＭｅＶ的高能量。
訇
（某些情况下甚至比初始辐射更强些），这些散射，
可使图像变得模糊，清晰度降低。实践中要注意减
少被检测工件本身和周围物体及构筑物的散射影响。
４高密度工件
通过高密度工件时信号非常弱，这种情况下需
要增加扫描时间，使用带闪烁晶体的光电二极管探
笮撼
测器阵列，允许单独光子的计数并具有大动态范围，
可得到细节和对比精度比较好的图像。
５结论
目前，能够用于工业实际的探测器种类不少，
对于不同的需求选用与其相适应的探测器，可以达
到最好的性能和最高的性价比。仅考虑价格和仅考
虑性能而忽视具体的应用对象，是不能满足要求的。
有些在工业生产线上使用ＤＲ就能满足的，而一定
要使用ＣＴ，不仅增大了投资，造成资源浪费，又无
法满足生产需求。
图７ ＣＭＯＳＸ射线系统
参考文献：
【ｌ】ＢＩＲ，Ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｘ—ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｗｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｂｉｒｉｎｃ．ｃｏｍ
３．２减少散射辐射
在使用高能射线源条件下，都存在着散射辐
射。由于散射可能与达到探测器的初始辐射一样强
【２】何宝平，张凤祁，姚志斌．浮栅ＲＯＭ器件Ｙ射线、Ｘ射线
和中子辐射效应实验研究【ＪＪ．原子能科学技术２００７，４ｌ（４）：
４８９—４９２．
［３１ ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｃｍｏｓｘｒａｙ．ｃｏｍ
出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘｛＆‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘
【上接第５０页】
箔后处理生产线张力闭环控制系统，自２００７年８月
电机控制，收卷电机控制，进料电机控制，辅助１－６
控制。
正式运行生产以来，张力控制精度高、系统运行稳
定，为用户创造了可观的经济效益。本系统对于传
统恒张力控制中存在的断带、跑偏、打褶等问题给
出了有效的解决方案。该系统同样非常适合于铝箔、
造纸、轻纺等大型多轴卷绕设备的应用场合。
（３）ＢａｃｋｇｒｏｕｎｄＴａｓｋ（背景功能块）：一种顺序控
制，包括启动条件判断、正常运行过程控制、系统
数据处理、穿卷过程、换卷过程、点动过程、故障
处理过程等。
４结论
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ作为新一代运动控制器增加了很
多模块化的实用功能，降低了使用者的编程难度，
参考文献：
【ｌ】张索俭．络简过程中自动张力闭环控制系统的应用【ＪＪ．现
代纺织技术．２００４，１２（５）．
【２】西门子公司产品手册．
【３】马家骥．棒线轧连轧中的微张力闭环控制【ＪＪ．轧钢．１９９７，５．
【４】纪铜钊．凹印机收放卷张力控制系统研究【Ｄ】．浙江大学
硕士论文，２００３．
在一些控制要求较高的机械上可以真正体现出它的
优势。与传统的ＰＬＣ＋伺服驱动控制器的方案相比，
软硬件集成度高、实现多任务运动控制、现场布线
简单．维护方便。以ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ为核心组成的铜
【５】张立群．ＵＰＢＩ张力传感器在镀膜机上的应用【ＪＪ．自动化
技术与应用２００７，２６（９）：８２—８５．
第３０卷第６期２００８—０６ １７３１
2024年4月23日发(作者：回宏峻)
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务１ 匐 似
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ在铜箔后处理生产线上的应用
张立群，李铁才，万筱剑
（深港产学研基地运动控制应用实验室。深圳５１８０５７）
摘要：本文介绍了新一代运动控制平台ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ在铜箔后处理生产线电控系统上的应用，根据
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５高集成度、控制速度快等特点，提出了一套完善的硬件配置和软件设计思路
和方法，实现多级级联的直接张力闭环控制。实践证明该系统运行稳定、张力控制精度高，非
常适合于冶金、造纸、轻纺等大型多轴卷绕设备的应用场合。
关键词：ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５；运动控制系统；恒张力；直接张力闭环控制
中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２００８）０６—００４ ６－０４
Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉ—ｑｕｎ，ＬＩ Ｔｉｅ—ｃａｉ，ＷＡＮ Ｘｉａｏ－ｊｉａｎ
（Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｔｅｃｈ—Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ５１ ８０５７）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ Ｓｉｅｍｅｎｓ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ
ｔｈｅ ｃｏｐｐｅｒ ｆｏｉｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｌｉｎｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ ｈｉｇｈ—
ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｇｏｏｄ ｓｏｆｔ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｄｉｒｅｃｔ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ ｆａｃｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎ ｓｔａｂｌｙ
ａｎｄ ｔｅｎｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｆ ｍｅｔａｌ
ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｐａｐｅｒ—ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｓｐｉｎｎｉｎｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５；ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔｅｎｓｉｏｎ；ｄｉｒｅｃｔ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｔｅｎｓｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ
０引言
铜箔后处理生产线主要工作是将生箔机生产出
来铜箔进行表面处理，加热，卷取，最终生产出成
品卷。主要设备有开卷机，进料装置，多个张紧装
１ ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ介绍
在运动控制领域，一般的电机驱动器提供了丰
富的运动控制功能，但逻辑控制和复杂运算功能却
相当弱，而一般的ＰＬＣ提供了全面的逻辑控制功能，
置，卷取机。该设备主要用于超薄片状铜箔的处理，
此种铜箔轻，薄，标重在９０ｇ／ｍ 左右，极容易出现
打折，压印，串卷，断箔等问题。这种大型多轴卷
绕设备的技术难点就是如何实现机列带上恒张力控
制，保持带上各级间线速度恒定。目前能实现恒张
力控制的方法大致有如下几种…：（１）力矩电机加驱动
但又很难具备运动控制的全部功能。传统的应用方
式是将ＰＬＣ和伺服控制器配合使用，但存在高速数
据传输、数据同步和精确控制等方面的问题。新一
代的运动控制平台ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ 是为那些运动控
制要求复杂、高速、精确的机器而设计的。
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ系统的目的是为各种运动控制任务提
控制器（２）磁粉制动器加直流调速单元（３）间接
张力控制（４）直接张力闭环控制。这４种控制方法
各有优缺点，但是第４种方法，相对前３种，张力
供一种简单、灵活的控制平台。除了运动控制功能
外，还集成了逻辑控制及工艺控制，可以独立完成
以往ＰＬＣ加电机调速器的所有功能，主要应用于那
控制精度高、系统稳定性好。本铜箔后处理生产线
就采用第４种控制方法，以张力传感器反馈带上实
际张力与伺服电机和ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ运动控制平台构
些控制要求复杂，控制速度快的运动控制场合。
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ是一款紧凑型驱动器平台，基于
最新的ＳＩＮＡＭＩＣＳ驱动产品系列。在ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ
成直接张力闭环控制系统，该系统的稳定性和精度
满足现场生产的工艺要求。
中，ＳＩＭＯＴ１０Ｎ的逻辑控制和运动控制功能与
收稿日捆：２００７—１２ ０４
基金项目：广东工业大学科研启动基金和广东省自然科学基金（０５００１ ８３６）资助
作者简介：张立群（１９７３一），女，河北埠城人，高级工程师，硕士，主要从事自控设备的系统集成和嵌入式系统研发工作。
第３Ｏ卷第６期２００８—０６ １４７］
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、１
