許繼電源有限公司 古韶輝 張 勇

多單元同步控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

許繼電源有限公司 古韶輝 張 勇

多單元同步控制是造紙、塑料、紡織工業(yè)等自動(dòng)化生產(chǎn)線中的關(guān)鍵技術(shù)。卷染機(jī)在運(yùn)行過程中，張力和線速度的穩(wěn)定程度，直接影響染整質(zhì)量。因此，要保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中，張力和線速度保持恒定。本文主要論述了卷染機(jī)的多單元同步控制系統(tǒng)中的硬件部分。本系統(tǒng)采用PLC控制，收放卷和牽伸卷均采用變頻器驅(qū)動(dòng)。PLC根據(jù)壓力傳感器和角位移傳感器反饋的信號，進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送給變頻器，調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到恒張力和恒線速度的控制目標(biāo)。該多單元同步控制系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到了預(yù)期的效果。

同步；變頻器；恒速度；恒張力

1 引言

傳統(tǒng)的紡織印染工業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，裝備的自動(dòng)化程度不高。因此，市場上迫切需求一種既經(jīng)濟(jì)有效，又方便易維護(hù)的控制方法來控制卷染機(jī)的恒線速恒張力運(yùn)行。本文以印染行業(yè)中的卷染機(jī)為例，來介紹多單元同步控制系統(tǒng)中的恒速恒張力問題。多單元同步控制系統(tǒng)投資成本高，不僅可以實(shí)現(xiàn)精確的同步控制，而且增加了在線檢測和故障診斷功能，由此減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。

2 控制系統(tǒng)總體方案

2.1 工藝概述

隨著卷染的進(jìn)行，卷布輥直徑逐漸增大，放布輥直徑逐漸減小，要實(shí)現(xiàn)織物的恒線速卷染，卷布輥的轉(zhuǎn)速要求逐漸降低，并對卷布輥進(jìn)行無級調(diào)速，在整個(gè)工作過程中，考慮其卷染工藝要求，必須保證布料在染液中不存在時(shí)間差，即保證布料的線速度恒定。

圖1 收卷系統(tǒng)示意圖

如圖1所示是收卷系統(tǒng)示意圖。設(shè)織物張力為F；卷輥直徑為D；前喂布單元織物運(yùn)行線速度為V1；收卷單元運(yùn)行線速度為V2。顯然，當(dāng)V2＞V1，織物張緊；當(dāng)V2＜V1，織物松弛、懸垂。卷繞系統(tǒng)在開始運(yùn)行時(shí)，總是控制V2＞V1，于是織物經(jīng)向施加一定的張力，緯紗受經(jīng)紗的制約而不易收縮。如果V2- V1為常數(shù)，那么工藝運(yùn)行中，張力就恒定不變。由此兩傳動(dòng)點(diǎn)的速差是決定該兩點(diǎn)間織物運(yùn)行張力的主要因數(shù)。

2.2 控制方案

對于收放卷和牽伸卷的拖動(dòng)，國內(nèi)較為傳統(tǒng)的卷染機(jī)大部分采用雙直流電機(jī)控制，只能達(dá)到近似的恒張力控制效果，而且直流電機(jī)多故障、短壽命、價(jià)格高、低速同步性能差。鑒于對動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)速度精度要求不高，使用通用V/F控制變頻器來控制交流異步電機(jī)的方法，技術(shù)難度不高，控制方案簡單，而且比較經(jīng)濟(jì)耐用。

本系統(tǒng)收放卷的直徑是隨著布匹的卷繞而不斷的變化的，為使布匹的線速度恒定，需要時(shí)刻計(jì)算收放卷電動(dòng)機(jī)的直徑，再根據(jù)線速度和角速度的關(guān)系來改變收放卷電動(dòng)機(jī)的角速度來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的線速度恒定。如果控制兩個(gè)牽伸卷之間布匹的線速度恒定，那么整個(gè)系統(tǒng)的線速度也隨之恒定。兩個(gè)牽伸卷的直徑在系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程中是保持不變的，所以它們的線速度相對來說比較容易控制。

對于系統(tǒng)的恒張力控制來說，如果兩個(gè)收放卷電動(dòng)機(jī)設(shè)置為V/F控制方式，那么，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，收放卷電動(dòng)機(jī)根據(jù)與牽伸電動(dòng)機(jī)之間的壓力輥，測得的張力的大小，而不斷改變其轉(zhuǎn)速，從而使兩者之間的張力始終穩(wěn)定在設(shè)定值，這樣就比較容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒張力運(yùn)行。

