西门子PLC模块6ES7517-3AP00-0AB0
本文介绍新型高速並條機的工艺自动化设计原理。项目由DELTA人机界面、ES系列可编程序控制器、A系列伺服系统和E系列变频器构成的一套经济成熟的控制系统。项目已经纺机厂并条机成功应用。
关键字：并条机 系统集成 HMIPLC 变频器
1 引言
棉紡工程中的并条过程是现代纺纱技术提升纺纱质量的关键工艺。并条工艺输入的原料是来自前端梳棉工艺段的具有纱条初级形态的“生条”，并条工艺成品是经过并和、牵引、混合、成条四项工艺处理过的“熟条”。“熟条”通常经过盘条后由送交后端粗纱机。机电一体化并条机的关鍵技术是解决并条速度与并条质量的矛盾，又好又快的加工“生条”。
本项目研发的自动化高速並條机主要应用于76mm以下精梳、普梳棉、化纤和混纺工艺的併合牽伸，以提高棉條長片段均勻度及纤维的伸直平行，使不同品質的纤維在棉條中的混合更均勻。一般用于精梳机后一道工序，具有較好的熟條質量，尤其是表现在降低重量不勻率，改善条干CV（混合均匀度）值等方面均有明显效果，其質量指標達到或者优于相關国标要求，对后续粗纱机、细纱机与自动络筒机的成纱品质带来很大帮助。
2 工艺原理
并条工艺简要概括为并和、牵引、混合、成条4项功能。由于梳棉机生产的生条不匀率很大,纤维排列紊乱,直接纺成细纱质量很差,通过上述步骤有效改善条干均匀度即纤维状态。
并合。将6-8根棉条并合喂入并條机制成一根棉条
牵伸。将棉条拉长拉细到原来程度同时改变纤维状态,可以有效地控制熟条定量
混合。用反复混合的方法进一步实现单纤维的混合,保证棉条的成分均匀,稳定成纱质量
成条。将制成棉条利用圈条盘有规则地放在棉条桶内,便于搬运,供下道工序使用
3 项目设计
3.1设计概述
目前国产新型高速並條機設計速度一般在600-800m／min或以上，實開車速度多在360-420m／min,国产新型高速並條機目前大多为双眼出条，少数采用单眼结构但是多用于配置瑞士乌斯特自调匀整系统的机型。新型高速并条机做了较大电气的变化，取消了原来一些机械结构，使用大量的电气控制，使机器性能大幅提高，新型高速并条机外观如图1所示。
3.2设计项目
双眼输出；适纺纤维22－76mm；高机械速度800m／min；采用开环控制的自调匀整系统，实现短片段的自调匀整，可改善棉条的不匀率和条干CV％值，加工出优质纱条；大量采用同步带传动，实现“无间隙”传动，噪声低，稳定牵伸，降低出条不匀；左右眼除自动换筒外其余均单独传动，可消除对牵伸传动的干扰；三上三下附导向皮辊压力棒双区曲线牵伸，上清洁采用回转绒布带或浮动金属棒、下清洁采用往复摆动式丁腈刮圈清洁装置；加压有气动加压和弹簧加压两种方式由用户选用，气体加压压力可调节；运用了可编程序控制器（PLC）、触摸屏显示、变频调速等技术，预留中央网络接口，可实现故障远程诊断；主电机变频调速，可实现平稳启动，加减速时间可调，自选佳起动状态；液晶触摸屏显示实现人机对话，有中英文两种方式任选；加压摇架起落由气缸完成，按钮操作，圈条、前区、后区和导条四大张力牵伸均可实现多级调节，且无键连接，提高了适纺性能；吸风、上、下各由单独气管与吸棉箱联接，棉箱内自动拨落棉，保持吸风均匀，不会因落棉积聚过厚而影响吸风效果；具备自动剥棉、自动释压、自动换筒、自动润滑等功能，免去工艺变换轮，维护操作简单方便；自动换筒设有积极式断条机构，功能可靠；关键零件加工工艺**，采用高精度是高质量熟条的保证；产品外型新颖美观。
图1新型高速并条机
一、前言：
悬挂链输送线是根据用户合理的工艺线路，以理想的速度实现车间内部、车间与车间之间连续输送物品达到自动化、半自动化流水线作业的理想设备。可在三维空间作任意布置，能起到空中储存作用，节省地面使用场地，悬挂输送链以其输送距离远,运行速度范围大和转弯、爬越、布置灵活等优点而广泛应用于喷涂、烘干、表面清洗、电镀、装配和产品传输转运等领域.
