1系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)功能

某型捻絲機(jī)的整個(gè)工藝過(guò)程共5臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

據(jù)工藝要求，整個(gè)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度能夠根據(jù)需要調(diào)整，而且要求各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間保持一定的比例，即各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)同步。所以，該捻絲機(jī)控制系統(tǒng)的核心功能就是控制設(shè)備中各個(gè)電機(jī)，使各電機(jī)根據(jù)工藝要求轉(zhuǎn)速間始終保持一定的比例同步運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)還要求具有邏輯控制、工藝參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試、成品長(zhǎng)度計(jì)米、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警處理等功能。

控制系統(tǒng)所要求的各種功能的實(shí)現(xiàn)方法如下：a.電機(jī)的控制。5臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以及速度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)都由PLC通過(guò)數(shù)字通信方式對(duì)變頻器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。電機(jī)的同步控制由PLC程序根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算，而后分別控制相應(yīng)的變頻器實(shí)現(xiàn)。

b.邏輯控制。系統(tǒng)的邏輯控制由PLC檢測(cè)設(shè)備的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、傳感器信號(hào)，把這些信號(hào)作為PLC程序中關(guān)于啟動(dòng)、停止、各種故障和工作狀態(tài)的條件觸點(diǎn)，用這些觸點(diǎn)設(shè)置梯形圖的觸發(fā)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

c.工藝參數(shù)設(shè)置。配置觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，各種工藝參數(shù)的設(shè)定、顯示都通過(guò)觸摸屏完成。

d.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障顯示。在觸摸屏上顯示各種狀態(tài)參數(shù)，包括電機(jī)飛輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；以及當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)的故障信息等。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如1所示，該捻絲機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

a.變頻器。5臺(tái)變頻器采用西門(mén)子MICROMASTER440通用型變頻器，完成對(duì)5臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。每個(gè)變頻器配備PROFIBUS總線(xiàn)接口模塊。MICROMASTER440是西門(mén)子公司第4代高性能矢量變頻器

，具有豐富的控制方式和功能，利用它提供的低速高轉(zhuǎn)矩輸出來(lái)保證五臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的同步性。

b.控制器。系統(tǒng)中控制器采用SIMENSES7300

系列PLC.PLC系統(tǒng)的配置為：CPU為帶有DP總線(xiàn)接口的CPU3152DP，它具有PROFIBUS和MPI2種網(wǎng)絡(luò)通信方式，分別用來(lái)與變頻器和觸摸屏進(jìn)行通信；電源模塊為PS307；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用2個(gè)SM321輸入模塊，共64個(gè)輸入點(diǎn)；1個(gè)32點(diǎn)輸出模塊SM322，它輸出到中間繼電器，由中間繼電器控制電機(jī)接觸器。采用高速計(jì)數(shù)功能模塊FM350實(shí)現(xiàn)鋼絲長(zhǎng)度的脈沖計(jì)米功能。觸摸屏選用性?xún)r(jià)比高的TP170B.

c.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

。系統(tǒng)采用PROFIBUS總線(xiàn)通信技術(shù)將PLC和5個(gè)變頻器組成一個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，采用主從結(jié)構(gòu)PROFIBUSDP方式，它是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速通信連接方式，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)型，通訊速率為1.5Mbit/s.PLC作為主站是控制系統(tǒng)的核心，各個(gè)變頻器作為從站控制變頻調(diào)速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂葡到y(tǒng)以液晶觸摸屏作為人機(jī)交互界面，觸摸屏與PLC的通過(guò)MPI總線(xiàn)方式進(jìn)行通信連接，完成工藝參數(shù)的設(shè)定。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)和編程軟件STEP7對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和軟件編程。

2.1硬件組態(tài)及通訊設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成，如2所示，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)：變頻器與總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)定義為參數(shù)過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象"（PPO）的數(shù)據(jù)完成，PPO的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由2部分組成：參數(shù)區(qū)域PKW；過(guò)程數(shù)據(jù)區(qū)域PZD.本系統(tǒng)中定義各個(gè)變頻器與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)為PPO型1的方式，即PKW為4個(gè)字，PPO區(qū)為2個(gè)字。

2系統(tǒng)硬件組態(tài)另外，在變頻器上設(shè)置主要參數(shù)：P003=3（參數(shù)訪(fǎng)問(wèn)等級(jí)）；P1080=0（最低頻率）；P1082=110（最高頻率）；P0700=6（變頻器命令源于通訊）；P1000=6（變頻器工作頻率源于通訊）；P0719=50（通訊參數(shù)）；P0918=37（變頻器從站地址號(hào)）.