為了達(dá)到控制要求，本系統(tǒng)以PLC作為控制器，以變頻器作為驅(qū)動(dòng)器，PLC控制四臺(tái)變頻器的運(yùn)行，來控制四臺(tái)三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。一臺(tái)變頻器對應(yīng)一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)，用來控制電機(jī)的加、減速運(yùn)行。系統(tǒng)以PLC作為控制核心，根據(jù)外部的輸入信號，輸出相應(yīng)的控制指令，以調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)采用兩個(gè)角度傳感器和兩個(gè)壓力傳感器傳送角位移和壓力信號給PLC控制器，張力信號由壓力傳感器反采集，經(jīng)過變送器傳送至PLC來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，線速度由角度傳感器采集角位移信號來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。PLC根據(jù)反饋信號進(jìn)行程序運(yùn)算處理，輸出相應(yīng)的指令給四臺(tái)變頻器，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的速度；通過上位機(jī)PC可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信分為上位機(jī)PC與PLC控制器之間采用MPI通信、PLC控制器與四臺(tái)變頻器和分布式I/O之間采用PROFIBUSDP進(jìn)行通信。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型

PLC的電源模塊選用PS 307 5A 電源模塊。直接與單相交流電源連接（額定輸入電壓 120/230 VAC，50/60HZ），而且可用作負(fù)載電源。PLC的CPU模塊選用CPU 313C-2 DP。本方案選用CPU313C-2DP作為系統(tǒng)的控制器，能夠充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。為了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加清晰，本方案選用ET200M作為遠(yuǎn)程分布式I/O。它主要特點(diǎn)就是將遠(yuǎn)程的I/O （包括模擬量）通過通訊線傳給主機(jī)，這樣節(jié)省了大量的信號電纜，使得結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)。

3.2 變頻器選型

本系統(tǒng)選用的變頻器是西門子公司生產(chǎn)的MM440變頻器。S7-300PLC通過PROFIBUS現(xiàn)場總線通信修改變頻器的參數(shù)實(shí)際上就是S7-300PLC和MM440變頻器的現(xiàn)場總線通信。MM440變頻器既支持和主站的周期性數(shù)據(jù)通信，也支持和主站的非周期性的數(shù)據(jù)通信。

3.3 通信方式選擇

本系統(tǒng)中，PLC與遠(yuǎn)程分布式I/O、變頻器之間采用Profibus-DP現(xiàn)場總線通信方式。上位機(jī)與PLC之間采用MPI通信方式。需要的硬件為Profibus電纜、Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)接頭、MPI編程電纜和變頻器上需要配置的Profibus-DP通信模塊。

圖2 系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

3.4 系統(tǒng)硬件配置

硬件配置組態(tài)就是在STEP7中對PLC控制方案中使用的硬件(模塊)進(jìn)行配置和參數(shù)設(shè)置，參數(shù)設(shè)置完成后，需要把以上硬件及其參數(shù)設(shè)置保存，并將它們下載到CPU中去。用到的PLC硬件電源模塊PS 307 5A、CPU模塊CPU313C-2DP、數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322、模擬量輸入模塊SM331、遠(yuǎn)程分布式I/O ET200M IM153-2、變頻器MM440、Profibus網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置CPU313C-2DP站地址為2，ET200M站地址為3，變頻器站地址分別為4、5、6、7。選擇Profibus網(wǎng)絡(luò)通信速率為1.5 Mbps。系統(tǒng)硬件組態(tài)圖如圖2所示。

4 結(jié)論

通過前期系統(tǒng)工藝過程熟悉、控制要求分析、控制方案選擇、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型、硬件連接及安裝調(diào)試，到測試結(jié)果分析，表明這一系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完全符合控制要求。多單元同步控制系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果表明, 該方案是成功有效的。不但可以節(jié)能降耗, 而且還極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和控制管理水平, 大大降低了設(shè)備成本和維修費(fèi)用, 有利于提高產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王永華主編．現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2003,9．

[2]史乃主編．電機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001,4．

[3]胡壽松主編．自動(dòng)控制原理(第4版)[M]．北京：科學(xué)出版社,2001．

[4]湯蘊(yùn)繆,史乃．電機(jī)學(xué)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005,1．

[5]王強(qiáng)華．國內(nèi)外印染機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢[J]．紡織導(dǎo)報(bào),2005,2：6-12．