基于車間聯網的化纖加彈機嵌入式控制系統

王劍浪，黃培軍，周青青，陳志偉

（浙江精功科技股份有限公司，浙江 紹興 312030）

1 控制系統概述

1.1 系統的總體設計結構

設該車間總共擁有N臺加彈機，車間的監控平臺由以太網的端口與車間內部的每臺加彈機相連，企業的總監控中心工作人員可以輸入相應的IP地址，訪問生產車間網站，觀察每臺化纖加彈機的運行情況，同時，可在上位機中對機器運行的相關工藝參數進行重新設置或調節，向下位機發出相關的指令。然后，下位機接收指令以后，立即執行任務。具體結構參見下圖1。

圖1 系統總體結構圖

1.2 網絡化可編程控制器

第一，該系統主要采用PEC4900的可編程式控制設備。這是當前一種先進的技術產品，融合了以太網、MB+高速總線、Profibus總線、ZigBee通信技術。主要具有以下優勢：其一，具有良好的開放性，支持EPA標準的高速以太網，還支持Modbus TCP/UDP的協議，可以兼容各類軟件。其二，具有極快的網絡通信速度極快。其三，支持RS485標準的Modbus協議，并且和第三方設備相連。其四，EPA，MB+Modbus、Profibus、ZigBee幾種網絡之間可以隨意組合，輕松達到無限點的自由組態。其五，可以最大化地確保系統的穩定運行。其六，編程軟件PLC支持功能模塊，可以根據網絡設備實際情況，統一編程，對設備進行分布式的控制。其七，通過模塊化的控制模式，每個模塊既能夠獨自完成工作，又能夠利用網絡技術，形成一個控制系統，帶有級大的靈活性。第二，本系統主要采用了PEC4900控制器，能夠有效地對機器運行的狀態加以控制，并且可以準確地算出所有的參數，便于快速讀取數據，例如溫度、轉速。此外，還能夠準確地讀寫設備中所有電機的運轉速度。同時，對于絲線的卷繞成型，也可以較好地控制重復，實現順利退繞。綜上所述，在以太網作用下，將控制器與上位機有機地連接起來，達到良好的通信效果，將采集的信息經以太網的端口，傳入上位機里。上位機發出的指命也由以太網傳進控制器中，控制器會按照相應的操作指令，控制車間中所有機器的運行。

2 系統的主要控制功能

2.1 溫度控制

在化纖加彈機嵌入式控制系統中，溫度控制是一項重要控制技術。對設備運轉中的溫度進行有效地控制，可以確保紡絲的質量。對于系統的溫度控制，主要通過AI05000模塊完成。第一，控制模塊的硬件連接。AI05000模塊總共有8路輸入與輸出的模擬量。這些模擬量輸入時需要連接鉑電阻的模塊，而輸出需要接到PEC4900。該模塊利用RS-485、PEC4900網絡化可編程控制器相連，將采集的溫度數據傳輸到PEC4900里。例如：每臺加彈機總共有十二節車，每節車皆設有單獨的熱箱，對本節車進行溫控。在每個熱箱中選擇兩點，做為控溫、測溫的節點。每個點需要裝設一個鉑電阻的模塊，測量溫度。這樣，一節車總共需要采集兩個輸入點溫度。則A側應當需要采集二十四次輸入點的溫度，總共要設置三個AI05000的溫控模塊。根據多點控溫的相關原理，可以對每節車運行中的溫度進行獨立控制，保持較高的溫控精度，進而達到均勻加熱絲線的目的。第二，溫度控制的計算方法分析?；贏I05000的PID溫控流程，既控制精度較高，又可以確保系統具有適宜的溫度。采用PID算法，完成多路控溫，用來實現對固體繼電器進行有效地控制，更好地控制熱箱的工作狀態，達到精確控制溫度的目的。此外，PID控制器還可以調節輸出，保證沒有偏差，使整個系統更加穩定。所謂的偏差，就是給定值和過程變量之差。依據PID的相關理論：關于輸出Mn的計算，主要通過微分項、比例項、積分項的函數關系式。其中，Mn代表第n采樣時刻的計算值；MPn代表對應的比例項；Min、MDn分別代表相對的積分項、微分項。這里的比例項為增益與偏差的乘積。CPU求比例項的公式為：（Ei－Ei-1），MPn代表對應的比例項值；P代表增益；Ei代表對應的偏差值；Ei-1代表偏差值。積分項Min是增益K與偏差的乘積；K決定對偏差的靈活程度；偏差是定值和過程變量之差。CPU求積分的計算公式如下：（SPn－PVn），其中，Min為積分項；K為增益；SPn為給定值；PVn為過程變量。MDn與增益值和偏差變化成正相關。CPU求微分項的公式為（Ei－ 2Ei-1＋Ei-2），其中，MDn代表對應的微分項值；K代表增益；Ei代表對應的偏差值；Ei-1代表前一次的偏差值；Ei-2代表前二次產生的偏差。