ＳＩＮＡＭＩＣＳ驱动控制软件均运行在ＳＩＮＡＭＩＣＳ Ｓ１２０
硬件系统上。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ具有不同性能版本，从
訇
机传动，中间部分采用了７台电机，前开卷及后收
卷各一台电机。要求生产线正常生产以张力闭环控
而确保了最高的分级能力与灵活性。通过符合工业
控制系统提供标准化编程语言的国际标准Ｉ Ｅ Ｃ
６１ １３１—３的集成ＰＬＣ，ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ不仅能控制运
动，还能控制整个机器。ＨＭＩ（人机操作界面）装
置能够连接到本机，通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ或以太网接口，
用于操作和监控。通过这些接口，可以进行远程监
控、维护和数据浏览。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ提供了一体化
的解决方案即控制器、驱动器及人机界面的程序全
制方式为主。本系统为宽幅面、大惯量、多级张力
控制系统，每一级所要控制的张力是不同的，张力
不能过大，否则会导致变形损坏，张力不能过小，否
则会产生皱纹和横纹。按照设计，生产线长度在
２４ｍ，铜箔在生产线上电镀时有微微的增厚，在各
种导辊上穿插后长度在４０ｍ。机列最高速度３６ｍ／ｍｉｎ，
总传动比ｉ＝１：４０。开卷分为上下２种开卷方式，可各
自独立进行。
部集成在一起，工程开发系统ＳＣＯＵＴ软件可以实现
由一个开发环境解决所有的运动控制、逻辑及工艺
控制问题，并且它还能够提供所有必要的工具，从
（１）多级大惯量系统的恒定速度控制
多级大惯量系统的恒定速度的张力控制系统，
除必须解决单级的张力速度控制系统的相关技术问
题，还要妥善处理前后相近级之间的相互作用和相
互影响。当某一级驱动系统的张力发生变化时，这
编程到参数设定，从测试到故障诊断。在计算机技
术和网络高速发达的今天，人们对电气设备的集成
度和自动化程度的要求不断提高，在自动化领域，
像ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ这样的简单、灵活的运动控制系统
将会越来越受关注。
个变化必定会沿铜箔运动方向，向前后各级逐级传
递到另一级，如果控制环路不稳定，或者稳定性不
好，或者超调量过大，将会引起波动或振荡，即引
起铜箔的抖动。
２系统硬件设计
２．１系统技术关键
在电气方面，整条生产线采用９台伺服同步电
（２）多级级联张力控制系统的启动与停机控制
启动、加速、减速、停机这４个阶段，是任何
一
个传动控制系统必须的过程，这４个阶段要克服
机械的静摩擦、转动惯
量，保持张力恒定的过渡
到恒定速度运行，有些电
机的工作状态也在发电
机、电动机来回变换。启
动、加速阶段需要大的输
出功率，伴随着大电流，
减速，停车阶段将机械系
统的动能转换为电能，向
驱动系统回馈能量，使驱
动单元的电压升高。这些
都是系统不稳定的因素 ］。
启动、加速、减速、停
机这４个阶段，必须经过
低速区，在传动系统中，
低速区的力矩、速度控制
精度相对而言是比较差
的，不容易做好。尤其是
大惯量多级级联系统，还
带ＤＲＩＶＥ－ＣＬｉＱ接 ｊ的们暇 步电机
存在各级之间的相互影
响，难度会更高一些。
图１系统结构框图
［４８１ 第３０卷第６期２００８ ０６
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２．２运动控制系统组成
１．系统配置
・整机采用９台１ＦＫ７交流伺服电机，分别为开
訇
速、减速、停车时，为克服惯量，也要进行相应的
转矩补偿。补偿的量与运行的速度也要有相应的比
例关系，在不同的机列速度时，补偿的系数是不同
的。对于开卷、收卷电机，随着卷经的增大或减小，
还需要有响应的锥度补偿。
直接张力闭环控制，用张力传感器检测铜箔的
张力，反馈给控制系统，实现张力闭环，可以克服
开环张力控制张力误差大的问题。随之而来的问题
是，张力传感器输出的张力信号只是其输出信号的
一
卷电机、收卷电机、送料电机和６台进给电机。额
定转速均为３０００转／ｍｉｎ，开卷电机、收卷电机
功率为３．７７ｋＷ，送料电机和６台进给电机功率为
２．２９ｋＷ；
・采用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５作为主控制器，由于
伺服控制的轴数较多，增加ＣＸ３２扩展单元；
・采用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｓ１２０作为电机驱动单元，包
括可调节型电源模块、双轴电机模块；
小部分，其主要部分是辊子的重量。轴偏心、不
对称、不圆等，均会引起张力的测量的波动，铜箔
在传送过程中的抖动也会引起张力检测的波动，等
等一系列的因素，造成张力检测的干扰。而且这些
干扰属于低频干扰，一般的滤波器是难以滤除。如．
果加大滤波器时间常数，引起较大的滞后，容易引
起系统的不稳定与振荡。这样一来，系统的响应时
间也很慢。张力传感器的输出信号一般比较小，几
十毫伏至几百毫伏范围，采取良好的抗干扰措施非
・采用ＴＰ２７０作为系统的人机操作界面；
