西门子PLC模块6ES7512-1CK01-0AB0
前言：
上海二纺机股份有限公司是从事纺织机械及纺织器材制造的大型企业之一，公司建立已有近90年的历史，常年致力于研发、生产、销售棉纺细纱机、粗纱机和自动络筒机等多种纺机设备。进入21世纪，上海及长三角飞速发展的经济环境、金融环境、信息环境和环保环境，为上海二纺机的持续发展提供了绝好的机遇，同时也面临着更大的挑战。在科学技术日益发展的，纺织机械电气控制系统的自动化程度也越来越高，从初的采用几十个继电器控制，发展到现在的可编程控制器（PLC），随着公司考虑开发更具市场竞争力的产品以应对日益激烈的国内、国际竞争，2008年中旬，我们设计试验了一套台达PLC控制系统，以应用在公司环锭细纱机上。
2．环锭细纱机简介：
上海二纺机股份有限公司的主导产品是棉纺毛纺厂使用的环锭细纱机，细纱工序是成纱的后一道工序，是将粗纱进一步牵伸30～50倍并加捻，纺成具有一定特数、符合相关质量标准的细纱，供捻线、机织或针织使用。纺织厂生产规模的大小是以细纱机总锭数表示的；细纱产量是决定各工序数量的依据；细纱的质量水平、原料物料耗电量等指标、劳动生产率等是技术和管理水平的体现，因此，细纱工序在纺织厂中占有重要的地位。新型环锭细纱机，首先是前后罗拉的严格同步，实现牵伸倍数和捻度的精密控制，保证高支数纱线的成纱质量；其次是采用**的驱动控制技术实现十点曲线调速成形，从而实现了机械结构的简化、生产速度的提高、以及纱线支数和管纱成形的自动调节。
3．系统概述：
新型细纱机电气控制系统采用PLC控制整个纺纱落纱过程，具备纺纱过程所需的钢领板自动升降、留头率功能、中途停车后能自动记住纺纱位置跟踪开车、中途落纱、定长落纱等功能。可以设定和修改纺纱的各项工艺参数，实现定长落纱、机械落纱，可以根据用户的需要设定锭子的十点曲线长度和速度，以及班产量累计、设置密码保护及自动故障诊断等功能。对纺纱过程的锭速、前罗拉转速、前罗拉线速、捻度等进行计算并在文本显示屏上跟踪显示，并依据机器上各部分传感器自动协调控制，具有较高的系统整体抗干扰性。
4．整体控制系统方案
整体控制系统方案采用了台达DVP系列PLC。采用了一套台达DVP14SS11R作为PLC主机（输入：8点，输出：6点，继电器输出），选配了DVP16SP11R，16点I/O扩展模块（输入：8点，输出：8点，继电器输出），来组成40点PLC控制部分，采用一块DVP02DA-S，为2路模拟量输出模块，来分别控制主变频传动和钢领板升降变频驱动。使用台达平板型交流电机驱动器VFD-B-P系列变频器控制主传动电机和钢领板电机。显示单元部分采用台达TP04-AS2文本显示屏进行系统外部输入与纺纱各项数据的监控。
1、传动部分：包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、油泵电机及润滑装置、主变频器、升降变频器、清洁器装置、各种低压开关及接触器等。
2、三自动检测部分：该部分由三自动行程开关、停主电机接近开关、下钢领板接近开关、刹车片构成。其作用为落纱信号给出后能自动适应停车，自动留头，为重新开车降低断头创造条件。
3、变频器锭子速度控制：该部分由变频器、锭子传动部分、主电机构成，其作用是变频器依据程控器传输的锭子速度控制十点曲线自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。
4、数据检测部分：该部分由主轴、前罗拉测速光电管组成。功能为自动检测纺纱过程中主轴、前罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、前罗拉转速、前罗拉线速、捻度等工艺参数以及锭子速度曲线控制提供数据。
5、PLC控制部分：该部分由PLC主单元及IO模块、模拟量输出模块等构成，完成全机开关量输入、数据检测以及计算和过程控制，实现纺纱过程自动化和对机器运行情况进行监控。
