PLC和變頻器在碳化線驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉向東

(蘭州藍(lán)星纖維有限公司，蘭州 730060)

碳纖維碳化線驅(qū)動系統(tǒng)由多級驅(qū)動輥筒組成，原絲通過驅(qū)動牽引，從放絲依次經(jīng)氧化、碳化及表面處理等工序后進(jìn)行收絲。各級驅(qū)動的同步性、速度精度和可靠性是安全生產(chǎn)和保證碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

為了保證驅(qū)動系統(tǒng)滿足碳化線的要求，筆者選用西門子PLC和倫茨變頻器對各驅(qū)動電機(jī)進(jìn)

行控制。

1 工藝流程①

碳化線總長度為300m，共有46級獨(dú)立驅(qū)動電機(jī)，其流程如圖1所示，驅(qū)動電機(jī)功率為1.5～7.5kW，驅(qū)動輥直徑300～400mm，驅(qū)動張力20kN，線速度可調(diào)范圍2～12m/min，線速度控制精度±0.05%。

圖1 碳化線生產(chǎn)流程簡圖

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用上位機(jī)、PLC、分布式I/O從站、HMI和現(xiàn)場設(shè)備組成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)配備了高性能工控機(jī)，采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計整個電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控、管理及報表處理等控制功能，如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)簡圖

采用S7-300PLC作為控制系統(tǒng)的控制單元，德國倫茨公司的Lenze9300系列高性能變頻器進(jìn)行驅(qū)動控制。S7-300 315-2 PN/DP作為系統(tǒng)的控制主站，完成全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信與交換功能。PLC主站完成放絲和氧化部分的驅(qū)動與輔助控制，采用通信方式控制ET200M分布式I/O從站(碳化和后處理部分)。

系統(tǒng)設(shè)計采用3臺觸摸屏，分別布置在生產(chǎn)線的前部、中部和后部，對各自工段所屬設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。觸摸屏選用西門子15英寸(1英寸=2.54cm)HMI。

變頻器供電系統(tǒng)采用共直流母線技術(shù)，利用Lenze 9340能量回饋單元組成共直流母線系統(tǒng)(圖3)，對各個變頻器單元并聯(lián)供電。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，Lenze 9340可以向電網(wǎng)回饋電能，節(jié)約了設(shè)備的運(yùn)行成本，同時也對變頻器運(yùn)行的可靠性和壽命都有一定提高。

2.1 中控室

中控室配有一臺研華工控機(jī)(160GB硬盤、1GB內(nèi)存、2.8GHz CPU、光驅(qū)、聲卡、網(wǎng)卡及USB接口等)，一臺220V的UPS電源，19英寸液晶顯示器一臺和組態(tài)軟件WinCC，另配激光打印機(jī)一臺。通過PC機(jī)的組態(tài)畫面，完成各驅(qū)動裝置參數(shù)的設(shè)定和監(jiān)控，包括變頻器給定值、變頻器同步工作模式、現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際線速度顯示、變頻器的啟/?？刂埔约皵?shù)據(jù)的記錄和報警。

工控機(jī)采用以太網(wǎng)與PLC和生產(chǎn)線的觸摸屏進(jìn)行通信，中控室的位置盡量靠近生產(chǎn)工段，以使控制系統(tǒng)的監(jiān)控通信效果最佳。

2.2 氧化爐和放絲裝置的電氣控制

氧化爐放絲工段的總功率96kW，在氧化爐和放絲工段設(shè)置有低壓配電室一間，內(nèi)裝GGD開關(guān)柜7面。1#開關(guān)柜安裝進(jìn)線總開關(guān)、PLCS7-300、ET200M和分路開關(guān)；2#開關(guān)柜安裝有Lenze 9326變頻器一臺、Lenze9325變頻器5臺、Lenze 9343能量回饋單元兩臺；3#～7#開關(guān)柜各自都分別安裝有8臺Lenze9323變頻器和Lenze9343能量回饋單元一臺。其中，1#和2#開關(guān)柜的控制原理如圖4所示；3#～7#開關(guān)柜的控制原理如圖5所示。

圖3 帶Lenze 9340能量回饋單元的直流母線并聯(lián)供電簡圖

圖4 1#和2#開關(guān)柜控制原理

交流三相380V電源進(jìn)線到車間配電室之后，由斷路器控制能量回饋單元，給各個變頻器提供電壓為400V的直流電源，以驅(qū)動各個變頻器的電機(jī)，電機(jī)的速度則是由控制器調(diào)節(jié)的。每臺電機(jī)裝有一臺編碼器，將電機(jī)的運(yùn)行速度信號反饋給變頻器形成閉環(huán)控制(原理圖中未畫出)，以達(dá)到速度平穩(wěn)運(yùn)行和速度高精度運(yùn)行的要求。

圖5 3#～7#開關(guān)柜控制原理

系統(tǒng)中PLC通過內(nèi)部CPU的運(yùn)算來比較各控制單元的運(yùn)行速度是否正常，如果不正常則自動進(jìn)行調(diào)節(jié)或發(fā)出報警信號，同時各控制單元的變頻器向下一控制單元的變頻器發(fā)出脈沖信號，控制下一單元的變頻器對電機(jī)進(jìn)行速度控制和精度控制。變頻器的主從控制原理如圖6所示，編碼器X8信號接口的接線如圖7所示，主從變頻

器控制X9、X10的信號接口接線如圖8所示。

圖6 變頻器主從控制原理

圖7 編碼器信號接口(X8)接線

圖8 主從變頻器控制信號(X9、X10)接口接線

2.3 碳化與后處理

碳化與后處理工段的總功率為72.5kW，該工段設(shè)置有4臺五輥驅(qū)動裝置并設(shè)有低壓配電室一間，其位置應(yīng)盡量靠近生產(chǎn)設(shè)備(原因是編碼器的信號傳輸距離有限)，配電室內(nèi)裝有GGD開關(guān)柜5面，其工作原理如圖9所示。1#開關(guān)柜內(nèi)裝有總開關(guān)、整流器電源開關(guān)和循環(huán)泵的電源開關(guān)；2#開關(guān)柜內(nèi)裝有供整流系統(tǒng)用的Lenze9341回饋單元一臺和Lenze9322變頻器6臺；3#開關(guān)柜內(nèi)裝有供4臺三輥驅(qū)動裝置(圖10)用的Lenze9343回饋單元兩臺和Lenze9326變頻器4臺；4#開關(guān)柜內(nèi)裝有供清洗系統(tǒng)(圖11)用的Lenze9341回饋單元一臺、Lenze9322變頻器6臺；5#開關(guān)柜內(nèi)裝有供上漿系統(tǒng)用的Lenze9341回饋單元一臺、Lenze9322變頻器兩臺。

圖9 控制柜原理

圖10 三輥驅(qū)動控制原理

除上述系統(tǒng)和設(shè)備之外，碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)有西門子公司的15英寸觸摸屏3臺和觸摸屏操作柱3臺，以方便現(xiàn)場監(jiān)視和操作。碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)場的主要電氣設(shè)備匯總于表1。

表1 主要電氣設(shè)備一覽表

圖11 清洗系統(tǒng)控制原理

3 結(jié)束語

基于PLC、變頻器和WinCC的碳纖維碳化線驅(qū)動系統(tǒng)投入生產(chǎn)后，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，各級驅(qū)動的同步性、速度調(diào)節(jié)精度和可靠性都滿足了生產(chǎn)要求，保證了裝置的安穩(wěn)長優(yōu)運(yùn)行要求，為提高碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量提供了有力的保障。