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简介：面向造纸、塑料、金属加工等行业卷取设备调试与维护人员，以及学习西门子小型PLC张力控制算法的工程师，这份资源提供双轴卷取分切机的完整控制程序与张力计算思路。核心围绕前后卷取双轴张力控制计算，通过变频器模拟量输出调节张力，并给出内部张力梯度算法，理解后可迁移到恒张力卷取设备，卷取版型表现较好。压缩包共16个文件、约2.5MB，以8张jpg设备图纸、6个txt程序解析与心得说明、1个html和1个doc技术文档为主，图纸与注释齐全，便于对照理解程序逻辑与电路结构。已有229人学习下载。读者可从中获得带完整注释的PLC与触摸屏程序、设备电路图，以及张力控制计算与变频器模拟量调节的具体实现，适合作为卷取类设备程序阅读、调试参考与算法学习素材。

1. 双轴卷取分切机程序：从张力计算到变频器模拟量输出的完整落地路径

分切机这个设备，机械结构看着不复杂，真正让人头疼的是前后两个卷取轴在换卷、加速、减速过程中张力怎么稳住。很多方案在实验室空载跑得挺好，一上料、一升速，前轴松、后轴紧，膜就跑偏。这套基于西门子 S7-200 SMART 的程序方案，核心就干一件事：把前后卷取的张力计算做扎实，再通过变频器模拟量输出把张力闭环落到执行层，触摸屏负责参数设定和状态监控。它适合正在做机电一体化、自动化方向毕设或课程设计的学生，也适合需要快速搭出一套可交付控制逻辑的现场工程师。整套逻辑围绕卷径实时推算、张力给定换算、模拟量标定三个环节展开，下面按需求、设计、实现、避坑、验收的顺序拆开讲。

2. 需求与选型：为什么是 SMART 200 加变频器模拟量

2.1 控制对象与工艺约束

分切机的卷取过程本质是一个变卷径、变惯量的张力控制问题。放卷轴随着料卷变小，卷径从满卷逐步降到纸芯直径；收卷轴则相反，卷径不断增大。如果张力给定不随卷径变化，就会出现两个典型故障：放卷初期张力过大把料拉变形，收卷后期张力不足导致卷面松散、端面不齐。工艺上通常要求张力波动控制在设定值的正负百分之五以内，换卷时张力跌落不超过百分之十并能在两秒内恢复。

从控制点数看，这套系统需要处理前后两个卷取轴的变频器启停与速度给定、两路模拟量输出用于张力转矩给定、编码器或接近开关的卷径脉冲计数、以及若干数字量输入输出用于按钮、限位和报警。S7-200 SMART 的 CPU ST40 自带 24 点数字量，加一块 EM AM06 模拟量模块就能覆盖四路模拟量输出，点数上刚好够用，留有一定余量。

2.2 选型逻辑与替代方案对比

选 SMART 200 而不是更大型的 PLC，理由很实际：这套设备的 I/O 规模在四十点以内，逻辑以模拟量换算和简单 PID 为主，没有复杂的运动控制或多轴插补需求。SMART 200 的模拟量输出分辨率是 12 位，对应 0 到 10V 或 0 到 20mA，对于变频器转矩给定来说精度足够。它的价格和编程软件门槛也低，学生做课设不需要额外采购授权。

我一般会跟做课设的同学说，先把模拟量这条路走通，理解张力给定和卷径的换算关系，后面换总线方案只是通信层替换，控制思想不变。

2.3 信号链与硬件配置清单

整套信号链是：卷径检测信号进 PLC 高速计数或普通输入，PLC 内部算出实时卷径和张力给定值，经模拟量模块输出 0 到 10V 给变频器的转矩给定端子，变频器工作在转矩控制模式驱动卷取电机。触摸屏通过以太网或 RS485 与 PLC 通信，做参数下发和状态回读。

硬件配置上，CPU ST40 一台、EM AM06 模拟量模块一块、前后卷取变频器各一台、触摸屏一台、增量式编码器或接近开关两只用于卷径计数。接线时模拟量输出采用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地，这一点在后面避坑章节还会展开。

3. 总体设计：三个计算模块与一条信号主线

3.1 程序结构划分

程序按功能分成三个块：卷径计算块、张力给定计算块、模拟量输出与报警块。主程序循环调用这三个块，块之间通过全局变量区传递卷径、线速度、张力设定值等中间量。这种划分的好处是每个块可以单独调试，卷径算错了不会影响模拟量标定逻辑的排查。

卷径计算块负责根据编码器脉冲累计和材料厚度推算当前卷径；张力给定块根据卷径、线速度、张力设定值算出需要的转矩给定百分比；输出块把百分比换算成模拟量模块的整数值并做上下限钳位，同时监测偏差报警。

