基于PLC的加弹机控制系统研究.pdf

第2 6 卷第2 期 纺织学报v 0 1 2 6 N 。2 2 0 0 5 年4 月 J 。u m a l 。fT e x t j l eR e s e a r c h A p r ，2 0 0 5 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 ·综合述评· 基于P L C 的加弹机控制系统研究 鄢来朋，陈宗农，朱新杰 ( 浙江大学机械与能源工程学院，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要针对国内加弹机控制系统发展现状，参照国外各式加弹机控制系统的发展和应用，对加弹机控制系统的 各个组成部分提出了自己的设计。利用友好的人机交互界面，实现强大的监控管理功能；利用P I D 模糊控制实现 热箱温度的精确控制；采用P L c 结合变频器闭环控制和在线张力监测实现电机的高精度控制；通过四级动程修正 和持续改变卷绕角，防止硬边和叠丝。 关键词加弹机；控制系统；变频器；P I D ；P L c 中图分类号：佟1 0 3 7文献标识码：A 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 1 2 0 0 5 ) 0 2 一0 1 3 3 0 3 S t I l d yo fd r a wt e x t u r i n gm a c h i n e sc o n t m ls y s t e mb a s e do nP L C Y A NL a i p e n g ，C H E NZ o n g - n o n g ，Z H UX i n - j i e ( ( 0 比酽矿 z 砒n n 如耐口以踟呦魄i n 矗增，Z 蚵池，2 9 i M H 妙，舶，够b n ，孙E 洳昭 3 1 0 0 2 7 ，吼i m ) A b s t r 舵tP r e s e n t e da d e s i g nf o rt h ed r a wt e x t u n n gm a c h i n e sc o n t r o ls y s t e ma c c o r d i n gt ot l l ec u r T e n td o m e s t i cs i t u a t i o n0 fd r a w t e x t u r i n gm a c h i n e sa n dr e l i e do n 山ea 1 1k i n d so ff o r e i g nd r a wt e x t u r i n g l a c h i n e sc o n “o ls y s t e m s T h ed e s i g nh a d 伍e n dh u m a n c o m p u t e ri n t e T f a c e st om n n i t o rt h ef i e l ds i t u a t i o n ，r e a l i z e dt h eh i g hp r e c i s i o nt e m p e r a t u r ec o n t r o lw i t h 山eP I D F u z z yc o n t m l I I l e t l l o d ，r e a l i z e dt l eh i g hp r e c i s i o nc o n t r o lf o rm o t o rc o m b i n i n gP I Cw i t l lc l o s e d l o o pc o n t m la n dt e n s i o n - m o n i t o ro n 1 i n eo fv 撕a b l e f b q u e n o yd r i v e s ，a v o i dt l e h a r db o r d e ra n do v e r l a p p i n gy a mb yf b I I r 铲a d e ss t I _ 0 k em o d i f i c a t i o na n dc h a o g i n gw i n d i n ga n g l e i n c e s s a n y K e yw o r d s d r a wt e x t u r i n gm a c h i n e ；c o n t r o ls y s t e m ；v a r i a b l ef r e q u e n c y 曲v e s ；P I D ；P L C 1 加弹机的现状与发展 我国纺织机械产品门类全、品种多。