1 引言
t400工藝板是西門子smadyn-d全數(shù)字控制系統(tǒng)的新一代的工藝類產(chǎn)品。它是為西門子交流傳動(dòng)裝置（simovert masterdrives converter）和直流傳動(dòng)裝置（simoreg dc-master converter）設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)選件板，可以插到這些傳動(dòng)裝置的電子箱中，擴(kuò)展其功能，進(jìn)行高級(jí)工藝控制。
從硬件來看，t400工藝板只是一塊單板計(jì)算機(jī)，西門子公司為其設(shè)計(jì)了三套標(biāo)準(zhǔn)軟件包（剪切控制，角同步控制和卷取控制），這三種軟件可以滿足所在領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。如果有需要，還可以用cfc軟件對(duì)這些軟件進(jìn)行修改以滿足特殊應(yīng)用。卷取控制（包括收/放卷）選用spw420卷取控制軟件包。
t400工藝板采用的是32位的smadyn-d處理器，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和極高的運(yùn)算速度，它最快的執(zhí)行周期小于0.8ms，運(yùn)算數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)小數(shù)。t400通過雙口ram和傳動(dòng)裝置交換數(shù)據(jù)，比其他方式效率更高，所以它適合于對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行高精度運(yùn)算和高速控制的場(chǎng)合。
2 接口與連接
2.1 外圍接口
圖1是帶spw420標(biāo)準(zhǔn)軟件包的t400所有外圍接口的示意圖。
圖1 t400外圍接口的示意圖
（1）通訊接口：包括 profibus、peer-to-peer、uss-bus和pc接口；
（2）i/o接口：t400有8個(gè)開關(guān)量輸入口，2個(gè)繼電器輸出口，4個(gè)開關(guān)量輸出口（可設(shè)置成4個(gè)開關(guān)量輸入口），5個(gè)12位模擬量輸入口，2個(gè)12位模擬量輸出口；
（3）編碼器接口：兩個(gè)用于htl或ttl信號(hào)的增量編碼器,為增量編碼器和絕對(duì)式編碼器，兩個(gè)編碼器接口所準(zhǔn)備的位置和速度功能塊可有效地應(yīng)用于位置定位和速度檢測(cè)。
2.2 硬件連接
使用t400工藝板的交流傳動(dòng)裝置和直流傳動(dòng)裝置應(yīng)包含以下組件：
（1）基本模塊（cu）
● 安裝在simovert masterdrives vc/mc中的cuvc模塊/cumc模塊及安裝在早期裝置simovert masterdrives vc/mc中的cu2模塊/cu3模塊。
● simoreg dc-master
基本模塊就是西門子傳動(dòng)裝置的控制板，例如cuvc為矢量控制變頻器/逆變器的控制板。
（2）通訊模塊（cb）
● profibus通訊模塊cbp/cb1，其中cbp用于使用cuvc基本模塊或cumc基本模塊的裝置，cb1用于使用cu2基本模塊或cu3基本模塊的裝置。
● peer-to-peer/uss通訊模塊scb1或scb2
其中基本模塊（cu）是必備的，t400通過控制傳動(dòng)裝置中的基本模塊來間接控制傳動(dòng)裝置，通訊模塊可根據(jù)需要選配。cu,t400和cb的安裝位置如下：
圖2 傳動(dòng)裝置中電子箱示意圖
基本模塊（cu）要安裝在傳動(dòng)裝置電子箱的安裝位置1（見圖2）；
t400工藝板應(yīng)該安裝在安裝位置2；
cb1、scb1和scb2應(yīng)裝在安裝位置3；
cbp則需要裝在adb適配板的低槽位，通過adb適配板裝在安裝位置3；
三個(gè)安裝位置中的模塊通過電子箱的底部的總線擴(kuò)展器（lba）連接。
使用cbp模塊時(shí)應(yīng)注意的是cuvc/cumc控制板本身具有cbp插槽，可以直接將cbp直接安裝在cuvc/cumc控制板上,但是這種連接方式只是把控制板連接在profibus總線上，而不是t400工藝板。這樣連接，plc無法直接控制t400工藝板。
3 組態(tài)功能
spw420標(biāo)準(zhǔn)軟件包靈活bico功能可以靈活的將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)連在一起，使得可根據(jù)生產(chǎn)過程中的實(shí)際要求自由的選擇需要的功能模塊，所構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性和靈活性。
bico參數(shù)是連接器參數(shù)，按照信號(hào)的流向可以分為出口（source）和入口（destination）,其中出口的參數(shù)名可以理解為一個(gè)變量地址，入口的參數(shù)名可以理解成指針變量。例如：將圖3中功能塊1的輸出值作為功能塊2的給定值。
圖3 連接器參數(shù)
kr3155是功能塊1的輸出的bico參數(shù)，即功能塊1的輸出值儲(chǔ)存在以kr3155為地址的存儲(chǔ)單元中，h081是功能塊2的輸入的bico參數(shù)號(hào)，h081的內(nèi)容是功能塊2的給定值的地址，這樣當(dāng)使h081=3155，表示功能塊1到功能塊2的信號(hào)通道建立起來了。連接器連接是一種軟連接方式，所以一個(gè)功能塊的輸出可以同時(shí)作為多個(gè)功能塊的輸入。
