艾默生PLC與變頻器在化纖柔性生產(chǎn)線上的應(yīng)用
前言
相對以往化纖專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備來說，現(xiàn)在的設(shè)計思想中越來越多的引入了“柔性生產(chǎn)”這一概念，柔性生產(chǎn)線具有配置簡單，自動化程度高，可程序化和重新配置的優(yōu)點(diǎn)，而被廣大用戶所采用。
在化纖柔性生產(chǎn)線中，擠出機(jī)是整個設(shè)備的重要部分，而后續(xù)各卷繞部分的速度同步才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。系統(tǒng)中多電機(jī)速度同步精度的高低，直接影響著化纖絲成品的質(zhì)量。
在以前的此類生產(chǎn)線中，大多數(shù)采用在各輥上安裝現(xiàn)場操作箱，根據(jù)實(shí)際情況人為調(diào)整速度的方法進(jìn)行控制。這種方案存在如下缺點(diǎn)：（1）不便于數(shù)據(jù)的集中管理；（2）需要根據(jù)各個速度，手工計算牽伸比；（3）實(shí)際速度不滿足要求，需要再循環(huán)跑到各個區(qū)域去調(diào)節(jié)，操作非常麻煩；（4）廢品率偏高。
針對上述問題，此次設(shè)計中，在理念上采用集中控制與分散控制相結(jié)合的方式，將觸摸屏與PLC作為控制的核心。觸摸屏設(shè)置配方數(shù)據(jù)，PLC直接計算牽伸比，通訊控制變頻器速度。集中的操控人機(jī)界面，并在各輥上安裝現(xiàn)場操作箱，既能在觸摸屏上進(jìn)行所有的控制，又能在現(xiàn)場進(jìn)行整個系統(tǒng)的操作。
通訊的應(yīng)用是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的一大主題，用通訊方式設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，能有效的避免硬件故障帶來的整個系統(tǒng)的損失。
2系統(tǒng)簡介
工藝流程如圖1所示。
化纖柔性生產(chǎn)線是化纖絲生產(chǎn)中的一種重要的生產(chǎn)線，它的結(jié)構(gòu)包括擠出機(jī)，計量泵，分絲盤，水箱，牽伸輥機(jī)（包括加熱和不加熱），導(dǎo)輪，冷卻箱，力矩輥機(jī)和收絲機(jī)。在加工時，將化纖顆粒放入擠出機(jī)漏斗，經(jīng)過擠出機(jī)加熱擠出并在分絲盤將化纖溶體分成幾百束的初級化纖絲后經(jīng)水冷卻，然后將化纖絲幾十根為一把經(jīng)過導(dǎo)輪纏繞在各牽伸輥機(jī)上逐級拉伸后變成很細(xì)的化纖絲成品卷繞在收線盤上。從最初的化纖絲到成品之間化纖絲的初細(xì)就靠各輥機(jī)運(yùn)行速度的逐漸加快來確定，具體的快慢由牽伸比設(shè)定，不同的產(chǎn)品牽伸比不同。
本系統(tǒng)在設(shè)計時充分考慮了操作的簡易性，只需要設(shè)定其中的主速度，通過牽伸比就可以把各級的速度分別計算出來，在調(diào)節(jié)速度時，各級的牽伸比也會自動計算出來，并進(jìn)行自動保存。
現(xiàn)場操作時，在各級上有一現(xiàn)場操作箱，可以進(jìn)行速度同升同降，單獨(dú)啟動、停止，聯(lián)動啟動、停止和緊急停止功能，另外在4熱七輥機(jī)和8熱五輥機(jī)的兩個操作箱上還裝有兩個線速表，用以顯示當(dāng)前的線速度，便于現(xiàn)場調(diào)節(jié)。集中監(jiān)控時，將控制柜上的選擇開關(guān)撥到觸摸屏端，即可用觸摸屏進(jìn)行啟停操作，但不管集中控制還分散控制，都可在觸摸屏上設(shè)定數(shù)據(jù)和顯示當(dāng)前頻率和電流。
3硬件設(shè)計
本系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、變頻器、測速編碼器以及其它一些輔助元器件組成。整個系統(tǒng)通過通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，運(yùn)行可靠。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模塊，外帶一個16點(diǎn)的EC20-1600ENN輸入擴(kuò)展模塊。
EC20 PLC是艾默生小型PLC的最高端產(chǎn)品，它具有高可靠性、高響應(yīng)性，強(qiáng)勁的通訊功能，豐富的指令集等，其中程序容量可達(dá)到12K步，而基本指令時間才0.09μs。它的板件經(jīng)過了嚴(yán)格的三防處理，工作電壓AC85~280V，具有卓越的抗干擾性，是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保證。最重要的是它自帶了一個RS485/RS232的通訊接口，有豐富的通訊指令，使得和外部設(shè)備通訊變得更為簡潔方便。