随着纺织 工业向外向型产业的转变，国产装备已远远不能满 足纺织工业的生产要求，从而迫使纺机行业加大了 产业升级和产品结构调整的力度。目前我国加弹机 市场主要依赖进口，或是与国外厂家开展合作。国 际上生产加弹机的化纤机械厂主要来自德国、意大 利、日本、瑞士、法国、英国、美国、韩国、奥地利和印 度等国。德国巴马格公司A F K 系列加弹机是该公 司的新一代产品，其热箱的主要特点是采用高温热 箱( 温度5 0 5 0 0 ) ，直线纱路n 1 ；立达公司在常州 生产的丌F 1 2 s D s 型加弹机采用联苯加热的高温热 箱和纱线R 式接触等；印度赫姆生公司的H D s m 型加弹机、意大利R P R 公司生产的3 s D x 型加弹机、 经纬纺织机械股份有限公司的F J w F K 6 1 0 0 0 型加弹 机等都普遍采用了高温热箱、在线张力检测、自动落 筒等技术，配置有新型的假捻器等。在控制系统方 面，采用C R T ( L c D ) 显示及监控，中央控制逐渐从单 片机控制向P L c 、D s P 以及工控机等处理能力强和 组网通讯比较方便的控制方向转变。控制系统越来 越人性化、智能化、集成化。这些新技术的采用，提 升了加弹机的控制能力、控制精度，比较方便地实时 显示、设定和调整工艺参数。 2 加弹机的控制系统的组成 加弹机的控制系统可分为监视系统、速度调节 系统、温度控制系统和卷取控制系统。而监视系统 为中央处理系统，负责与其它系统的通讯以及出错 报警、参数显示设定、界面的显示、打印处理等，中央 处理系统对硬件的要求比较高，软件采用高级语言 v B 编制。系统的组成如图l 所示。 2 1 监控管理系统 监控系统包括了输入输出显示、响应按键输入、 对下位机的通讯控制、显示故障和生产过程统计以 及工况统计等，采用w i n d o w sN T 风格界面。上位机 作者简介：鄢来朋( 1 9 8 2 一) ，男，在读硕士。主要从事剑杆织机和加弹机控制系统的研究。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 【1 3 4 】 纺织学报 2 0 0 5 年第2 ，期 其它控制系统H 监控系统( 巾央处理系统) 卜_ 1 打印 兴罡 编 码 器 在 线 张 力 监 测 系 统 卷 取 电 机 图l 系统组成圈 由工控P C 机来完成，工控P c 与下位P L c 之间的通讯 必须经过R S 2 3 2 至R S 4 8 5 的电平转换。 监控子系统基于三菱公司的C c L i n k 总线的监 控管理系统，底层采用三菱N ：NP L C ( F x l 9 - 2 0M R 与 F x 。一4 0 M R 组成) 通讯网络，网络内采用半双工的 R S 4 8 5 通讯方式。网络的第二层，采用一台同时连 接C C “n k 通讯模块和R S 2 3 2 通讯模块的三菱 A l S J H 系列P L C 接收底层传来的数据并加以处理， 然后以标准格式传递给上层计算机，同时把来自计 算机的命令发往下层系统旧1 。 中央处理系统采用轮回查询的方式与下位机子 站进行通讯。每隔一定的时间，中央监控计算机就 会依次向所有的下位机子站发出信号，每个信号都 带有监控计算机欲进行通讯的子站的站号信息，这 样就建立了相应通讯信道。在这种通讯关系中，监 控计算机始终处于主导地位，具有绝对的主动权。 它可以依据程序事先定好的方式开始或结束与监控 网络内任意一台子站的通讯。