1系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)功能

某型捻絲機(jī)的整個工藝過程共5臺電機(jī)驅(qū)動。

據(jù)工藝要求，整個設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度能夠根據(jù)需要調(diào)整，而且要求各個電機(jī)轉(zhuǎn)速之間保持一定的比例，即各電機(jī)運轉(zhuǎn)同步。所以，該捻絲機(jī)控制系統(tǒng)的核心功能就是控制設(shè)備中各個電機(jī)，使各電機(jī)根據(jù)工藝要求轉(zhuǎn)速間始終保持一定的比例同步運行，同時系統(tǒng)還要求具有邏輯控制、工藝參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試、成品長度計米、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障報警處理等功能。

控制系統(tǒng)所要求的各種功能的實現(xiàn)方法如下：a.電機(jī)的控制。5臺電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，以及速度的動態(tài)調(diào)節(jié)都由PLC通過數(shù)字通信方式對變頻器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)電機(jī)的控制。電機(jī)的同步控制由PLC程序根據(jù)工藝參數(shù)計算，而后分別控制相應(yīng)的變頻器實現(xiàn)。

b.邏輯控制。系統(tǒng)的邏輯控制由PLC檢測設(shè)備的各種開關(guān)信號、傳感器信號，把這些信號作為PLC程序中關(guān)于啟動、停止、各種故障和工作狀態(tài)的條件觸點，用這些觸點設(shè)置梯形圖的觸發(fā)條件來實現(xiàn)邏輯控制。

c.工藝參數(shù)設(shè)置。配置觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，各種工藝參數(shù)的設(shè)定、顯示都通過觸摸屏完成。

d.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障顯示。在觸摸屏上顯示各種狀態(tài)參數(shù)，包括電機(jī)飛輪的實時轉(zhuǎn)速；以及當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的故障信息等。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如1所示，該捻絲機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成：

a.變頻器。5臺變頻器采用西門子MICROMASTER440通用型變頻器，完成對5臺電機(jī)的驅(qū)動。每個變頻器配備PROFIBUS總線接口模塊。MICROMASTER440是西門子公司第4代高性能矢量變頻器

，具有豐富的控制方式和功能，利用它提供的低速高轉(zhuǎn)矩輸出來保證五臺電機(jī)啟動時的同步性。

b.控制器。系統(tǒng)中控制器采用SIMENSES7300

系列PLC.PLC系統(tǒng)的配置為：CPU為帶有DP總線接口的CPU3152DP，它具有PROFIBUS和MPI2種網(wǎng)絡(luò)通信方式，分別用來與變頻器和觸摸屏進(jìn)行通信；電源模塊為PS307；根據(jù)現(xiàn)場情況選用2個SM321輸入模塊，共64個輸入點；1個32點輸出模塊SM322，它輸出到中間繼電器，由中間繼電器控制電機(jī)接觸器。采用高速計數(shù)功能模塊FM350實現(xiàn)鋼絲長度的脈沖計米功能。觸摸屏選用性價比高的TP170B.

c.現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)

。系統(tǒng)采用PROFIBUS總線通信技術(shù)將PLC和5個變頻器組成一個總線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，采用主從結(jié)構(gòu)PROFIBUSDP方式，它是經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接方式，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通訊速率為1.5Mbit/s.PLC作為主站是控制系統(tǒng)的核心，各個變頻器作為從站控制變頻調(diào)速電機(jī)的運轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)以液晶觸摸屏作為人機(jī)交互界面，觸摸屏與PLC的通過MPI總線方式進(jìn)行通信連接，完成工藝參數(shù)的設(shè)定。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用西門子標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)和編程軟件STEP7對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和軟件編程。

2.1硬件組態(tài)及通訊設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成，如2所示，對系統(tǒng)進(jìn)行硬件組態(tài)：變頻器與總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊是通過定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象"（PPO）的數(shù)據(jù)完成，PPO的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由2部分組成：參數(shù)區(qū)域PKW；過程數(shù)據(jù)區(qū)域PZD.本系統(tǒng)中定義各個變頻器與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊結(jié)構(gòu)為PPO型1的方式，即PKW為4個字，PPO區(qū)為2個字。

2系統(tǒng)硬件組態(tài)另外，在變頻器上設(shè)置主要參數(shù)：P003=3（參數(shù)訪問等級）；P1080=0（最低頻率）；P1082=110（最高頻率）；P0700=6（變頻器命令源于通訊）；P1000=6（變頻器工作頻率源于通訊）；P0719=50（通訊參數(shù)）；P0918=37（變頻器從站地址號）.

