基于CANopen總線的四變頻粗紗機電控系統設計

施耐德電氣（中國）有限公司工業事業部 唐海麗 張俊杰 張壘/文

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產品開發

基于CANopen總線的四變頻粗紗機電控系統設計

施耐德電氣（中國）有限公司工業事業部 唐海麗 張俊杰 張壘/文

本文介紹了由施耐德M241 PLC和ATV71變頻器構成的四變頻粗紗機電控系統的架構，闡述了PLC通過CANopen總線控制四臺變頻器同步的原理和具體實現，以及失電受控同步停車的實現方法。

四變頻粗紗機；CANopen總線；變頻器同步控制；失電受控停步停車

粗紗機是一種紡紗設備，主要由牽伸機構、加捻機構、卷繞成形機構等組成。四變頻粗紗機是指牽伸機構的羅拉、加捻機構的錠翼、卷繞成形機構的筒管和龍筋四根軸分別由電機單獨傳動的新型粗紗機，并且四臺電機均由變頻器驅動。單獨傳動簡化了設備的機械機構，有利于提高運行速度和生產效率，但是四臺電機必須嚴格同步才能保證連續紡紗和紗線質量，尤其在機器啟動加速和停止減速階段，對電機同步的要求更高于常速生產階段。

此外，機器處于運行狀態時，若主電源的電網電壓不穩或者意外切斷導致停車時，要求四臺電機在失電的狀態下仍然保持同步并且斜坡減速停止，避免斷紗或冒頭，電源恢復重啟機器時紡紗能夠繼續，同時避免瞬間停止的機械沖擊，這就是“失電受控同步停車”。

本文針對四變頻粗紗機設計了基于CANopen總線的電控系統方案，系統架構為一臺施耐德M241 PLC通過CANopen總線控制四臺施耐德ATV71變頻器，主要依靠PLC程序來實現四臺變頻器同步控制和失電受控同步停車，經多個品種的紡紗測試和運行斷電測試，紡紗效果和失電受控同步停車效果均滿足要求。

1 電控系統方案

本文方案的架構如圖1所示。系統的控制器為施耐德M241 PLC，四臺電機的變頻器為施耐德ATV71變頻器，PLC通過CANoepn總線控制四臺變頻器。四臺電機軸均安裝了編碼器，編碼器信號反饋給ATV71變頻器的編碼器卡，變頻器設置為閉環控制模式。四臺變頻器采用共直流母線連接，通過整流橋直流供電。

2 方案實現

2.1CANopen PDO簡介

方案中PLC通過CANopen總線控制四臺變頻器，控制命令及數據采用CANopen協議的PDO傳輸。PDO即Process Data Object（過程數據對象），用以傳輸實時數據，數據從一個生產者傳到一個或多個消費者，數據傳送限制在1 到8個字節，通過映射將若干對象集成到一條消息幀的數據域內，PDO支持“同步-非循環”、“同步-循環”、“異步-制造商特定事件”、“異步-設備子協議特定事件”等傳輸方式。本文方案中PDO傳輸方式為“異步-設備子協議特定事件”。

2.2變頻器同步控制的實現

首先要根據粗紗紡紗工藝計算各變頻器的目標轉速，各軸目標轉速的計算方法如下：

1）錠翼：錠翼轉速代表生產速度，為設定值，單位為r/ min；

2）羅拉：羅拉轉速可根據設定的捻度和錠翼轉速計算；

3）筒管：對于管導型卷繞的粗紗機，筒管的轉速等于錠翼轉速與卷繞速度之和，卷繞速度可根據當前卷繞直徑和羅拉線速度計算；

4）龍筋：龍筋升降的線速度也可通過當前卷繞直徑、粗紗號數、羅拉吐紗線速度等參數計算。通過龍筋電機編碼器獲得龍筋實時位置，按照設定的升降動程和換向位置來確定龍筋電機的旋轉方向。