・采用ＣＭＣ张力传感器作为带上张力检测元件。
２．安装方式
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ采用一体化的连接电缆和集成化
的安装方式，保证系统的高可靠性
・ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ的电机电缆和编码器电缆全部
采用高ＩＰ等级的专用连接头，用户在使用过程中直
接将电缆接头插到相应的接头上，拧紧相应的螺丝
即可。
常重要。图２给出的是收卷控制单元的直接张力闭
环控制系统原理图。
这种利用张力传感器的直接张力闭环控制方式
・ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ采用一体化的集成连接方式，
控制器Ｄ４３５和驱动器ＳＩＮＡＭＡＣＳ１２０之间采用
使用速度修正模式进行张力闭环，从而保证各轴的
速度同步，保证各级的张力一致ｆ５】。当带上的张力发
生波动，带上的张力由传感器直接检测到实际张力
值的变化，通过张力设定值与实际值作差，进入
ＤＲＩＶＥ—ＣＬＩＱ高速通信方式，通信速率可达到
１００Ｍ，响应速度快，集成化好，对于用户来说简单
方便，故障率低。
・人机界面ＨＭＩ和远程Ｉ／Ｏ与ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ直
间采用ＤＰ电缆以Ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线进行通信传输
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ中的张力ＰＩＤ控制器进行调整，作为
速度修正反馈到驱动器的速度控制器输入端的设定
２．３直接张力闭环控制系统设计
鉴于这种卷绕设备对张力控制
精度的要求，本系统对张力控制的
平稳性提出如下要求：无论是大
卷、小卷、加速、减速、激活、停
车、高速、低速、恒速，都要保证
张力的恒定，需要进行张力的补偿［４１。
整个系统要激活起来，首先要克服
静摩擦力产生的力矩，即静摩擦转
矩。静摩擦转矩只在激活的瞬间起
作用；正常运行时要克服滑动摩擦
力产生的滑动摩擦转矩，滑动摩擦
转矩在运行过程中一直存在，并且
在低速、高速时是不一样的，需要
进行大小不同的补偿。系统在加
图２直接张力闭环控制系统原理图
第３Ｏ卷第６期２００８－０６ 【４９】
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务Ｉ生 ＩＩ５ 化
值。张力控制器的Ｐ、Ｉ、Ｄ参数必须经过合理的配
置后，才可进行速度修正。本系统在确定参数时采
伺服驱动器之间的通信，伺服电机编码器反馈信号
等，可轻松实现高速数据同步。
系统软件在设备上电运行后主要完成如下工
用的是经验加ＭＡＴＬＡＢ仿真法确定参数。系统通过
不断的修正速度值，从而达到电机负载输出端线速
度同步和带上张力恒定，各个轴间的张力可以通过
作：系统初始化、数字逻辑处理与Ｉ／Ｏ管理、人机界
面管理、张力传感器信号处理、闭环张力控制、速
度控制、故障检测诊断与处理。系统主程序流程如
图３所示。
张力给定进行微量调整。其中卷径计算模块通过实
际线速度和环绕速度的关系（Ｖ／Ｎ），卷径通过卷轴
的速度和卷材的线速度来计算。卷轴速度必须连接
到参数Ａｃｔｕａｌ—Ｖｅｌｏｃｉｔｙ—Ｗｉｎｄｅｒ和卷材的线速度参
数Ａｃｔｕａｌ＿Ｌｉｎｅ—ｓｐｅｅｄ—Ｉｎｆｅｅｄ，信号内部滤波。在这
种模式下，当加速和减速的时候，卷径计算是不可
靠的。要求机列速度超过Ｖ…，卷径计算模块才可
以使能。这个最小的速度定标为额定转速的比率，
通过Ｓｔａｒｔ＿Ｃａｌｃ—Ｒａｔｉｏ以百分比表示，当随着收卷直
径的不断增大，铜箔会越卷越紧，需要适当减小带
上的张力从而保证不出现横纹或断带，可以引入锥
度控制，让张力设定值以锥度曲线按照设定值的百
分比平滑衰减。惯量计算主要包括对电机惯性、减
速机惯性、卷轴芯的惯性、皮带的惯性和卷材的惯
性的考虑，系统由静止到动态再到稳态运行，以及
由小卷径到大卷径过程中的一些补偿，当加速和减
速的时候，为了尽可能的减小卷材的偏差，应当进
行转矩预控制，加到转矩限制端口。
３系统软件设计
根据铜箔后处理生产线的生产工艺和控制任务
要求，设计开发系统控制软件。本系统应用ＳＣＯＵＴ
工具软件实现对ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５运动控制系统和
ＳＩＮＡＭＩＣＳ１２０电机驱动产品的硬件组态和识别（电
子铭牌）、参数配置、动态特性调试、故障诊断、运
动控制程序编程。编程人员可以在一个开发环境下
根据不同的工艺任务、逻辑控制或复杂计算公式，
分别采用ＭＣＣ、ＬＡＤ、ＳＴ语言完成３个不同部分
的程序编制，大大地简化了软件设计的工作量。
ＳＣＯＵＴ软件还集成了ＰｒｏＴｏｏｌ组态图形软件编辑触
摸屏，直接调用ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ４３５中的变量进行编
程。在现场调试阶段对于不断修改程序和更新人机
操作界面非常便捷，通过以太网和ＵＳＢ接口就可完