通過以上的設(shè)定，各個變頻器就可以與PLC建立通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通訊方式設(shè)定如3所示。

2.2軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計。程序由主程序OB1和功能FC以及數(shù)據(jù)模塊DB構(gòu)成。在主程序OB1中依次調(diào)用各功能模塊FC，完成對系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)模塊DB1中為系統(tǒng)運行所需的各參數(shù)；另外建立5個數(shù)據(jù)模塊DB3DB7對應(yīng)5臺變頻器，在DB3DB7中設(shè)置5臺變頻器的相關(guān)參數(shù)。

程序運行時，先判斷系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)不同狀態(tài)執(zhí)行不同的動作。對電機(jī)控制時，首先根據(jù)狀態(tài)計算各個電機(jī)的給定速度，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換把速度轉(zhuǎn)換成頻率形式，然后調(diào)用功能模塊FC40FC44分別完成對5臺電機(jī)的控制。其中的重要功能是實現(xiàn)對總線的通訊操作，程序中是通過系統(tǒng)功能模塊：讀總線（SFC15）和寫總線（SFC14）實現(xiàn)的。

2.3電機(jī)同步控制

本控制系統(tǒng)的核心功能為如何保證5臺電機(jī)的運行同步，即啟動、停止和調(diào)速過程中各電機(jī)帶動各自飛輪旋轉(zhuǎn)，各飛輪旋轉(zhuǎn)速度之間根據(jù)工藝要求始終要保持某一的比例關(guān)系。因為該捻絲機(jī)中各個電機(jī)的功率各不相同，且相差很大。其中，電機(jī)1為18.5kW；電機(jī)2為11kW；電機(jī)3為5.5kW；另外2個電機(jī)為1.5kW.如果只是通過設(shè)定各個變頻器相同的啟動上升時間和停止下降時間，來實現(xiàn)同步，通過現(xiàn)場試驗表明，是很難達(dá)到實現(xiàn)的。這主要是由于各個電機(jī)負(fù)載的不同以及各個變頻器性能的差別。為此，本系統(tǒng)提出了采用小步長來增加或減少頻率值以實現(xiàn)同步性要求。

以電機(jī)1和電機(jī)2的啟動過程為例來說明：如要求啟動過程時間為30s，啟動完成后穩(wěn)定運行狀態(tài)下電機(jī)1飛輪速度為4500r/min，電機(jī)2的飛輪速度為10000r/min，對應(yīng)的電機(jī)1變頻器和電機(jī)2變頻器所輸出交流電壓的頻率值分別為54Hz，100Hz.取步數(shù)1000步，則每一步對應(yīng)時間為0.03s.

電機(jī)1每一步的步長就為54Hz/1000=0.054Hz，電機(jī)2每步步長為0.1Hz，每0.03s兩電機(jī)飛輪同時增長1個步長，電機(jī)1飛輪和電機(jī)2飛輪轉(zhuǎn)速每步分別增長4.5r/min，10r/min.每臺電機(jī)的變頻器都同時以與速度比相對應(yīng)的小步長增加輸出電壓的頻率值，通過以等步數(shù)和小步幅逐步同時增加5臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到了啟動過程中的運行同步。

電機(jī)停止過程中同步控制采用同樣的方法。

3結(jié)語

采用現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)多電機(jī)的同步控制，與傳統(tǒng)方式相比，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，可靠、高效等特點。現(xiàn)場設(shè)備運行表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全可靠，能完全滿足系統(tǒng)的功能和精度要求。設(shè)備中各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常準(zhǔn)確和可靠，同步性非常好，沒有發(fā)生過受工業(yè)現(xiàn)場干擾等故障現(xiàn)象，充分說明了利用現(xiàn)場總線技術(shù)準(zhǔn)確控制多臺電機(jī)非常方便，對同類設(shè)備的控制具有借鑒意義。

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