在上述計算中，當前卷繞直徑相當于當前粗紗卷裝的直徑，無法測量，可以根據粗紗圓柱形卷繞工藝用計算的方式來獲得。

控制四臺電機同步時，為了簡化程序，選擇錠翼作為主軸，其余三軸作為從軸，上述計算獲得的從軸的目標轉速轉換成對主軸速度的跟隨比例，這樣，編程時只需對錠翼變頻器給定轉速進行處理，其余三臺變頻器給定轉速就是錠翼給定轉速乘以相應的比例。

同步控制難度大的是機器啟動加速、停車減速動態過程中的同步控制，雖然變頻器內部也有加速時間、減速時間參數，但單純依靠協調設定各變頻器加速時間、減速時間并不能實現真正同步，并且不同車速下加速時間、減速時間都需要重新調整。

本文所述方案，摒棄了變頻器內部的加速時間、減速時間，將其設定為最小值，通過編程使PLC給變頻器的給定速度帶有加減速斜坡。以開車啟動為例，啟動后，錠翼變頻器的給定速度在設定的“啟動加速時間”內由0線性增加到目標轉速，其余三臺變頻器按照比例跟隨錠翼變頻器，亦呈斜坡加速狀態。

圖2為通過SoMachine的Trace工具捕捉到的啟動階段時各變頻器實際速度的變化曲線，四臺變頻器的轉速在設定的10s啟動加速時間內同步線性增加到各自的目標轉速。停車減速時同理，錠翼變頻器給定速度在設定的“停止減速時間”內由當前速度線性減小到0。

2.3失電受控同步停車的實現

本文方案中四臺變頻器采用共直流母線連接，并且通過整流橋直接直流供電，圖3為共直流母線連接示意圖，～380V即機器的進線動力電源，PLC M241配有UPS電源供電。

經試驗，不施加失電受控同步停車控制時，變頻器運行狀態下，切斷動力電源后，直流母線電壓快速下降，各變頻器處于失控狀態，因各自轉速、負載不同，無法同步停止，造成斷紗或冒頭。失電受控同步停車控制的關鍵是控制器PLC能夠獲知失電狀態并及時控制變頻器速度，本文方案的實現方法是PLC通過CANopen總線監測變頻器的直流母線電壓，失電發生時，PLC監測到直流母線電壓低于設定的閥值時，立即啟動變頻器給定速度特殊控制程序，由專用功能塊FB_AtvDecCurve根據實時直流母線電壓計算出變頻器速度變化曲線，主動調整變頻器轉速，使變頻器處于受控狀態。

圖4為FB_ AtvDecCurve功能塊，其輸入管腳i_wActSULN就是PLC監測到的直流母線電壓實時值，該數值來源于ATV71變頻器的SULN參數，SULN為由直流母線電壓折算的電源電壓，輸出管腳q_iFreqRefFlyer就是經過特殊處理后的錠翼變頻器給定速度。

圖5為錠翼轉速1000r/min時，切斷動力電源后，各變頻器的實際速度及SULN的變化曲線，失電后，直流母線電壓先小幅下降，隨即PLC啟動特殊控制程序，控制變頻器給定速度，拉升直流母線電壓并使其維持在一定范圍，各變頻器速度按照PLC的給定的減速斜坡同步減小至0，總的停車時間在3.5s以上。

3 結束語

本文設計的方案基于CANopen總線，系統架構簡潔，控制實時性強，可靠性高，通過PLC編程，對啟停階段變頻器給定速度進行特殊處理，保證同步效果，針對失電受控同步停車，設計變頻器共直流母線連接，PLC通過CANopen實時監測直流母線電壓，并根據其變化來控制變頻器轉速，實現真正的受控停車，不僅停車時間滿足要求，而且變頻器斜坡減速停車避免了快速停止時的機械沖擊。

［1］ 劉裕 陳人哲.紡織機械設計原理 上冊［M］.北京：紡織工業出版社，1982.

［2］ Schneider Electric. Modicon M241 可編程控制器編程指南［M］. 2014.

［3］ 陳長飛 楊煜普.基于變頻調速的粗紗機四電機系統設計［J］.自動化儀表，2006，（5）