借助PID理論對溫度的調節，可得到相應的溫度變化曲線圖，最終使得溫度恢復到初始設定值，見圖2。

圖2 系統的溫度變化曲線圖

該系統的溫控功能，能夠實時性地對設備的運行溫度進行監測、控制。若溫度超時報警，則在電器柜上，會閃爍報警的紅燈。同時，人機界面屏也能夠觀察到溫度異常的熱箱。此外，溫控系統還能夠進行人工補償，讓實際工作中，所有熱箱的溫度值等于顯示值，以確保系統正常運行。

2.2 速度控制

該系統主要采用FC360變頻器與永磁電機實現對電機轉速的有效控制，讓機械設備處于恒定速度的拉絲狀態。這種變頻器具有良好的性能，一般能夠適合多種控制原理。如UIf電動機模式等。通常情況下，化纖加彈機在運行過程中，應達到以下標準；其一，保證機器運行過程中絲線具有恒定不變的張力，就是指每臺電機具有穩定的運轉速度。其二，關于絲線的卷繞成型，工作人員需要對動程進行修正，防止絲線的重疊，以實現順利退繞?；w加彈機嵌入式的控制系統，主要應用了先進的FC360變頻設備，以及永磁同步電機技術，確保電機的運轉速度、絲餅卷繞方面皆可達到規定的控制標準。

2.3 切絲斷絲控制

該系統內部安裝了單錠計長的裝置，用來對紡絲生產進行規劃與控制。在人機界面上設置分特數、卷繞重量、定重后切絲的延長時間等參數，界面屏上會顯示當前每錠紡絲的實際重量。在單錠生頭的時候，需要開啟機器的定時開關，若絲線達到事先設定的長度時，會亮起相應的落絲指示燈；如果過了一段時間，沒有發現落絲，則通過切絲器切斷原絲。若在紡絲期間產生了斷絲，切絲器會進行切斷。同時，確保定重的寄存器處于歸零狀態。

3 系統的通信監控技術

第一，聯網的化纖加彈機控制系統，采用主從式的通信構造，通過一臺PC機，控制很多嵌入的控制系統，PC機會自動發布控制指令或信息請求?？刂葡到y會接收上位機的信息并予以回應，按照具體要求返回指定信息。每個系統皆安裝和加彈機相匹配的設備ID，PC機與控制系統發布的信息皆帶有設備的ID信息，利用設備ID，可以辨別信息的來源與接收人。第二，嵌入式的人機界面，經過以太網端口，實現與上位機的有效通信，界面由以太網和可編程控制器相連，由RS-485、NCC2000計長板相連，采集運行設備的數據。通過DHMI界面的組態軟件，對系統的信息進行采集，并且形成報表，儲存于數據庫中。這樣，客戶或企業的管理者可以利用網絡技術，實時訪問監控的界面，進而掌握運行設備的實際狀況。由于ITC 1015共設三個網絡端口，其中兩個連PEC4900，另一個連監控器。如果IP地址發生了沖突，可設置網橋加以解決。此外，建立數據庫，可以將設備的產量、效率、班產量等信息儲存于人機界面，客戶在監控設備中，直接調取機器的工作報表，同時，依據其中內容，合理判斷機器的運行狀態，進而實現了車間的信息化管理。

4 結語

隨著科學技術的發展，加彈機的功能不斷增多，未來化纖加彈機還會朝著智能化方向發展。在日趨激烈的市場競爭中，唯有順利時代潮流的加彈機產品，才會占有較好的市場份額。本文的化纖加彈機，應用了嵌入式的控制系統，通過實踐應用表明：機器運行狀態平穩，各項控制性能良好，無論采集數據還是各類的生產報表，其測試的準確率皆達到100%。依據報表中對原絲與紡絲工藝的記錄展開分析，有效地解決了紡絲中的實際問題，取得了預期目標。