6、显示单元部分：文本显示单元与PLC之间以通讯线实现连接，完成纺纱过程工艺参数显示设定，可直接设定锭子运行十点曲线，实现控制柔性化，同时对机器运行过程中出现的错误，实时监控反馈。
7、模拟量通讯部分：该部分由PLC的2路模拟量输出模块、变频器通讯模块部分构成，PLC的通讯接口与文本显示单元以通信线实现通讯完成参数设定显示，变频器以模拟量方式控制锭子运行速度曲线，整机的高可靠性和低成本极大的提高了机器性能比和市场竞争力。
图一：控制系统方案
5．PLC软件编程
通过台达WPLSoft软件对PLC进行软件编程，根据需要将不同功能的程序段分列，每个任务分别使用合适的编程语言如梯形图、语言等来完成。
(1) 梯形图编辑：
梯形图是使用得多的图形编程语言，其与电器控制系统的电路图很相似，具有清晰、直观、易懂的优点，很容易被掌握，特别适用于在系统中的开关量逻辑控制，具有可实时监控的特点，如图二，图三。
图二：梯形图
图三：输入指令图
(2) 指令编辑：
WPLSoft软件同时提供了指令编辑模式，进入指令模式编辑后，直接键入PLC完整指令，输入完成后的指令在编辑区中，左边为该指令在PLC主机的程序内存地址，可以清楚地得到指令在程序内存的相对地址，如图四所示。
图四：指令模式
6．应用效果
实际应用表明，采用新的控制系统方案后，全机将运动控制与驱动器功能集成在一起，系统具有较快的响应速度。前后罗拉严格同步，实现牵伸和捻度的精密控制，保证了高支数纱线的成纱质量，整套控制方案可靠性和抗干扰性能较优。同时由于纺织机械是一个竞争非常激烈的领域，因此成本也必须考虑在内，一方面是整体的硬件投资成本，另一方面是系统的运行成本。新控制方案的应用，比原先使用的方案硬件投资成本下降约25%左右，系统的运行成本基本持平，是一个比较有竞争力的产品设计。
图五：样机效果图
7．结束语
本系统采用了台达控制系统解决方案，将纺织机械和现代**控制技术相结合，使控制系统的现场化和抗干扰性能得以极大提高。并使纺机产品能实现复杂的控制功能，大量数据的实时准确采集和共享也得以实现，大大提高了纺织机械的**水平。利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”的原则，极大降低了电气控制系统成本，台达PLC具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、应用灵活、操作维护方便的优点，有效的提升了产品的盈利能力，具有较高的应用价值。
现如今塑料制品已经普遍应用在工农业生产和大众生活众多行业领域内，塑料制品相对成本较低，某些方面可以完全替换金属制品使用，性能也毫不逊色，人们日常生活中大量使用的盆、桶、瓶等物品均是塑料制品，本文介绍的塑料床垫制品也是人们生活中的必需品，市场需求旺盛，前景广阔。目前生产原料完全是无毒无害的化学原料，价格相对较贵，另外塑料床垫属于新型床垫产品，舒适耐用，冬暖夏凉，不会生虫，使用寿命也很长久，所以塑料床垫产品属于床垫用品，价格比传统的棕榈床垫高出许多，目前广泛应用在东南亚国家和地区，刚刚起步，随着社会发展和技术的进步，相信不久的将来塑料床垫逐步会替换棕榈床垫。
控制系统技术方案配置：详见下表
上述表格仅列举出控制系统主要元器件，此外还包括低压电器（低压断路器、电磁接触器、电磁继电器、按钮、指示灯等）、检测传感器（接近开关、行程开关等）、变频器通讯电缆等，此处均不予赘述。
控制系统原理框图简要介绍：
塑料床垫成型机控制系统采用台达人机界面作为主站监控设备，充分利用人机界面DOP-A10THTD1三个通讯口，人机COM 1（RS232）连接下位PLC控制器COM1通讯口，通讯交换工艺参数数据；人机COM2（RS485）连接机头控制系统12台温控表，人机COM3（RS485）连接主机控制系统11台温控表，人机界面可以设定不同控制区域温度SV值，显示温度PV值；PLC通讯口COM2（RS485）通讯连接7台变频器，PLC通讯写入变频器给定频率、变频器启动停止命令，读取实际输出频率；人机界面设定电机目标转速，读取电机实际转速。