这样就保证了监控计 算机对通讯总线的控制，在某一时刻只有特定的数 据出现在总线上，由此从根本上避免数据收发混乱 的出现。 中央监控计算机发给下位子站的数据格式如图 2 所示，子站的返回数据格式如图3 所示。 图2 上位机发出的数据的格式 图3 下位机发出的数据格式 命令码1 和命令码2 为通讯协议的编制主要内 容1 。基于通讯协议，上位机( 工控P c ) 要对整个监 控网络中的各子系统进行实时监测与控制。实时监 控模块定时地发出命令，要求网络中的下位子机上 传自己的运行和控制参数，包括温度设定值与当前 值、上下罗拉与中罗拉速度、假捻摩擦盘速度、牵伸 倍数、横动速度、卷绕速度和统计张力等。经过处理 后，监控模块将这些数据以数字、图形或表格的形式 显示出来，可以选择性地加以保存，根据处理结果产 生对下位子系统相应的控制命令。 2 2 温度控制系统 加弹机的热箱加热方式一般分为电加热和联苯 加热2 种方式，其中电加热方式的温度可以高达 7 0 0 ，而联苯加热的温度则在o 3 0 0 之间¨1 。 本文设计的高精度温度控制系统，采用模糊智 能P I D 控制方式，对热箱温度实现连续闭环控制。 P I D 控制参数根据热箱温度偏离设定值的大小进行 模糊自适应调整，以寻求最小的超调量和最快的调 节速度。和现有的位式温控方式相比，温度控制的 精度和稳定性均有较大程度的提高。此外，该温控 系统具有功能全面、抗干扰能力强等特点，达到高精 度控制全封闭气相联苯加热箱温度的目的。全封闭 式联苯热箱温度控制系统技术关键包括：不同种类、 粗细化纤丝加弹、定型对加热箱温度的不同要求；联 苯相变过程对加热箱上、下温差的影响、温度测点的 布置；热电阻信号的精确测量，信号转换模块的设 计，干扰、误差信号的抑制及补偿；可控硅驱动信号 转换、驱动模块的设计；控制回路内、外扰影响因素 试验研究，模糊智能P I D 自适应控制算法研究及控 制回路调试；上位工控机人机界面软件的编制及调 试；整机合成后的温度控制系统联调。 热箱温度控制系统主要由温度传感器( P t l 0 0 ) 、 P L c 信号输入、输出模块、电功率调节模块等组成。 以一台完整的高速加弹机为例，共分为9 节，每节包 含有第一和第二热箱，每只热箱布置上、下2 个温度 测点。对每只热箱的温度控制，并配置有独立的 P L c 从站控制系统，不同温控从站之间进行数据通 讯，同时和P C 主站系统进行通讯，这样既可以提高 热箱温度控制的精度和速度，也能保证不同热箱温 度控制不会相互干扰。P L C 系统根据每节热箱上、 下温度值，经过模糊智能P I D 自适应运算b j ，根据热 箱加温过程中的不同阶段，自动调节P I D 控制参数， 然后将计算获取的模拟输出信号转换为与之成比例 的脉宽调制信号输出至功率调节模块，最终实现高 精度温控的目的，同时对热箱温度越限实现保护和 报警。温度检测信号显示和P I D 控制用参数可以通 过触摸屏实现。P L c 脉宽调制输出的分辨率可达 1 0 脚，温度测量分辨率为o 2 ，足以保证控制的 精度和快速性。 捌T上m怅偿取一1倦T_叫变频器 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 2 0 0 5 年第2 期纺织学报 2 3 速度控制系统 子系统采用原有技术怕。的改进方式，三菱F x 系列P L C 通过通讯扩展卡与变频器进行通讯，利用 P L C 自带的P I D 功能实现调速。结合了P L C 与变频 器的速度控制系统和在线张力监测系统，实现加弹 丝的牵伸比率、喂给速度、丝线张力的实时控制。 变频器选择艾默生电气生产的E v 2 0 0 0 系列变 频器。E v 2 0 0 0 采用独特的控制方式实现了高转矩、 高精度、宽调速驱动，满足通用变频器高性能化的趋 势；而且具有实用的P I 、简易P L C 、零回差、主辅给定 控制、定长控制等优异的控制功能。 通讯方式采用R S 4 8 5 接口异步半双工通讯。 