由于各牽伸輥機(jī)對速度要求非常高，所以各牽伸輥機(jī)的變頻器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7臺TD3000變頻器，并且3五輥機(jī)、4熱七輥機(jī)、6熱七輥機(jī)、8熱五輥機(jī)、9熱七輥機(jī)和11七輥機(jī)都增加測速編碼器以保證設(shè)備對速度精度的要求。12收線機(jī)由于設(shè)備對速度要求不是那么嚴(yán)格，所以采用了不帶測速編碼器的TD3000變頻器。
TD3000變頻器是艾默生公司高性能的矢量控制型變頻器，可以加測速編碼器組成速度閉環(huán)控制，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。具有自動調(diào)諧、零伺服控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制在線切換、編碼器斷線檢測、能進(jìn)行參數(shù)考貝等多種功能，并有RS485自由通訊接口，完全可以滿足系統(tǒng)的要求。計量泵采用的是兩臺艾默生EV1000通用型變頻器。
監(jiān)控人機(jī)界面采用10.4寸觸摸屏，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和設(shè)定，直觀可靠。
在整個系統(tǒng)中，PLC是控制中心，它可以獨(dú)立完成整個控制過程，在觸摸屏發(fā)生故障時，仍然可以通過現(xiàn)場操作箱進(jìn)行控制而不影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。
系統(tǒng)主控制部分如圖2所示
圖2 電氣主控制原理圖
系統(tǒng)PLC控制部分如圖3所示。
圖3 PLC電氣原理圖
4軟件編程
本系統(tǒng)用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，編程簡單，性能穩(wěn)定。觸摸屏主要操控畫面如圖4、圖5所示。
圖4 觸摸屏主顯示畫面
圖5 參數(shù)設(shè)定畫面
“觸摸屏主顯示畫面”是操作員經(jīng)常需要查看的畫面，主要用于顯示計量泵1、2和各牽伸輥機(jī)的運(yùn)行頻率和電流以及它們當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，同時還顯示主令速度和收線的長度。它是只監(jiān)測當(dāng)前的運(yùn)行情況，并不能進(jìn)行設(shè)定。在畫面上部設(shè)置了各個命令按鈕，點(diǎn)擊它們查詢相應(yīng)的狀態(tài)或進(jìn)行相應(yīng)的操作。在上面點(diǎn)擊“牽伸比”可以進(jìn)入如圖4畫面，它是用戶調(diào)試時的主要操作畫面，調(diào)機(jī)時，用戶先設(shè)定各牽伸輥機(jī)的線速度，然后點(diǎn)擊“確認(rèn)”計算出各級牽伸比和主牽伸比，確定好牽伸比后，只需調(diào)節(jié)主令速度，就可以根據(jù)牽伸比自動設(shè)定各輥機(jī)的運(yùn)行速度，達(dá)到速度同升同降的目的。同時在操作箱上撥動“速度升/降”開關(guān)也可以起到同升同降的目的。“最大限速”主要是為了防止操作不當(dāng)而作的一個保護(hù)措施。PLC作為觸摸屏的下位機(jī)，承擔(dān)了數(shù)據(jù)的傳送和處理工作，它和變頻器之間通過通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和設(shè)定，其網(wǎng)絡(luò)組成如圖6所示。
圖6 PLC和變頻器通訊網(wǎng)絡(luò)通訊組成圖
在構(gòu)成此網(wǎng)絡(luò)時，由于EV1000和TD3000變頻器的通訊協(xié)議不一致，所以只能采取自由通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。EC20 PLC作為控制主站，在系統(tǒng)中具有絕對的控制權(quán)，它主動給變頻器發(fā)送指令，主動接收變頻器的反饋數(shù)據(jù)。在這里，我們將EC20自帶的COM1口作為RS485通訊口和變頻器通訊，COM0口用于和觸摸屏通訊，設(shè)置為MODBUS協(xié)議，下面就將艾默生PLC和變頻器之間的通訊作簡單介紹。
設(shè)備之間的通訊不但要有相應(yīng)的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太網(wǎng)口等，還需要有相應(yīng)軟件支持，也就是通訊協(xié)議，本系統(tǒng)使用RS485接口和自由口通訊協(xié)議。RS485通訊可以理論上可以連接128臺設(shè)備，通訊距離可以達(dá)到
