多單元同步控制系統硬件設計

許繼電源有限公司 古韶輝 張 勇

多單元同步控制系統硬件設計

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、紡織工業等自動化生產線中的關鍵技術。卷染機在運行過程中，張力和線速度的穩定程度，直接影響染整質量。因此，要保證系統運行過程中，張力和線速度保持恒定。本文主要論述了卷染機的多單元同步控制系統中的硬件部分。本系統采用PLC控制，收放卷和牽伸卷均采用變頻器驅動。PLC根據壓力傳感器和角位移傳感器反饋的信號，進行PID運算，并將運算結果送給變頻器，調整電動機轉速，從而達到恒張力和恒線速度的控制目標。該多單元同步控制系統有較好的穩定性，在實驗過程中達到了預期的效果。

同步；變頻器；恒速度；恒張力

1 引言

傳統的紡織印染工業是勞動密集型產業，裝備的自動化程度不高。因此，市場上迫切需求一種既經濟有效，又方便易維護的控制方法來控制卷染機的恒線速恒張力運行。本文以印染行業中的卷染機為例，來介紹多單元同步控制系統中的恒速恒張力問題。多單元同步控制系統投資成本高，不僅可以實現精確的同步控制，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強度，提高了工作效率。

2 控制系統總體方案

2.1 工藝概述

隨著卷染的進行，卷布輥直徑逐漸增大，放布輥直徑逐漸減小，要實現織物的恒線速卷染，卷布輥的轉速要求逐漸降低，并對卷布輥進行無級調速，在整個工作過程中，考慮其卷染工藝要求，必須保證布料在染液中不存在時間差，即保證布料的線速度恒定。

圖1 收卷系統示意圖

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

2.2 控制方案

對于收放卷和牽伸卷的拖動，國內較為傳統的卷染機大部分采用雙直流電機控制，只能達到近似的恒張力控制效果，而且直流電機多故障、短壽命、價格高、低速同步性能差。鑒于對動態性能、穩態速度精度要求不高，使用通用V/F控制變頻器來控制交流異步電機的方法，技術難度不高，控制方案簡單，而且比較經濟耐用。

本系統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，需要時刻計算收放卷電動機的直徑，再根據線速度和角速度的關系來改變收放卷電動機的角速度來實現系統的線速度恒定。如果控制兩個牽伸卷之間布匹的線速度恒定，那么整個系統的線速度也隨之恒定。兩個牽伸卷的直徑在系統整個運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。

對于系統的恒張力控制來說，如果兩個收放卷電動機設置為V/F控制方式，那么，在系統運行的過程中，收放卷電動機根據與牽伸電動機之間的壓力輥，測得的張力的大小，而不斷改變其轉速，從而使兩者之間的張力始終穩定在設定值，這樣就比較容易實現系統的恒張力運行。

為了達到控制要求，本系統以PLC作為控制器，以變頻器作為驅動器，PLC控制四臺變頻器的運行，來控制四臺三相異步電機的轉速。一臺變頻器對應一臺異步電動機，用來控制電機的加、減速運行。系統以PLC作為控制核心，根據外部的輸入信號，輸出相應的控制指令，以調節整個系統的穩定運行。系統采用兩個角度傳感器和兩個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，經過變送器傳送至PLC來進行調節控制，線速度由角度傳感器采集角位移信號來進行調節控制。PLC根據反饋信號進行程序運算處理，輸出相應的指令給四臺變頻器，進而控制電動機的速度；通過上位機PC可以監控系統的運行狀態，整個系統的網絡通信分為上位機PC與PLC控制器之間采用MPI通信、PLC控制器與四臺變頻器和分布式I/O之間采用PROFIBUSDP進行通信。

3 控制系統硬件設計

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作為系統的控制器，能夠充分實現系統的功能。為了系統的整體結構更加清晰，本方案選用ET200M作為遠程分布式I/O。它主要特點就是將遠程的I/O （包括模擬量）通過通訊線傳給主機，這樣節省了大量的信號電纜，使得結構清晰，便于維護。

3.2 變頻器選型

本系統選用的變頻器是西門子公司生產的MM440變頻器。S7-300PLC通過PROFIBUS現場總線通信修改變頻器的參數實際上就是S7-300PLC和MM440變頻器的現場總線通信。MM440變頻器既支持和主站的周期性數據通信，也支持和主站的非周期性的數據通信。

3.3 通信方式選擇

本系統中，PLC與遠程分布式I/O、變頻器之間采用Profibus-DP現場總線通信方式。上位機與PLC之間采用MPI通信方式。需要的硬件為Profibus電纜、Profibus-DP網絡接頭、MPI編程電纜和變頻器上需要配置的Profibus-DP通信模塊。

圖2 系統硬件組態圖

3.4 系統硬件配置

硬件配置組態就是在STEP7中對PLC控制方案中使用的硬件(模塊)進行配置和參數設置，參數設置完成后，需要把以上硬件及其參數設置保存，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、數字量輸入模塊SM321、數字量輸出模塊SM322、模擬量輸入模塊SM331、遠程分布式I/O ET200M IM153-2、變頻器MM440、Profibus網絡。設置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網絡通信速率為1.5 Mbps。系統硬件組態圖如圖2所示。

4 結論

通過前期系統工藝過程熟悉、控制要求分析、控制方案選擇、系統硬件設計及選型、硬件連接及安裝調試，到測試結果分析，表明這一系統的硬件設計完全符合控制要求。多單元同步控制系統的運行結果表明, 該方案是成功有效的。不但可以節能降耗, 而且還極大地提高了系統的可靠性和控制管理水平, 大大降低了設備成本和維修費用, 有利于提高產品的產量、質量和設備運行的經濟效益。

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