P L C 为主机，变频器为从机，主从式点对点通讯，主 机使用广播地址发送命令时，从机不应答；使用从机 键盘或串行通信方式设置变频器的本机地址、拨特 率、数据格式；从机在最近一次对主机轮询的应答帧 中上报当前的故障信息。协议格式参见文献 7 。 在线张力监测控制系统已成为高档加弹机必不 可少的一个组成部分，可以进行变形工艺优化，它可 以对生产过程进行全程张力控制，并且可以根据检 测结果直接对加弹丝进行质量分级。德国B a 珊a g 公司生产的A F K 系列( 采用u N I T E N s ) 、日本的T M T 公司A F r 系列( 采用T C S 或T M S ) 等加弹机都普遍 采用了在线张力监测系统。在线张力监测系统与现 场控制器进行直接双向通讯，再由现场控制器与上 层的监控子系统进行通讯，对数据进行各种处理，将 数据以图形化的界面显示。监控系统将数据处理结 果( 控制命令) 输出至温控子系统，改变前期的变形 工艺；输出至现场控制器，改变加弹丝的张力；输出 至卷绕成形系统，对加弹丝质量进行分级。 2 4 卷绕成形系统 卷绕的防叠及防硬边控制是纺丝过程中很主要 的环节，它直接关系到产品的成形质量。为了防止 卷装上出现叠丝现象，在横动运动速度上加一个干 扰值，使横动速度形成一个均匀的三角波，从而使横 动速度有微小的变化，以此来改变丝线卷绕的交叉 角，达到防叠的目的。另外，为了防止丝线在卷绕上 出现硬边，需要通过改变卷装两端丝的位移大小来 实现，即四级动程修正。动程修正要与横动电机的 上升下降配合使用，用P L C 的两个输出端接到动程 【1 3 5 】 修正变频器的正转端子和反转端子上，从而实现四 级动程修正【8 。子系统采取了除机械零件的制造、 安装精度必须相应提高外，合理确定摩擦辊、槽筒结 构和材料、槽筒的润滑方式，来达到运转平稳、变速 准确、丝的张力稳定、磨损小、噪声低的要求。同时 采取槽筒辊和摩擦辊独立电机驱动，借鉴文献 8 ，9 所提出的方式，使交叉角可在一定的范围内变动，进 一步改善退绕性和凸边，提高防叠性。与电机同轴 相连的还有一个角度探测器，实时探测到角度变化 情况，以回馈变频器按正确方式控制电机运转，达到 控制要求。该卷绕系统可以满足不同纤维、不同品 种的工艺要求。提供不同的卷绕速度，适应高速卷绕 的需要。 3结 语 系统上位机与下位机分工明确，上位P c 完成 系统的监控管理功能，中层P L C 完成上下通讯和协 调管理功能，下位P L c 完成温度的控制( 温度控制 子系统) ，速度算法计算和控制( 速度控制系统和卷 绕成形系统) 。充分发挥了不同控制器的优点，成本 适中，而功能更加强大，运行更加稳定，通过在绍兴 纺织机械集团公司的实际应用，温度和速度控制达 到了很高的精度，加弹丝质量显著提高，适应当前我 国加弹机升级的市场要求。 参考文献： 1 吴永升，徐妙祥，庞家璐第八届中国国际纺织机械展览会综述 J 纺织机械，2 0 0 3 ，( 1 ) ：8 1 0 2 吕文刚基于c c “n k 现场总线的织机网络监控系统的研究与 开发 D ： 硕士论文 杭州：浙江大学，2 0 0 1 3 朱新杰面向网络的新型电子提花控制系统的研究与开发 D ： 硕上论文 杭州：浙江大学，2 0 0 2 4 张锡山牵伸假捻机的发展近况 J 纺织电气，1 9 9 9 ，( 3 ) ：1 6 2 0 5 宋明刚樊尚春一种高精度温度控制的复合方法及应用 J 北京航空航天大学学报，2 0 0 1 ，2 7 ( 5 ) ：5 6 0 一5 6 3 6 吕文刚，詹建潮纺织印染机械中寅现同步控制的新方法 J 纺织学报，2 0 0 2 2 3 ( 1 ) ：6 4 6 6 7 E M E R s 0 N E v 2 0 0 0 系列通用变频器用户手册，2 0 0 3 8 刘炎斌，武艳花P L c 在假捻变形机上的应用 J 纺织电气， 2 0 0 1 ，( 3 ) ：2 2 2 3 9 齐韶文侯燕，柴君娜F K 6 卷绕成型机构的研究 J 山西机 械，2 0 0 0 ，( 1 2 ) ：2 2 2 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark