西门子PLC模块6ES7215-1AF40-0XB0
1 引言
中空纤维是一种特殊化学材料，主要用于服装材料加工和制造。含有中空纤维成分的纺织材料具有质地柔软，透气性好，结实耐用等优点，被广大纺织轻工业普遍采用。本文介绍的生产线专门用于生产中空纤维这，其电气控制系统完全采用台达机电产品集成，以单一自动化技术平台实现化纤工艺和技术生产要求。
2 工艺自动化系统
2.1 工艺流程
原料甲和原料乙以某种比例配比方式混合后输送出去，经过齿轮泵搅拌均匀后送往凝胶槽挂胶上料，再经过水洗槽水洗，由牵丝轮带动中空纤维进入绕丝槽处理，后由绕丝轮将中空纤维成品卷绕成型。生产线系统主要由配料罐甲、配料罐乙、齿轮泵、凝胶槽、水洗槽、牵丝轮、绕丝槽、绕丝轮等部件构成，如图1所示。
图1 工艺流程画面
2.2 控制内容
齿轮泵速度和齿轮泵、配料罐甲、配料罐乙、凝胶槽、水洗槽、绕丝轮温度控制。需要电气控制系统控制齿轮泵旋转速度，从而达到控制出料量和出料速度，在工艺要求的温度下原料分别经过齿轮泵、凝胶槽、水洗槽、绕丝槽、绕丝轮等溶液处理，系统要求根据不同规格产品设定并控制齿轮泵，配料罐甲、配料罐乙、凝胶槽、水洗槽、绕丝轮内溶液温度，同时要求显示牵丝轮和绕丝轮的旋转速度，系统能够根据需要随时存储工艺参数。
3 自动化系统设计
3.1 控制系统原理
制系统原理如图2所示。利用台达人机界面丰富的通讯口功能，可以提供给用户3个com接口，方便与外围工控设备通讯联机。com1：rs232通讯方式与下位plc连接，进行生产线工艺参数设置和读取；com2：rs485通讯方式与一台变频器连接，可以进行变频器给定频率设定，显示输出频率、输出电压、输出电流、报警信息以及大致原因等参数，同时可以通过人机界面通讯控制起动、停止变频器；com3：rs485通讯方式与6台温控器连接，可以显示温度设定值、当前值，还可以通过通讯设定这6台温控器通讯站号、pid参数等内容值。
图2 控制系统原理
台达机电产品通讯协议符合标准的modbus通讯协议，使得台达机电产品整合应用时通讯连接方便、稳定。人机界面com2、com3通讯口均支持rs485通讯方式，该方案应用com2口与变频器vfd002s21a相连，人机界面直接读取变频器内部参数；应用com3口直接连接6台dtc系列温控器，实时读取相应槽位sv、pv值，采用pid温度控制方式达到准确控温效果，可以通过人机界面分别设置p、i、d相关参数以及实现通讯协议自动同步功能。
3.2 系统配置与通讯
(1) 配置。控制系统方案配置如附表所示。附表列出的配件是生产线控制系统主要元器件，此外还包括低压电器(低压断路器、继电器、按钮、指示灯等)、检测传感器(k型热电偶、pt100热电阻、接近开关等)元器件，此处不予赘述。
(2) 通讯。巧用人机界面提供的宏指令功能可以达到事半功倍的效果，上面的程序就是一个应用例子，将plc程序运算的数据结果赋给变频器作为给定频率，实际上可以编辑更多的宏指令代替plc程序，可以灵活的实现数学运算和流程控制，但是要结合人机界面画面程序注意考虑程序容量和执行效率。为了确保通讯畅通，必须将人机模组参数项通讯口通讯协议、通讯格式分别和变频器、温控器相应参数设置一致，本例中com2和com3通讯格式均为：rs485，19200，7，e，1。
人机界面clock macro宏指令介绍：
selectcom(1) ；选择通讯口；
(2#1@inverter-2001)= (1@d514) ；赋值语句；
end
3.3 转速控制