成上位ＰＣ机与触摸屏和ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ的３方通信。
对于工艺任务经常变更需要调整人机操作界面的场
合非常方便，为现场调试人员以及后期维护工作提
供了便利。ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ提供内部通信的ＤＲＩＶＥ．
ＣＬＩＱ通信接口，该接口适用于ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ和Ｓ１２０
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图３主程序流程图
系统软件按照功能划分如下几个工作模块：
・张力闭环控制主程序
・速度控制主程序
・锥度控制模块
・ＰＩＤ张力控制器模块
・惯量计算模块
・转矩预控制模块
・卷径计算模块
・故障处理主程序
・人机管理程序
为了更有效地完成上述功能模块的执行调用，
节省系统扫描时间，提高系统的响应速度，本系统
的ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ把铜箔后处理生产线的运动控制归
结为３个控制过程：
（１）Ｓｔａｒｔｕｐｔａｓｋ（启动任务）：系统上电后，对各
功能寄存器和调节器和功能接口进行调用，参数初
始化赋值以及电机使能。
（２）Ｍｏｔｉｏｎｔａｓｋ（运动控制 多任务同步执行开卷
【下转第７３页ｌ
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、ｌ
闪烁材料位于光纤的顶端。为防止对ｘ射线敏感的
ＣＭＯＳ探测器被Ｘ射线损坏，光纤的末端与Ｘ射线
扫描头弯成直角连接到ＣＭＯＳ探测器上，探测器被
放置在钨和铅屏蔽罩中。该系统能够承受高达１ ０
ＭｅＶ的高能量。
訇
（某些情况下甚至比初始辐射更强些），这些散射，
可使图像变得模糊，清晰度降低。实践中要注意减
少被检测工件本身和周围物体及构筑物的散射影响。
４高密度工件
通过高密度工件时信号非常弱，这种情况下需
要增加扫描时间，使用带闪烁晶体的光电二极管探
笮撼
测器阵列，允许单独光子的计数并具有大动态范围，
可得到细节和对比精度比较好的图像。
５结论
目前，能够用于工业实际的探测器种类不少，
对于不同的需求选用与其相适应的探测器，可以达
到最好的性能和最高的性价比。仅考虑价格和仅考
虑性能而忽视具体的应用对象，是不能满足要求的。
有些在工业生产线上使用ＤＲ就能满足的，而一定
要使用ＣＴ，不仅增大了投资，造成资源浪费，又无
法满足生产需求。
图７ ＣＭＯＳＸ射线系统
参考文献：
【ｌ】ＢＩＲ，Ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｘ—ｒａｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．Ｗｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｂｉｒｉｎｃ．ｃｏｍ
３．２减少散射辐射
在使用高能射线源条件下，都存在着散射辐
射。由于散射可能与达到探测器的初始辐射一样强
【２】何宝平，张凤祁，姚志斌．浮栅ＲＯＭ器件Ｙ射线、Ｘ射线
和中子辐射效应实验研究【ＪＪ．原子能科学技术２００７，４ｌ（４）：
４８９—４９２．
［３１ ｈｔｔｐ：／／ＷＷＷ．ｃｍｏｓｘｒａｙ．ｃｏｍ
出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘｛＆‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘ 出‘
【上接第５０页】
箔后处理生产线张力闭环控制系统，自２００７年８月
电机控制，收卷电机控制，进料电机控制，辅助１－６
控制。
正式运行生产以来，张力控制精度高、系统运行稳
定，为用户创造了可观的经济效益。本系统对于传
统恒张力控制中存在的断带、跑偏、打褶等问题给
出了有效的解决方案。该系统同样非常适合于铝箔、
造纸、轻纺等大型多轴卷绕设备的应用场合。
（３）ＢａｃｋｇｒｏｕｎｄＴａｓｋ（背景功能块）：一种顺序控
制，包括启动条件判断、正常运行过程控制、系统
数据处理、穿卷过程、换卷过程、点动过程、故障
处理过程等。
４结论
ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ作为新一代运动控制器增加了很
多模块化的实用功能，降低了使用者的编程难度，
参考文献：
【ｌ】张索俭．络简过程中自动张力闭环控制系统的应用【ＪＪ．现
代纺织技术．２００４，１２（５）．
【２】西门子公司产品手册．
【３】马家骥．棒线轧连轧中的微张力闭环控制【ＪＪ．轧钢．１９９７，５．
【４】纪铜钊．凹印机收放卷张力控制系统研究【Ｄ】．浙江大学
硕士论文，２００３．
在一些控制要求较高的机械上可以真正体现出它的
优势。与传统的ＰＬＣ＋伺服驱动控制器的方案相比，
软硬件集成度高、实现多任务运动控制、现场布线
简单．维护方便。以ＳＩＭＯＴＩＯＮ Ｄ为核心组成的铜
【５】张立群．ＵＰＢＩ张力传感器在镀膜机上的应用【ＪＪ．自动化
技术与应用２００７，２６（９）：８２—８５．
第３０卷第６期２００８—０６ １７３１