控制系统原理框图：
塑料床垫成型机工艺简要介绍：
塑料床垫成型设备机械部分分为机头部分和主机部分，化工原料添加进机头部分原料斗搅拌加温，经过在适当的工艺要求温度控制下，机头喷嘴加工生产出直径很细的圆柱形塑料丝，根据产品不同规格需要，更换模具可以改变圆柱塑料丝的直径，大量的塑料圆柱丝源源不断的输送到主机部分，主机部分不同区域温度要求控制不同，塑料丝经过模具加工处理，形成厚度、宽度一定的塑料圆柱丝网络交织的塑料成型制品，再根据设定的裁剪长度切割，从而可以生产出长度、厚度、宽度不同的塑料丝网床垫制品。
人机界面控制程序简要介绍：
主要分为主机温度控制、机头温度控制、变频电机速度控制、普通电机控制、变频器参数设置等画面，实现设备不同区域温度控制和塑料成型速度控制要求，同时可以监控设备工艺参数。
PLC控制程序简要介绍：
PLC控制程序主要分为下面几个部分：
1、模拟量处理：接受机头控制柜内2路模拟量信号，经过数学转换后，1路作为直流调速系统电机旋转速度实时数值，输出1路模拟量传送给机头控制柜ABB直流调速系统，做为速度给定命令；
2、温控表启动停止控制；
3、裁断控制程序，根据设定长度不同，不同气动元件组合动作实现塑料网状成型制品快速裁断控制；
4、变频器通讯控制：包括变频器启动、停止命令，设定线速度（m/min）转换为频率给定数值（Hz），读取变频器实际输出频率（Hz）转换为电机运行速度（m/min）数值。
5、快速输送控制，裁刀程序执行之后动作。
1 引言
套标机的用途是给瓶装商品套装彩印商标薄膜。典型的套标瓶装商品是快速消费品，例如瓶装饮料、化妆品、药品、保健品等。根据套标速度的不同，套标机可以分为以下几种：100-150瓶/分、150-250瓶/分、300-400瓶/分、400-600瓶/分、600-800瓶/分。目前市场数量大的集中在100-400瓶/分的设备上，大于400瓶/分的设备属于高速套标，虽然目前市场份额不大，但由于行业内的竞争日益激烈，使得各厂家都在积极研发自己的高速套标机，速度高达到800瓶/分，已接近机械系统的运行极限。
2 高速套标机电控系统分析
套标机控制
套标机控制的难点在于考验PLC及伺服的响应性，生产效率越高，对于PLC发脉冲的频宽和伺服的动态响应性及频宽要求越高。因此在选用DELTA品牌时，PLC的主机选择性能较高的DVP40EH00T2系列主机，也可选择DVP28SV11T。这两款主机是台达2007年推出的小型PLC中性能高的。分别有4组200KHz的高速脉冲输出通道及4组200KHz的高速脉冲输入通道，同时基本指令的执行时间明显优于业内同档次的PLC。
2.2 伺服的频宽及动态响应性
有了性能较高的控制器，接下来要考验则是伺服的频宽及动态响应性。台达A系列伺服的响应频宽为450Hz。在要求生产效率为200-300瓶的范围内有一定的余量。基于以上两点，硬件是完全能够满足效率的要求。但如果生产效率要求在400-600瓶/分或600-800瓶/分的高速套标时，对于PLC及伺服的要求都会非常高。伺服的频宽450Hz是难以完成如此高的响应性的，而对于PLC则针对脉冲的平滑处理要求则更加高，需要将高运行频率与低运行频率之间的减速曲线做的比较平滑，还要满足加减速的快速性。针对这样的要求，DVP40EH00T2新增了DPTPO的填表式发脉冲，加减速一共60段。在效率为200-300瓶/分的速度时，可以满足要求；在400-600瓶/分，600-800瓶/分60段的加减速还是不够，应该考虑能够将分段在细一些或加减速的段数可以认为在特殊寄存器中自己定义。如果能够做到这一点，对于高速套标，我们的PLC是非常有优势的。突显非常高的性价比。
2.3抓色标