出口bico參數(shù)kr3155中，符號(hào)kr為參數(shù)類型3155為參數(shù)號(hào)。入口bico參數(shù)h081下面的符號(hào)kr為入口bico參數(shù)類型。
kr表示浮點(diǎn)數(shù)，此外還有b—開關(guān)量；k—單字長(zhǎng)（16位）連接器；kk—雙子長(zhǎng)（32位）連接器，只有在出口和入口的bico參數(shù)具有相同數(shù)據(jù)類型時(shí)才允許互連。
spw420標(biāo)準(zhǔn)軟件包由大量的獨(dú)立功能模塊組成，它將工業(yè)控制中常用的控制功能都做成了軟件功能塊（如：卷經(jīng)計(jì)算模塊、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊、張力控制模塊等）,用戶可以選擇需要的功能模塊并通過bico功能將它們連接起來，方便的構(gòu)成自己的張力控制系統(tǒng)。
4 數(shù)據(jù)交換
4.1 t400工藝板和傳動(dòng)裝置的數(shù)據(jù)交換
基本模塊（cu）是直接控制傳動(dòng)裝置的控制板，所以t400工藝板和傳動(dòng)裝置的數(shù)據(jù)交換也就是和控制板的數(shù)據(jù)交換。
t400工藝板和cu控制板之間的過程數(shù)據(jù)、參數(shù)以及故障/報(bào)警的傳遞通過二者間的雙口內(nèi)存（dual port ram）實(shí)現(xiàn)。t400工藝板和cu控制板都周期性的對(duì)dual port ram進(jìn)行讀/寫，完成數(shù)據(jù)交換。這是一種快速的數(shù)據(jù)交換方式。
t400上黃色信號(hào)燈閃爍表示t400在和cu交換數(shù)據(jù)，閃爍頻率等于采樣頻率。如果只有紅色信號(hào)燈閃爍，黃色信號(hào)燈不閃，表示和cu的數(shù)據(jù)交換有錯(cuò)誤。其中紅色信號(hào)燈閃表示t400中軟件正在運(yùn)行，它會(huì)一直處在閃爍狀態(tài)。
t400工藝板插在電子箱后是作為cu的第一塊cbp和cu交換數(shù)據(jù)的,所以cu和t400交換數(shù)據(jù)的接口是第一塊cbp的數(shù)據(jù)接口。
（1）從t400到cu的過程數(shù)據(jù)：
t400可以向cu傳送10個(gè)字（2個(gè)控制字+8個(gè)給定值），如表1所示：
表1 t400到cuvc的10個(gè)過程數(shù)據(jù)
（2）從cu到t400的過程數(shù)據(jù)：
cu可以向t400傳送8個(gè)字（2個(gè)狀態(tài)字+6個(gè)實(shí)際值），如表2所示：
表2 從cu到t400的過程數(shù)據(jù)
從t400與cu的數(shù)據(jù)交換可以看出：cu中的數(shù)據(jù)為整數(shù)而 t400中的數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)數(shù)，數(shù)據(jù)傳到t400后，或者從t400傳出時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)間的轉(zhuǎn)換，16進(jìn)制數(shù)4000h（即10進(jìn)制數(shù)16384）被對(duì)應(yīng)到t400中的1.0（100%）。t400在和plc通過profibus通訊時(shí)也會(huì)進(jìn)行同樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
4.2 t400工藝板的profibus-dp通訊
t400可以通過通訊板（cb1或cbp/adb）同profibus主站（如plc）交換數(shù)據(jù)，t400工藝板在profibus-dp通訊中只能作為從站。
通訊板的參數(shù)設(shè)置如：地址、波特率、報(bào)文長(zhǎng)度等均在基本模塊（cu）上進(jìn)行。
使用profibus-dp通訊，應(yīng)使h288=1 profibus enable，ppo類型由h604設(shè)定。
t400上綠色信號(hào)燈閃爍表示t400在和通訊模塊（包括cbp/cbp1,scb1/scb2）通訊，閃爍頻率等于采樣頻率。
（1）從dp到t400的過程數(shù)據(jù)（ppo5）如表3所示：
表3 dp到t400的過程數(shù)據(jù)（采樣時(shí)間為2ms）
（2）從t400到dp的過程數(shù)據(jù)（ppo5）如表4所示。
表4 t400到dp的過程數(shù)據(jù)（采樣時(shí)間為2ms）
其中t400到dp的狀態(tài)字1其實(shí)是t400從cu單元接受的cu狀態(tài)字1，t400只對(duì)其中三個(gè)位做了更改：1.3為t400的故障信號(hào)；1.7為t400的報(bào)警信號(hào)；1.13為t400張力控制器輸出為限幅值信號(hào)。
5 t400工藝板在放卷控制中應(yīng)用
