艾默生PLC與變頻器在化纖柔性生產線上設計應用

1 前言

柔性生產線具有配置簡單，自動化程度高，可程序化和重新配置的優點，而被廣大用戶所采用。化纖柔性生產線中，擠出機是整個設備的重要部分，而后續各卷繞部分的速度同步才是整個系統的關鍵。系統中多電機速度同步精度的高低，直接影響著化纖絲成品的質量。

?????? 在以前的此類生產線中，大多數采用在各輥上安裝現場操作箱，根據實際情況人為調整速度的方法進行控制。這種方案存在如下缺點：

1）不便于數據的集中管理；

2）需要根據各個速度，手工計算牽伸比；

3）實際速度不滿足要求，需要再循環跑到各個區域去調節，操作非常麻煩；

4）廢品率偏高。

?????? 針對上述問題，此次設計中，在理念上采用集中控制與分散控制相結合的方式，將觸摸屏與PLC作為控制的核心。觸摸屏設置配方數據，PLC直接計算牽伸比，通訊控制變頻器速度。集中的操控人機界面，并在各輥上安裝現場操作箱，既能在觸摸屏上進行所有的控制，又能在現場進行整個系統的操作。

通訊的應用是現代工業發展的一大主題，用通訊方式設計的系統結構簡單，運行可靠，能有效的避免硬件故障帶來的整個系統的損失。

2 系統簡介

?????? 工藝流程如圖1所示

圖1 化纖柔性生產線流程圖

???????? 化纖柔性生產線簡介：化纖柔性生產線是化纖絲生產中的一種重要的生產線，它的結構包括擠出機，計量泵，分絲盤，水箱，牽伸輥機（包括加熱和不加熱），導輪，冷卻箱，力矩輥機和收絲機。在加工時，將化纖顆粒放入擠出機漏斗，經過擠出機加熱擠出并在分絲盤將化纖溶體分成幾百束的初級化纖絲后經水冷卻，然后將化纖絲幾十根為一把經過導輪纏繞在各牽伸輥機上逐級拉伸后變成很細的化纖絲成品卷繞在收線盤上。從最初的化纖絲到成品之間化纖絲的初細就靠各輥機運行速度的逐漸加快來確定，具體的快慢由牽伸比設定，不同的產品牽伸比不同。

????????本系統在設計時充分考慮了操作的簡易性，只需要設定其中的主速度，通過牽伸比就可以把各級的速度分別計算出來，在調節速度時，各級的牽伸比也會自動計算出來，并進行自動保存。

????????現場操作時，在各級上有一現場操作箱，可以進行速度同升同降，單獨啟動、停止，聯動啟動、停止和緊急停止功能，另外在4熱七輥機和8熱五輥機的兩個操作箱上還裝有兩個線速表，用以顯示當前的線速度，便于現場調節。集中監控時，將控制柜上的選擇開關撥到觸摸屏端，即可用觸摸屏進行啟停操作，但不管集中控制還分散控制，都可在觸摸屏上設定數據和顯示當前頻率和電流。

3 硬件設計

????????本系統主要由觸摸屏、PLC、變頻器、測速編碼器以及其它一些輔助元器件組成。整個系統通過通訊進行數據傳輸，結構簡單，操作方便，運行可靠。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模塊，外帶一個16點的EC20-1600ENN輸入擴展模塊。

????????EC20 PLC是艾默生小型PLC的最高端產品，它具有高可靠性、高響應性，強勁的通訊功能，豐富的指令集等，其中程序容量可達到12K步，而基本指令時間才0.09μs。它的板件經過了嚴格的三防處理，工作電壓AC85~280V，具有卓越的抗干擾性，是系統穩定運行的可靠保證。最重要的是它自帶了一個RS485/RS232的通訊接口，有豐富的通訊指令，使得和外部設備通訊變得更為簡潔方便。

????????由于各牽伸輥機對速度要求非常高，所以各牽伸輥機的變頻器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7臺TD3000變頻器，并且3五輥機、4熱七輥機、6熱七輥機、8熱五輥機、9熱七輥機和11七輥機都增加測速編碼器以保證設備對速度精度的要求。12收線機由于設備對速度要求不是那么嚴格，所以采用了不帶測速編碼器的TD3000變頻器。