系统转速控制由plc控制变频器实现。dvp12sc型号plc具有8di、4do，具有高速计数和高速脉冲输出功能，本项目采用输入点x1、x10、x11分别采集三路旋转编码器脉冲信号，对应plc内部高速计数器软元件分别是c236、c243、c245，分别对应齿轮泵、牵丝轮、绕丝轮速度，前者齿轮泵速度要求**控制，调试时较有难度，后二者速度只要求实时显示，不要求**控制。由于变频器低频运转时电机速度较慢，所以利用60ms定时中断程序采集编码器脉冲差值波动较大，测速不准确，只能改变软件算法，程序通过特殊辅助继电器m1012和m1013组合应用完成速度检测，m1013是1s时钟脉冲，m1012是100ms时钟脉冲，具体做法就是，采用m1013采集各路编码器1s内积累的脉冲数量，再利用m1012时钟脉冲进行脉冲数量平均值计算，得到趋于合理、稳定的脉冲数量值，再经过程序处理转换为旋转速度，实际证明这种方法还是能够满足客户要求的，效果良好。
3.4 人机界面设计
台达人机界面新版软件提供“拮取画面”功能按钮，可以将人机某个画面以后缀名为jpg的文件格式存储在usb存储盘中，方便地将工业现场工艺参数报表存储和打印出来。系统工艺参数存储画面如图3所示。按下图3“存储”按钮后，该画面就以jpg文件格式存储在u盘中，文件名以日期＋画面序号命名，如果u盘未插在人机背面，会显示未找到存储盘报警。
图3 系统工艺参数存储画面
4 结束语
中空纤维生产线项目结合台达机电hmi、plc、变频器、温控器、编码器等机电产品，为客户开发了一套稳定可靠的系统，该生产线自投产以来运行正常，不但能够满足现场工艺要求，而且更提高了设备稳定性和生产产品质量和工作效率，证明中达电通是客户的合作伙伴。
工控产品是实现自动化系统的物理基础，但由产品堆积起来的系统未必就是性能优异的系统，其关键在于整体解决方案。本文结合工程实践，简要介绍基于台达工控产品并整体配套的自动化系统成功解决方案。
工业自动化系统正朝着集成化、网络化、平台化、综合管理等方向发展,因此构建工业控制系统时，不仅要硬件配套，更重要的是要考虑功能完善，将软、硬件系统功能完美地整合，给用户提供稳定可靠，可操作性、可维护性和可扩展性好及功能齐全、性能优异的自动化工控系统。即使随着时光的流逝工控系统需要升级换代，系统仍然具有很好的兼容性，使用户投资受到良好的保护。新一代的台达工控产品提供了各种整体配套的自动化系统解决方案，限于篇幅，以下列举部分行业应用的成功案例供参考，这些案例经过现场长期运行考核，运行稳定可靠，给企业带来了显著的社会经济效益，受到用户好评，并充分地考虑了集成化、网络化、平台化、综合管理等前瞻性要求，在软件系统支持下，其数据点数、处理能力以及可伸缩性或扩展性等方面都有明显的提高，提供的整体配套解决方案会随时间推移而增值和延长项目的生命周期，从整体上提高了系统建设的投资回报率。以下是部分成功应用案例。
1 基于台达工控产品的织机自动化系统
1） 张力控制变频收卷系统
纺织机械如：浆纱机、浆染联合机、并轴机等设备都会有收卷的环节。传统的收卷都采用机械传动，同轴传动部分的机械平均寿命基本上是一年左右，难于维护而且维护费用高。基于台达工控产品的张力控制变频收卷系统可取代传统的机械传动系统，保证整个收卷过程稳定，该系统借助台达公司的变频器，采用闭环矢量控制方案实现恒张力控制。为了保证恒张力，在小卷启动的瞬间、加速、减速、停车和大卷启动时，对不同卷经进行不同的转矩补偿，保证整个收卷过程中避免小卷时张力过大，大卷启动时松纱的现象，图1是单台张力控制变频收卷系统的结构框图。
图1 系统构成及系统框图
该系统的优点在于：张力在人机界面上设定，人性化的操作；采用长远卷径递归、空心卷径激活时张力线性递加、张力锥度计算和转矩补偿动态调整等**控制算法；卷径实时计算**度高，保证了收卷电机输出转矩平滑性能好，可自己纠正卷径值；尽管操作人员进行加速、减速、停车、再激活时极易造成爆纱、松纱现象，但实施变频收卷改造后系统收卷稳定，张力始终恒定；克服了机械磨损，延长了机械的使用寿命，设备维护使用方便。值得注意的是该系统用工控机极易实现**，进而有利于实现管控一体化的系统集成。