spw420是西門子公司為t400開發(fā)的應(yīng)用于軸向卷繞機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)軟件包,可涵蓋大量的收卷和放卷張力控制應(yīng)用,比如：紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、鍍膜、復(fù)卷機(jī)、金屬加工、拔絲等。在造紙過程中，復(fù)卷機(jī)的退紙輥控制是一個(gè)典型的放卷恒張力控制。
t400的控制方式有：間接張力控制（無張力傳感器）、直接張力控制（有張力傳感器）、線速度控制。下面主要介紹t400的直接張力控制。
放卷過程的控制主要任務(wù)是保持卷材張力恒定，卷取機(jī)構(gòu)控制線速度恒定，放卷機(jī)構(gòu)只需跟隨卷取機(jī)構(gòu)的速度。
圖4是spw420中提供的放卷直接張力控制系統(tǒng)。下方陰影部分代表cuvc控制板，上方代表t400工藝板。
圖4 spw420中放卷直接張力控制組態(tài)圖
放卷控制屬于從動(dòng)方式（slave）,線速度給定值應(yīng)該為材料的線速度實(shí)際值（即跟隨卷取機(jī)構(gòu)的線速度值），圖4中nip bbbbbbbb的作用即提供材料的線速度實(shí)際值，實(shí)際應(yīng)用中可以改為其它可以取得線速度實(shí)際值的位置，比如復(fù)卷機(jī)的后底輥。
圖4中的張力設(shè)定值z(mì)set,張力實(shí)際值z(mì)act,線速度值vset均由t400的模擬量輸入端口送給t400，輸入模擬量都應(yīng)是0-10v的電壓信號(hào)，t400的ai端口進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，模擬量的10v被對(duì)應(yīng)成t400內(nèi)部的1.0（100%）。
放卷機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速實(shí)際值由cuvc的脈沖編碼接口檢測(cè)出來后，通過dual port ram傳給t400。t400計(jì)算出的轉(zhuǎn)速給定值、轉(zhuǎn)動(dòng)變量的可變部分、轉(zhuǎn)矩的正負(fù)限幅值，同樣通過dual port ram傳送給cuvc。
正常工作時(shí)，線速度實(shí)際值與轉(zhuǎn)速實(shí)際值對(duì)應(yīng)相等（相差一個(gè)直徑），通過在線速度實(shí)際值中減去一個(gè)固定值，可以使轉(zhuǎn)速給定始終小于轉(zhuǎn)速反饋，使得速度調(diào)節(jié)器（為pi調(diào)節(jié)器）由于積分作用而緩緩飽和，輸出被限制在限幅值上。瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加速度調(diào)節(jié)器的增益上，增益值隨著轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化而變化，有利于服慣性作用，提高響應(yīng)的快速性。
速度調(diào)節(jié)器飽和以后，輸出被限制在負(fù)限幅上，負(fù)限幅值的大小由張力控制部分決定。張力控制部分對(duì)主要的擾動(dòng)，如卷徑d的變化，加減速轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償控制，其余的偏差部分由張力調(diào)節(jié)器控制。
由于卷材的慣性較大，響應(yīng)存在較大的滯后，所以在張力調(diào)節(jié)器上還采用了張力預(yù)控制，張力調(diào)節(jié)器的輸出加上部分張力給定值作為最終的張力給定值。
加/減速轉(zhuǎn)矩為實(shí)時(shí)計(jì)算得到，疊加到轉(zhuǎn)矩給定值上，以補(bǔ)償加/減速時(shí)需要的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。在放卷控制中t400工作模式為從動(dòng)（slave），計(jì)算加/減速轉(zhuǎn)矩所需的加/減速度應(yīng)該根據(jù)車速的變化由外部引入。
組態(tài)圖畫成方框圖形式如圖5所示。
圖5 spw420放卷直接張力控制方框圖
對(duì)于摩擦轉(zhuǎn)矩，由于數(shù)值相對(duì)較小，再加上采用了張力閉環(huán)控制，所以可以不進(jìn)行摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償。
6 結(jié)束語(yǔ)
t400工藝板作為裝置的專用選件板，可以和傳動(dòng)裝置有機(jī)結(jié)合進(jìn)行快速、高效的數(shù)據(jù)交換，加上自身運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高，非常適合于高速、高精度的控制場(chǎng)合。
由于出自西門子公司專業(yè)設(shè)計(jì)，t400工藝板的控制水平高、功能完善而且通用性強(qiáng)。使用t400工藝板進(jìn)行控制，無論是前期設(shè)計(jì)還是后期調(diào)試都將變得非常方便，工作量可以大大減少。
t400工藝板的不足之處是自身成本較高，不適合于在對(duì)成本敏感的低端系統(tǒng)中使用，只適合于在高端系統(tǒng)中使用。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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