TD3000變頻器是艾默生公司高性能的矢量控制型變頻器，可以加測速編碼器組成速度閉環控制，能實現轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。具有自動調諧、零伺服控制、速度控制和轉矩控制在線切換、編碼器斷線檢測、能進行參數考貝等多種功能，并有RS485自由通訊接口，完全可以滿足系統的要求。計量泵采用的是兩臺艾默生EV1000通用型變頻器。

????????監控人機界面采用10.4寸觸摸屏，進行數據顯示和設定，直觀可靠。

????????在整個系統中，PLC是控制中心，它可以獨立完成整個控制過程，在觸摸屏發生故障時，仍然可以通過現場操作箱進行控制而不影響整個系統的運行。

????????系統主控制部分如圖2所示

圖2 電氣主控制原理圖

????????系統PLC控制部分如圖3所示

圖3 PLC電氣原理圖

4 軟件編程

????????本系統用觸摸屏作為人機交互界面，編程簡單，性能穩定。觸摸屏主要操控畫面如圖4、5所示

圖4 觸摸屏主顯示畫面

圖5 參數設定畫面

????????“觸摸屏主顯示畫面”是操作員經常需要查看的畫面，主要用于顯示計量泵1、2和各牽伸輥機的運行頻率和電流以及它們當前的運行狀態，同時還顯示主令速度和收線的長度。它是只監測當前的運行情況，并不能進行設定。在畫面上部設置了各個命令按鈕，點擊它們查詢相應的狀態或進行相應的操作。在上面點擊“牽伸比”可以進入如圖4畫面，它是用戶調試時的主要操作畫面，調機時，用戶先設定各牽伸輥機的線速度，然后點擊“確認”計算出各級牽伸比和主牽伸比，確定好牽伸比后，只需調節主令速度，就可以根據牽伸比自動設定各輥機的運行速度，達到速度同升同降的目的。同時在操作箱上撥動“速度升/降”開關也可以起到同升同降的目的。“最大限速”主要是為了防止操作不當而作的一個保護措施。PLC作為觸摸屏的下位機，承擔了數據的傳送和處理工作，它和變頻器之間通過通訊進行數據讀取和設定，其網絡組成如圖6所示

圖6 PLC和變頻器通訊網絡通訊組成圖

????????在構成此網絡時，由于EV1000和TD3000變頻器的通訊協議不一致，所以只能采取自由通訊協議進行通訊。EC20 PLC作為控制主站，在系統中具有絕對的控制權，它主動給變頻器發送指令，主動接收變頻器的反饋數據。在這里，我們將EC20自帶的COM1口作為RS485通訊口和變頻器通訊，COM0口用于和觸摸屏通訊，設置為MODBUS協議，下面我就將艾默生PLC和變頻器之間的通訊作一簡單介紹。

????????我們知道，設備之間的通訊不但要有相應的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太網口等，還需要有相應軟件支持，也就是通訊協議，本系統使用RS485接口和自由口通訊協議。RS485通訊可以理論上可以連接128臺設備，通訊距離可以達到1200米，而且抗干擾性強，是目前工控中普遍采用的通訊方式。

????????下面是通訊程序的設計：在寫程序之前我們必須設定串口參數，比如波特率，數據位，啟始位，停止位以及奇偶校驗，這里設定波特率=9600 ，數據位=8 ，啟始位不用設，停止位=1，奇偶校驗=不校驗。具體參數設置如圖7所示

圖7 艾默生PLC通訊參數設置

????????設定了這些參數以后，我們就可以編寫通訊程序了，此程序比較長，我這里就不作詳細解說，僅列舉TD3000變頻器頻率設定和電流讀取子程序供大家參考，具體數據讀寫請參考艾默生EV1000和TD3000自由口通訊協議。

入口參數：addr , freq_set

出口參數：end , freq

//設定頻率，讀取電流,使用長幀讀取功能參數FF.05

[6] 高欽和 可編程控制器應用技術與設計實例