2） 帘子布织机电控系统
帘子布织机是剑杆织机的一个特类，除具有一般织机性能外有其特殊性。采用以台达 ES型PLC、DOP-A型HIM、B/M型变频器构建的新颖电控系统，如图2所示。其创新主要体现于：主机采用台达 B型矢量型变频器控制，摆脱了传统的离合器控制模式，可实现主机电气无极调速功能；送经电机、卷曲电机、大卷装均采用台达 M型变频器控制；运用台达 MODBUS通讯协议构建主机、送经电机、卷曲电机、大卷装控制系统；摆脱了传统的模拟量控制；信号采集、处理采用台达ES型PLC作为CPU处理中心；显示采用台达人机界面，摆脱了传统的LCD模式。上述优点是传统织机控制系统无法比拟的：机械结构大大简单化；可高达450转/分，这是同类机种高不可攀的车速；主机采用变频控制，使织机车速可实现变频调速控制。
图2 帘子布之机电控箱内示图
该系统已在江苏泰州化纤厂投入使用，具有结构简单、操作方便、界面简洁、稳定可靠，成本低廉等特征，是传统控制系统的佳替代产品。
3）毛巾织机天经电气控制系统
毛巾织机是剑杆织机一种，它和普通剑杆织机的主要区别在于毛巾织机比普通剑杆织机多了一个经轴，即天经。该系统的特殊性在于在整个运行过程中存在三个张力段、三个纬密，这和地经（普通织机的经轴）有着明显的区别。其控制系统硬件均采用台达自动化产品，EH型可编程控制器、ASD-A 型伺服控制器和TP04G文本显示，便于系统维护、升级。毛巾织机天经电气控制系统的应用如图3所示。
图3 织机厂家毛巾织机一角
系统构架：硬件构架，TP04+EHPLC+ASD；软件构架，TP04+EHPLC。该系统结构简单，操作方便，界面友好，整个系统采用台达自动化产品构成，系统，应用效果良好，受到客户认同。
4）国产化剑杆织机电气控制系统
国外剑杆织机普遍采用微机**系统实现电子选纬、电子多臂等控制，具有自诊断和数据采集管理等多种功能。近年来，国内众多厂家使用台达EHPLC为核心研制的剑杆织机电气控制系统大大缩短了与国外剑杆织机的差距，系统硬件采用台达公司的DVPEH3200TPLC，配置台达TD220中文文本界面。软件系统可实现多种功能：如诊断保护、参数设定、数据保存、选纬等功能。该系统有启动迅速、制动平稳快捷、操作方便、有正常启、制动功能和成本低廉等优点,可实现某些特殊操作,如选纬工艺设定、点动、停手动、正反寻车等。系统在山东聊城剑杆织机投运效果令用户满意，是传统控制系统的佳替代产品。
5）三经轴重磅织机电控系统
重磅织机与一般织机的区别主要在于：其剑杆不是一般的绕性剑杆，而是刚性剑杆,它能完成一般织机无法做的事（如重磅织机能织玻璃纤纬产品），它的织物一般可以是牛仔布等重、厚织物，这是一般织机不能实现的。三经轴重磅织机是在一般重磅织机的基础上添加了两个天经轴、一个大卷装，其目的是实现客户需求双层布织物的功能。
图4 系统构架图
三经轴重磅织机电控系统由主控和三经轴电控部分组成。系统构架如图4所示，大卷装伺服采用台达MODBUS RTU通讯控制，人机界面主画面如图5 所示，该织机系统有以下工艺特点：双经轴同步，在启动、停车、运行过程中两轴同步运行；双层布结构，织物是玻璃纤纬材料，在形成双层布过程中有两个方式，即8字形和X形。
图5 界面主画面
2 机械自动切割机整体解决方案
现以台钢机械自动切割机为例，用台达机电产品为客户提供的机械自动切割机整体解决方案在功能方面完全满足客户需求，整个系统在操作上更加人性化，在原有系统基础上增加了七种控制模式，分连续和单动两种状态。变频器频率的通讯给定不仅可靠便利，还为客户节省了成本。该产品主要出口东南亚及大陆地区，如用于将整卷宽幅在两米多的透明胶带自动切割成标准宽度的胶带等。系统示意图如图8 所示。