3.2 卷径推算的两种实现路径

卷径推算常用两种方法。第一种是厚度累计法：每转一圈卷径增加或减少两倍材料厚度，用脉冲数除以每转脉冲数得到圈数，再乘以厚度累加。这种方法实现简单，但对材料厚度参数准确度依赖大，厚度输错一点，跑几百米后卷径偏差就很明显。第二种是线速度与角速度比值法：用线速度除以卷取轴角速度得到卷径，理论上更准，但需要一路稳定的线速度信号，通常取自牵引辊编码器。

实际项目里我倾向于厚度累计法做粗算、线速度比值法做修正，两者偏差超过阈值时报警提示参数核对。对于课设规模，厚度累计法单独用也能跑，只要在触摸屏上把材料厚度做成可调参数，换料时改一下就行。

3.3 张力给定与模拟量映射关系

张力给定的核心公式是：转矩给定百分比等于目标张力乘以当前卷径，再除以电机额定转矩对应的系数。卷径变大时同样张力需要更大转矩，所以给定百分比随卷径线性上升。模拟量输出再把百分比映射到 0 到 27648 的整数范围（SMART 200 模拟量满量程对应值），经模块转换成 0 到 10V。

这里有个容易忽略的点：变频器转矩给定端子的死区。多数变频器在给定低于百分之几时电机不出力，标定时要把这个死区补偿掉，否则小张力工况下卷取轴不转。通常的做法是在输出块里加一个最小给定偏置，偏置量通过触摸屏可调，现场试出来填进去。

4. 关键实现：卷径计算、张力换算与模拟量输出

4.1 卷径计算的梯形图逻辑与参数说明

卷径计算用梯形图实现，核心是高速计数器读脉冲、整数运算算圈数、浮点运算累加卷径。下面给出关键逻辑的伪代码表达，实际编程时按此结构在 STEP 7-Micro/WIN SMART 里搭网络。

// 卷径计算块 每 100ms 调用一次 // 输入：HC0 当前脉冲值，LastPulse 上次脉冲值 // 参数：PulsePerRev 每转脉冲数，Thickness 材料厚度(mm)，CoreDia 纸芯直径(mm) DeltaPulse := HC0 - LastPulse LastPulse := HC0 // 累计圈数（浮点） Turns := DeltaPulse / PulsePerRev // 收卷轴卷径累加，放卷轴卷径递减 If AxisMode = 1 Then // 收卷 CurrentDia := CurrentDia + 2.0 * Thickness * Turns Else // 放卷 CurrentDia := CurrentDia - 2.0 * Thickness * Turns EndIf // 上下限钳位，防止参数错误导致卷径跑飞 If CurrentDia > MaxDia Then CurrentDia := MaxDia If CurrentDia < CoreDia Then CurrentDia := CoreDia

这段逻辑里，PulsePerRev要和编码器实际线数对上，装的是 600 线编码器就填 600，接接近开关则按每转一个脉冲填 1。Thickness是材料厚度，单位毫米，触摸屏上做成浮点输入。MaxDia和CoreDia是卷径上下限，钳位这一步是血泪经验，参数填错时没有钳位，卷径会一路累加到天文数字，张力给定跟着爆掉，变频器直接报过流。

4.2 张力给定换算与浮点运算处理

张力给定块把卷径、张力设定值、线速度补偿合成一个输出百分比。SMART 200 的浮点运算要注意实数转整数时的四舍五入，直接截断会带来累计误差。

// 张力给定计算块 // 输入：CurrentDia 当前卷径，TensionSet 张力设定(N)，SpeedComp 速度补偿系数 // 参数：MotorTorqueRated 电机额定转矩对应系数，MinOutput 最小给定偏置(%) TorquePercent := (TensionSet * CurrentDia * SpeedComp) / MotorTorqueRated // 加最小偏置，补偿变频器死区 TorquePercent := TorquePercent + MinOutput // 限幅 0~100 If TorquePercent > 100.0 Then TorquePercent := 100.0 If TorquePercent < 0.0 Then TorquePercent := 0.0 // 转模拟量整数值，27648 对应 100% AnalogOut := REAL_TO_INT(TorquePercent * 276.48)

SpeedComp是速度补偿系数，加速时适当加大给定、减速时减小，用来抵消惯量影响，这个系数在触摸屏上做成可调，现场整定。MotorTorqueRated是把张力乘卷径换算到百分比的分母系数，和电机功率、减速比有关，通常按额定工况反算一个初值再微调。REAL_TO_INT转换前乘 276.48 是因为 27648 除以 100 等于 276.48，这样百分比到模拟量码值一步到位。