通過(guò)以上的設(shè)定，各個(gè)變頻器就可以與PLC建立通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通訊方式設(shè)定如3所示。

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。程序由主程序OB1和功能FC以及數(shù)據(jù)模塊DB構(gòu)成。在主程序OB1中依次調(diào)用各功能模塊FC，完成對(duì)系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)模塊DB1中為系統(tǒng)運(yùn)行所需的各參數(shù)；另外建立5個(gè)數(shù)據(jù)模塊DB3DB7對(duì)應(yīng)5臺(tái)變頻器，在DB3DB7中設(shè)置5臺(tái)變頻器的相關(guān)參數(shù)。

程序運(yùn)行時(shí)，先判斷系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)不同狀態(tài)執(zhí)行不同的動(dòng)作。對(duì)電機(jī)控制時(shí)，首先根據(jù)狀態(tài)計(jì)算各個(gè)電機(jī)的給定速度，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換把速度轉(zhuǎn)換成頻率形式，然后調(diào)用功能模塊FC40FC44分別完成對(duì)5臺(tái)電機(jī)的控制。其中的重要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)的通訊操作，程序中是通過(guò)系統(tǒng)功能模塊：讀總線(xiàn)（SFC15）和寫(xiě)總線(xiàn)（SFC14）實(shí)現(xiàn)的。

2.3電機(jī)同步控制

本控制系統(tǒng)的核心功能為如何保證5臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行同步，即啟動(dòng)、停止和調(diào)速過(guò)程中各電機(jī)帶動(dòng)各自飛輪旋轉(zhuǎn)，各飛輪旋轉(zhuǎn)速度之間根據(jù)工藝要求始終要保持某一的比例關(guān)系。因?yàn)樵撃斫z機(jī)中各個(gè)電機(jī)的功率各不相同，且相差很大。其中，電機(jī)1為18.5kW；電機(jī)2為11kW；電機(jī)3為5.5kW；另外2個(gè)電機(jī)為1.5kW.如果只是通過(guò)設(shè)定各個(gè)變頻器相同的啟動(dòng)上升時(shí)間和停止下降時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)同步，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，是很難達(dá)到實(shí)現(xiàn)的。這主要是由于各個(gè)電機(jī)負(fù)載的不同以及各個(gè)變頻器性能的差別。為此，本系統(tǒng)提出了采用小步長(zhǎng)來(lái)增加或減少頻率值以實(shí)現(xiàn)同步性要求。

以電機(jī)1和電機(jī)2的啟動(dòng)過(guò)程為例來(lái)說(shuō)明：如要求啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間為30s，啟動(dòng)完成后穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)1飛輪速度為4500r/min，電機(jī)2的飛輪速度為10000r/min，對(duì)應(yīng)的電機(jī)1變頻器和電機(jī)2變頻器所輸出交流電壓的頻率值分別為54Hz，100Hz.取步數(shù)1000步，則每一步對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.03s.

電機(jī)1每一步的步長(zhǎng)就為54Hz/1000=0.054Hz，電機(jī)2每步步長(zhǎng)為0.1Hz，每0.03s兩電機(jī)飛輪同時(shí)增長(zhǎng)1個(gè)步長(zhǎng)，電機(jī)1飛輪和電機(jī)2飛輪轉(zhuǎn)速每步分別增長(zhǎng)4.5r/min，10r/min.每臺(tái)電機(jī)的變頻器都同時(shí)以與速度比相對(duì)應(yīng)的小步長(zhǎng)增加輸出電壓的頻率值，通過(guò)以等步數(shù)和小步幅逐步同時(shí)增加5臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到了啟動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)行同步。

電機(jī)停止過(guò)程中同步控制采用同樣的方法。

3結(jié)語(yǔ)

采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制，與傳統(tǒng)方式相比，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，可靠、高效等特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠，能完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的功能和精度要求。設(shè)備中各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常準(zhǔn)確和可靠，同步性非常好，沒(méi)有發(fā)生過(guò)受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾等故障現(xiàn)象，充分說(shuō)明了利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)準(zhǔn)確控制多臺(tái)電機(jī)非常方便，對(duì)同類(lèi)設(shè)備的控制具有借鑒意義。

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