图8 机械自动切割机示意图
该系统配置：人机交互DOP-A57GSTD 1台；PLC，DVP-48EH00T 1 台；变频器，VFD-007M23A、VFD-015M23A 各1台；伺服，ASD-A0721LA １台。系统可在自动和手动状态下工作，由于在程序设计中巧妙运用了变址和循环的功能，程序简练，客户认可，它印证了台达机电产品在系统集成方面的强大优势。
3 燃气式食品隧道炉上的系统整合方案
用燃气取代电热式食品隧道炉对缓解地区电力紧张状况有重要意义，这在食品加工行业已经获得广泛认可。台达机电产品在燃气式食品隧道炉设备上的成功整合应用，满足了食品机械客户的需求。该设备电器配置为：DOP-A10TCTD的人机界面，DVP-60ES可编程控制器，DVP-04PT/S温度量测模块，VFD037M43A变频器，通过系统的合理整合实现对设备控制。系统参数设定画面如图10所示，类似地还有其它画面如烘烤时间与输送控制、温度设定与显示、点火控制画面等，不同型号的隧道炉其长度、速比给定等是不同的，它适用于所有类型的隧道炉，可以监视变频器的设定频率和运行频率值以及设定排风时间等。
图10 参数设定画面
4 自动枕式包装机电控系统解决方案
传统的枕式包装机采用差速齿轮箱结构，运行稳定，但噪音较大，机械容易损坏，封装精度调整很麻烦。现在提供的自动枕式包装机采用PLC作为控制系统核心，其包装速度高、定位准确，系统更加可靠、稳定，可满足现代包装的发展要求。
图11 电气控制箱内部布置图
枕式包装机是食品、医药等包装行业中应用比较广泛的一种包装机械，能满足日常用品和食品的包装需要。电气控制箱内部布置如图11所示。整合方案采用台达DVP-EH PLC、台达VFD-M变频器、台达伺服系统、编码器及台达DOP-A人机界面，它可满足用户在多种情况下的应用需求，系统运行稳定，封切准确，操作简单，有很好的性价比和市场推广价值。
5 健身设备电控系统解决方案
随着人们生活水平的提高，健身车、楼梯机和划船机等运动设备倍受欢迎，但健身设备对稳定性、安全性、调速方便等性能的要求也越来越高，如图12所示的健身设备，采用台达M系列变频器构成的震动机，低速力矩大，全速范围内的电机工作电流都低于电机额定电流，保证了电机长期稳定运行，客户使用非常满意，满足了出口机器的要求。
图12 健身设备
6 节能家电电控解决方案
随着家电产品的快速普及，家电已成为我国能源消耗的大户，其耗电量已经超过全国总用电量的15％。如今能源危机愈演愈烈，各国相继出台或修订了家电产品节能标准，如美国结合“能源之星”标识制度，淘汰了市场上的非节能家电，集节能、降噪、提高效率于一体的变频家电是真正意义上的革新，是家电业发展的潮流， 台达M系列变频器能满足家电产品的节能要求，使用台达M系列变频器的节能家电，启动时无冲击电流，运行稳定；改变了传统的控制方式（停止/运行状态的切换），延长了设备的使用寿命。
7 为胶带机提供完美的解决方案
各种胶带设备如各种复卷机、分条机及各式涂布机等，产品规格灵活多样，其电控系统采用台达触模屏、PLC、伺服、变频器等器材，都能满足要求响应快、定位精度高、质量稳定，的要求。图13是某胶带设备外形图，该设备选用台达系列自动化产品 PLC、伺服、变频器、人机界面等构成电控系统，配置为DOP-A57GSTD，DVP60ES00T，ASD-A1021L，VFD022M21A。
图13 某胶带设备外形图
由于产品的技术含量高，完全能够与欧美日等的品牌媲美，而在价格上则更为实惠，因此在造纸、纺织、塑料机械、建筑等领域有应用广泛。