链条是输送机链的牵引部件，普通悬挂输送链有两种型式的链条，即模锻可拆链和冲压可拆链，以上两种形式链条除了作直线运动外，均能在水平方向、垂直方向任意回转, 相比之下, 模锻可拆链的吊挂能力较大。在输送链较长，并且重载和爬越高度大、转弯多等情况下,一般都分成几个部分，由二台或三台或者更多电机分别驱动。
在输送链分成几个部分时，在每一部分都有1对张紧伸缩节（正常时约7至10厘米长），如这一部分的链条的速度小于其它部分的速度，张紧伸缩节的距离会被压缩，如距离被压缩完后链条会在某一点发生堆积产生冗余进而造成输送链停车，反之，如这一部分的链条的速度大于其它部分的速度，它的距离会增大，如超过一定程度甚至链条会被拉断。因此，要保证输送链能正常工作，每一部分输送链的移动速度必须相同,也就是同步,否则各个电机在所承担的负荷畸轻畸重情况下速度差异很大,设备无法正常运行。
前不久,我们承接了这样一条输送链（模锻可拆链）驱动的设计制作,在这里谈一下PLC、变频器及POD触摸屏在悬挂输送链电机同步控制中的应用。
二、任务要求:
1.输送链长度560米,高运行速度6米/分.工作时间一星期七天,每天16小时, 工作环境温度0-40度。大吊挂重量100千克/80厘米, 整线大吊挂重量70吨。
2.输送链整线分成3个部分,由三台功率为3KW的电机分别驱动,要求3个部分的输送链要同步运行。
三、同步控制方案与论证
（一）方案
1.简单的把要控制的三个电机的功率加起来乘一个1.2到1.5之间的系数，以此数值选一变频器，用这一台变频器直接驱动三台电机。
2.用市面有售的同步控制器，用同步控制器发速度指令给三台变频器，每台变频器驱动一台电机。
3.用三台变频器，在一号电机上加PG卡及编码器（增量式A、B相，PC、12/15v 1024p/r），
以1#电机为主电机，2#、3#电机以1#电机速度为基准;方向指令同时加到三台变频器。1#电机矢量控制方式闭环运行，2#电机、3#电机开环v/f控制加转差补偿。
4. 用三台变频器，在每个电机上加PG卡及编码器（规格同上），1#电机为主电机，2#、3#电机以1#电机速度、转矩为基准;方向指令同时加到三台变频器。1#电机以速度控制方式闭环运行，2#电机、3#电机以转矩控制方式闭环运行。
5.用PLC控制，控制转速的指令由PLC的DA转换模块以直流0-10V形式向驱动电机的变频器发出，在每一个电机用编码器或测速齿轮加接近开关测量其实际转速并反馈给PLC，以电机实际转速为基准， PLC根据测量到的2#电机、3#电机的实际转速经运算处理后向控制2#电机和3#电机的变频器发出修正指令，保证3台电机实际转速趋于一致。
（二）分析：
在实际运行中输送链负载的变化是很大的，首先， 因为在输送链中存在转弯、高度升降，即使在输送链在空载时三个电机的负载也不是完全相等的，在生产过程中变化更大，尤其是在开始生产也就是向空线吊挂工件时（此时1#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于3#电机）以及生产结束开始也就是向输送链不挂只卸工件时（此时3#电机负载大于2#电机、而2#电机负载大于1#电机）及在换品种（新工件与老工件重量有差异）也会发生以上的情况。
（三）论证
种方法和第二种方法均是开环控制。种方法只适用于各电机负载相同和同步要求不太高的场合，第二种方法实际上只是把同一个速度给定信号简单复制几份或者按比例复制几份加到相应变频器上，它只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第三种方法是半闭环控制，控制精度好于前两种，但也只适用于各电机负载相同或各电机负载不相同但负载不变而且同步要求不太高的场合。
第四种控制方式和第五种控制方式均是闭环控制，都能满足控制要求。比较起来，第四种控制方式以控制转矩为主，追求各电机转矩及速度同步，同步精度高一些，但配置价格较高;第五种控制方式以控制各电机速度为主，同步精度稍差一些，但配置价格较经济，因此，我们在经反复比较和考虑后决定采用第五种控制方式。
由于560米长的悬挂输送链是由1000多节40厘米长的链条联接而成，在吊挂工件后链条会有一些伸长,在悬挂输送链有两段温度高达摄氏150度以上,还有几段凉水喷淋或强迫风冷的地方,温度因数也会造成链条伸长或收缩,由于链条节数较多,即使每节微小长度的变化累积起来也会使三台实际转速同步的电机驱动的三部分链条的移动速度不相同。为此，必须对同步控制作一些修正，我们在每一个张紧伸缩节处安装了四个接近（限位）开关（稍快,很快, 稍慢,很慢），PLC根据每一个张紧伸缩节处的开关接通状况发出相应的修正指令