4.3 模拟量输出标定与变频器参数配合

模拟量输出块把AnalogOut写到 AQW 寄存器，同时做偏差监测。标定分两步：先在触摸屏上强制输出百分之五十，用万用表量模块输出端子应为 5V 左右；再在变频器侧把转矩给定端子的增益和偏置调到与 PLC 输出匹配。

// 模拟量输出与监测块 AQW32 := AnalogOut // 前卷取轴张力给定 AQW34 := AnalogOutRear // 后卷取轴张力给定 // 偏差监测：设定与实际反馈偏差过大时报警 If ABS(TensionSet - TensionFeedback) > AlarmThreshold Then AlarmFlag := 1 EndIf

变频器侧要设成转矩控制模式，给定源选模拟量输入，同时把加减速时间适当放长，避免给定突变时电流冲击。前后轴的给定分别走 AQW32 和 AQW34，接线时注意模块通道与寄存器的对应关系，AM06 的通道顺序在系统块里可以查，接反了就是前轴动后轴不动，排查起来很费时间。

5. 避坑与排查：调试现场最容易翻车的五个点

5.1 模拟量输出跳动大、张力忽松忽紧

现象是变频器给定端电压用万用表看在小范围内快速跳动，卷取轴转速不稳。原因多半是模拟量线没有用屏蔽双绞线，或者屏蔽层两端都接了地形成地环路，也可能是模拟量模块的电源和变频器共用一路干扰大的电源。解决办法是换屏蔽双绞线、屏蔽层只在 PLC 侧单端接地、模拟量模块供电单独走一路或加隔离模块。我见过一个课设现场，线缆和变频器输出线捆在一起走线槽，怎么调参数都不稳，分开走线后问题直接消失。

5.2 卷径越算越偏、换料后张力明显不对

现象是空载试跑正常，上料跑几百米后张力给定明显偏离。原因通常是材料厚度参数填错，或者编码器每转脉冲数与实际不符。厚度累计法对这两个参数极其敏感，厚度差百分之十，跑十圈后卷径偏差就累积到肉眼可见。解决办法是在触摸屏上把厚度和脉冲数做成可调参数，换料必改；同时加线速度比值法的交叉校验，两者偏差超过设定阈值时弹报警，提示核对参数。

5.3 变频器小给定不出力、低速时卷取轴不转

现象是张力设定调小后，模拟量输出有电压但电机不转，或者转得很勉强。原因是变频器转矩给定存在死区，给定低于某个百分比时输出转矩不足以克服静摩擦。解决办法是在张力给定块里加最小输出偏置MinOutput，通过触摸屏可调，现场从零慢慢往上加，加到电机能稳定起转为止。注意偏置不能加太大，否则小张力工况下实际张力偏高，料被拉薄。

5.4 前后轴给定接反、动作逻辑对不上

现象是启动后前卷取轴该收不收、后轴该放不放，或者两个轴同时往一个方向使劲。原因是模拟量通道与 AQW 寄存器的对应关系搞错，或者前后轴的收放模式参数设反。解决办法是接线前对照系统块里的通道分配表逐一核对，调试时先在触摸屏上做单轴点动测试，确认每个通道对应哪个轴、哪个方向，再联调。这个顺序不能省，省了就等着在设备上拆线重接。

5.5 高速计数脉冲丢失、卷径计算跳变

现象是卷径数值偶尔出现不合理的跳变，或者累计圈数比实际少。原因是高速计数器的输入滤波时间设得太短或太长，脉冲频率超出计数范围，或者编码器供电与信号线受干扰。解决办法是根据实际最高脉冲频率设置合适的滤波时间，信号线远离动力线，编码器电源单独取自开关电源。SMART 200 的高速计数器有模式设置，做卷径计数用单相计数模式即可，模式选错也会导致计数异常。

6. 验收与答辩：怎么证明这套张力控制真的稳

验收这套程序，不能只看空载跑不跑得起来，要按工况分阶段测。我一般会设计一张验收记录表，把测试项、判定标准、实测值三列填满，答辩时这张表比讲十页原理都有说服力。

答辩时老师最爱问的两个问题，一个是卷径公式怎么来的，一个是模拟量 27648 这个数什么意思。前者要能当场写出厚度累计的推导，后者要能说清 12 位模拟量满量程对应 27648 是西门子的规定，百分比乘 276.48 就是码值。还有一个高频问题是前后轴张力怎么解耦，回答的思路是两轴各自独立算卷径和给定，通过线速度信号做同步补偿，不做强耦合，避免一个轴故障拖垮另一个。

调试习惯上，从那以后我每次上电前都强制走一遍「单轴点动、通道核对、参数确认」三步，不管设备多熟都不跳。这套流程救过我好几次，有一次就是通道接反，单轴测试时当场发现，没等到联调才暴露。希望这套结构和验收思路能帮到你，把张力这条线稳稳落地。

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