下面是通訊程序的設(shè)計：在寫程序之前我們必須設(shè)定串口參數(shù)，比如波特率，數(shù)據(jù)位，啟始位，停止位以及奇偶校驗，這里設(shè)定波特率=9600 ，數(shù)據(jù)位=8 ，啟始位不用設(shè)，停止位=1，奇偶校驗=不校驗。具體參數(shù)設(shè)置如圖7所示。
圖7 艾默生PLC通訊參數(shù)設(shè)置
設(shè)定了這些參數(shù)以后，我們就可以編寫通訊程序了，此程序比較長，我這里就不作詳細(xì)解說，僅列舉TD3000變頻器頻率設(shè)定和電流讀取子程序供大家參考，具體數(shù)據(jù)讀寫請參考艾默生EV1000和TD3000自由口通訊協(xié)議。
入口參數(shù)：addr , freq_set
出口參數(shù)：end , freq
//設(shè)定頻率，讀取電流,使用長幀讀取功能參數(shù)FF.05
//初始化短幀，幀頭為02
LD SM0
MOV 16#2 V3
MOV #addr V4
MOV 16#
MOV 16#5 V6
MOV 16#0 V7
MOV 16#0 V8
MOV 16#44 V9
MOV 16#
MOV #freq_set K
MOV K
MOV K
MOV 0 Z0
MOV 0 V13
//異或校驗
LD SM0
FOR 9
LD SM0
WXOR V13 V4Z0 V13
LD SM0
INC Z0
NEXT
//發(fā)送和接收
LD SM0
MPS
ANI SM122
XMT 1 V3 11
RCV 1 D7000 11
MRD
AND SM123
MOV D7004 K
MOV D7005 K
MOV K
MPP
AND SM123
SET #end
//發(fā)送完后，將完成標(biāo)志位END置ON
此段程序為TD3000變頻器設(shè)定頻率和讀電流的子程序，EV1000的通信程序可以根據(jù)它的通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)計。下面介紹變頻器的參數(shù)設(shè)定，由于總共有九臺變頻器需要通信，所以我們將變頻器的地址分別設(shè)為10到18，具體通訊參數(shù)TD3000在F9組里面進(jìn)行設(shè)定，EV1000在FF組里進(jìn)行設(shè)定，除了設(shè)定通訊參數(shù)外，還有編碼器，摸擬量設(shè)置等參數(shù)，設(shè)定如下：
TD3000變頻器 通訊參數(shù) F9.00
編碼器參數(shù) Fb.00 1024
啟停參數(shù) F
模擬量參數(shù) F6.08
EV1000變頻器 通訊參數(shù) FF.00 0005 FF.01 10-11
啟停參數(shù) F0.00
此程序中，除了需要給變頻器設(shè)定頻率外，我們還要讀取變頻器的當(dāng)前電流和故障狀態(tài)，以反應(yīng)當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀況，另外還有參數(shù)計算，系統(tǒng)啟停，故障報警等程序，這里不一一贅述。
5結(jié)束語
此化纖柔性生產(chǎn)線自運(yùn)行以來，達(dá)到如下效果：
（1）優(yōu)秀的同步速度精度，使產(chǎn)品廢品率明顯降低。
（2）完善的集中控制，大幅降低工人的勞動強(qiáng)度。
（3）設(shè)備速度從以前設(shè)備的
（4）生產(chǎn)過程的參數(shù)完整記錄，為質(zhì)量追溯提供了依據(jù)。
以上效果等到了用戶的高度評價。
從本次的實(shí)際應(yīng)用來看，艾默生公司高性能矢量變頻器TD3000較高的速度精度與EC20系列PLC的強(qiáng)大的通信能力，完全可以為化纖行業(yè)提供高穩(wěn)定性、高可靠性、高度自動化和高效率的系統(tǒng)性解決方案。
通訊越來越多地走進(jìn)了現(xiàn)代控制領(lǐng)域，它直接引領(lǐng)著傳統(tǒng)工控設(shè)計理念的變革。大到成千上萬點(diǎn)的監(jiān)控系控，小到單臺設(shè)備，無處不見通訊的身影，它以快捷的硬件組態(tài)和高效率的運(yùn)行獲得了很多工控專家的支持。艾默生EC系列小型PLC增加了一個通訊接口和很多強(qiáng)勁實(shí)用的通訊功能，是當(dāng)前小型PLC的發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
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[4] 艾默生公司．EC系列小型可編程控制器編程手冊．
[5] M2I公司．TOP系列觸摸屏編程手冊．
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