严格地说三电机同步实际上也不是完全同步，只是三电机趋向同步，是一个差异调整再差异再调整的过程。
四、硬件配置：
1. 变频器选择：考虑到台达M系列变频器具有较好的性能价格比，对环境适应能力强，可靠性较高，并且也考虑变频器长期运行，其功率应留有一定的余量，决定采用台达VFD037M43B，其输入电压为三相380V，输出功率为3.7千瓦。
2. PLC选择：为了实时监测和控制三台电机的转速，PLC必须有三路高速计数输入（同时占用3个输入点）和模拟量输出，“自动运行”、“停止” 占用2个输入点，三段输送链张紧伸缩节位置指示占用15个输入点， 三台变频器报警要占用3个输入点，三台变频器使能控制及报警输出要占用5个输出点，因此PLC必须具有3点或3点以上的高速计数输入通道，具有23个以上的输入点和五个输出点，台达EH系列PLC具有较高的性能价格比,它采用 CPU+ASIC（高速运算处理晶片）双处理器，分工运算处理技术，基本指令速度可达0.24微秒，有四组计数频率可达200Khz的高速计数器，可带8 个扩展模块，功能强，能满足要求， 后采用的是台达EH系列PLC的 DVP20EH00R+DVP08H11N+ DVP08H11N+DVP04DA-H，其输入点为28点，输出点为8点，有四路模拟量输出。输入和输出点的地址分配见下表。
表1 地址分配表
1 POD采用台达的DOP-A57CSTD（屏幕为5.7吋），用于设定电机转速，显示三台电机的实际转速及张紧伸缩节的状况。
2 由于在电机及减速机是订购的成品，在电机轴上安装编码器时同轴度很难达到规定要求，不得已，选用测速齿轮加接近开关这种测速方式，经测算测速齿轮齿数为60齿接近开关的大应答频率应大于1.5Khz，我们采用了OMRON的E2E系列的接近开关，其大应答频率为2Khz，可以满足使用要求。
控制系统原理图见 图1 控制系统原理图
图1 控制系统原理图
控制系统流程图见 图2 控制系统流程图。
五、系统实现的功能
当把“自动运行”按钮按下时，三个电机同时启动，输送链开始移动，为了减少冲击力，电机缓慢起动后，先在低速运行3秒，然后加速至设定速度运行。在运行过程中，开始时，PLC的模拟量输出单元给每个控制电机的变频器的速度指令是相同的，之后，PLC每0.5秒对三个电机采集一次实际转速数据，以台为基准对其他两台电机转速进行比较，算出差额，经CPU处理后，再向控制第二台和第三台电机的变频器发出修正后的速度指令，使其的速度与台的速度趋于一致。
PLC在某一部分的“稍快”开关接通时,即将相应的电机的转速以设定转速为基准增加3%,如果这个信号未消失,那么以后每0.5秒将相应的电机转速增加1%;PLC在某一部分的“很快”开关接通时，即将相应的电机转速以设定转速为基准增加9%，如果这个信号未消失,那么以后每0.5秒将相应的电机转速增加3%，直至信号消失。反之，PLC在某一部分的“稍慢”开关接通时,即将相应的电机转速以设定转速为基准减少3%,如果这个信号未消失,那么以后每 0.5秒将相应的电机转速减少1%;PLC在某一部分的“很慢”开关接通时，即将相应的电机转速以设定转速为基准减少9%，如果这个信号未消失,那么以后每0.5秒将相应的电机转速减少3%，直至信号消失。
悬挂输送链的几个部分速度不同步或由于机械原因造成链条滑轮卡死会造成张紧伸缩节处拉伸或压缩过度，从而引起机械故障，为此，我们在每一个张紧伸缩节处安装了一个极限位开关，它可在张紧伸缩节处拉伸或压缩达到一定程度时停止整线的运行，另外，如果三台变频器的一台报警，整线的运行也将停止，这样可有效地避免引起机械故障。
输送链在非正常情况下（指输送链只有半条线挂工件时）停车,此时由于严重受力不均，有的部分链条会被拉伸,有的则被压缩, 使张紧伸缩节处于报警状态，笔者见过的同类型的悬挂输送链碰到此类情况是靠人工干预后才能重新起动。我在程序中编了一个子程序，首先识别报警是否在运行中发生，如是，则需在人工干预查出故障后才能重新起动，如不是，则PLC根据得到张紧伸缩节处的状况指示，先调整各个电机的启动次序和转速，消除报警，再转入正常运行，这样一来既保证了设备的安全运行，又避免了设备无故停产。
在触摸屏上可设定电机的转速（只有特定人员可进行此操作），如不重新设定,每次开机时执行上次已设定的转速。在触摸屏上可显示每个电机的实际转速，显示每一个张紧伸缩节处的状况（正常，稍快,很快, 稍慢,很慢），显示报警状况并提示检修部位。
六、结语:
台达PLC及变频器和触摸屏在悬挂输送链电机同步控制的应用使涂装生产线高效、持久、平稳、可靠地运转，产生了良好的经济效益，受到了广泛的好评。