控制上的难点在于抓色标。所谓抓色标即PLC接到色标传感器的信号后，能够非常快速的响应，并立即控制伺服停下来。一方面是考验PLC在执行中断时的快速性，同时也在考验PLC在相同的频率下发脉冲，中断一来，能否稳定、一致、快速的禁止发脉冲。如果PLC不能保证中断执行的快速性、一致性，稳定的将脉冲禁止，则会出现长短标的现象。这对于客户是不能够接受的。同时在高速发脉冲的时候，由于标长比较短，意味着一个完整的标长对应的脉冲当量比较小。如果对于发脉冲不做加减速的处理，当检测到色标时，伺服运行在高速状态，PLC此时发脉冲的频率非常高，则会造成伺服的过冲。切出来的标签会长于一个正常的标长。因此对于PLC发脉冲加减速的处理是非常关键的。即要平滑的加减速又要以较高的频率运行，以满足生产的高效性。这一点对于控制和PLC而言都是有一定的难度。因此如下图所示的曲线是比较合理的。
加速段采用0-π/2的正弦曲线，等分20段进行，每个PLC扫描周期角度增加1/20度；减速采用余弦0-π/2，等分40段，每個掃描周期角度綫小1/40度。如何处理好平滑的加减速的同时保证生产的高效性是做好套标机的关键！对PLC的考验也在于此。目前使用DVP28SV或EH2的主機在穩定狀態下能夠做到300-400瓶/分，效率再高已經比較困難，一方面對於發脈衝指令的平滑有更高的要求，另一方面對於伺服的頻寬也有更高的要求。當然如果在不計成本的條件下，使用DVP20PM與A2的伺服相信效率會有所提高
3 高速套标机电控系统设计
高速套标机生产效率大幅度提高，对控制系统的要求也非常得高。首先对于PLC不仅要求高频宽的脉冲处理能力、脉冲指令的平滑处理能力、中断的响应能力等有很高的要求，同时对于伺服的响应频宽、瞬时的启停的高响应性都有非常高的要求。目前在小型通用PLC中，台达SV/EH2系列提供填表式的发脉冲功能，加减速一共60段，能够实现200-300瓶/分的速度。基于SV/EH2系列PLC的高速套标机控制系统结构如图1所示。基于台达机电产品的套标机硬件配置如表1所示。PLC输入输出定义如表2所示。PLC电控系统原理如图2所示。
图1 高速套标机控制系统
图2 套标机PLC电控原理
4 控制特色及指标
4.1同步通讯控制
分瓶、带瓶、输送、料架的同步通讯控制。取代了一般通过电位器的手动操作。当整机
运行速度发生变化时，必须通过人为的手动调节后，才能正常的生产，一方面增加了操作人员的工作量和难度，同时对于操作人员也有一定的要求。需要比较有经验的人员操作。当然使用同步控制器可以完成这样的功能。但通过通讯的方式做同步控制，能够帮助机械生产厂家节省一个同步控制器，降低了设备的成本。分瓶、带瓶、输送、料架的速度调整在自动运行的情况下，速度会跟随主速的变化而变化，达到同步。而在手动操作时，客户可以自己人为的在触摸屏上单独设定不同的速度。非常的人性化而且操作简便。其中同步控制方面，可以选择输送作为主动力，分瓶、带瓶作为从动部分，因此速度同步关系可以通过如下公式进行计算：V2=K1V1（K1为同步比例系数、V1为输送的速度、V2为分瓶的速度），以此类推：带瓶的速度V3=K2V1（K2为同步比例系数、V1为输送的速度、V3为带瓶的速度）
4.2 高精度自动对标
针对原来对标时，还需要通过人为的调整色标传感器的位置，以达到切标能切到透明段，操作起来比较麻烦。因此在设计时充分考虑到这样的要求，通过巧妙的程序设计，实现了低速时自动对标的功能。一旦操作完成，即使速度发生改变，只要在允许的范围内变化（通常满足设备的高运行速度），无需在人为的调整色标传感器的位置。方便、简化了调机的操作。启动前自动以低速运行，开中断禁止发脉冲，达到自动对标的功能。速度在300-400瓶/分时，能将对标精度控制在0.5-1mm。
4.3 系统整体性能
当袋长、速度设定完毕，通过循环指令，将转化后的脉冲当量和运行速度按照加速20段、减速40段自动填充到指定的寄存器中。高清晰度、高可靠性的宽屏人机界面，同时为了延长其使用寿命，这款触摸屏还支持USB的鼠标操作，支持U盘的存储、支持以太网、打印以及播放MP3、MP4的强大功能，给设备增添卖点。完善的报警操作，可以方便的记录发生报警时的日期、时间与详细的报警信息。并且方便的进行查询。密码保护，人机、PLC的密码保护双层操作。并且可以根据客户的需求增加是否需要定时停机的功能，方便客户收款等操作，安全可靠。