1系統(tǒng)構成

1.1系統(tǒng)功能

某型捻絲機的整個工藝過程共5臺電機驅動。

據(jù)工藝要求，整個設備的運轉速度能夠根據(jù)需要調整，而且要求各個電機轉速之間保持一定的比例，即各電機運轉同步。所以，該捻絲機控制系統(tǒng)的核心功能就是控制設備中各個電機，使各電機根據(jù)工藝要求轉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)設置、系統(tǒng)調試、成品長度計米、設備狀態(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.電機的控制。5臺電機的啟動、停止、正轉、反轉，以及速度的動態(tài)調節(jié)都由PLC通過數(shù)字通信方式對變頻器進行控制，從而實現(xiàn)電機的控制。電機的同步控制由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檢測設備的各種開關信號、傳感器信號，把這些信號作為PLC程序中關于啟動、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)設置。配置觸摸屏作為系統(tǒng)的人機交互界面，各種工藝參數(shù)的設定、顯示都通過觸摸屏完成。

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

1.2系統(tǒng)結構

如1所示，該捻絲機控制系統(tǒng)由以下幾個部分構成：

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臺電機的驅動。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矩輸出來保證五臺電機啟動時的同步性。

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種網絡通信方式，分別用來與變頻器和觸摸屏進行通信；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)場總線網絡

。系統(tǒng)采用PROFIBUS總線通信技術將PLC和5個變頻器組成一個總線網絡，根據(jù)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸要求，采用主從結構PROFIBUSDP方式，它是經過優(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，其拓撲結構為總線型，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速電機的運轉。控制系統(tǒng)以液晶觸摸屏作為人機交互界面，觸摸屏與PLC的通過MPI總線方式進行通信連接，完成工藝參數(shù)的設定。

2系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用西門子標準組態(tài)和編程軟件STEP7對系統(tǒng)進行組態(tài)和軟件編程。

2.1硬件組態(tài)及通訊設置

根據(jù)系統(tǒng)的構成，如2所示，對系統(tǒng)進行硬件組態(tài)：變頻器與總線網絡的數(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)結構由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)場總線網絡的數(shù)據(jù)通訊結構為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）.

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

2.2軟件設計

系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設計。程序由主程序OB1和功能FC以及數(shù)據(jù)模塊DB構成。在主程序OB1中依次調用各功能模塊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5臺變頻器，在DB3DB7中設置5臺變頻器的相關參數(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。對電機控制時，首先根據(jù)狀態(tài)計算各個電機的給定速度，通過數(shù)據(jù)轉換把速度轉換成頻率形式，然后調用功能模塊FC40FC44分別完成對5臺電機的控制。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電機同步控制

本控制系統(tǒng)的核心功能為如何保證5臺電機的運行同步，即啟動、停止和調速過程中各電機帶動各自飛輪旋轉，各飛輪旋轉速度之間根據(jù)工藝要求始終要保持某一的比例關系。因為該捻絲機中各個電機的功率各不相同，且相差很大。其中，電機1為18.5kW；電機2為11kW；電機3為5.5kW；另外2個電機為1.5kW.如果只是通過設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，是很難達到實現(xiàn)的。這主要是由于各個電機負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1和電機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1飛輪速度為4500r/min，電機2的飛輪速度為10000r/min，對應的電機1變頻器和電機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，則每一步對應時間為0.03s.

電機1每一步的步長就為54Hz/1000=0.054Hz，電機2每步步長為0.1Hz，每0.03s兩電機飛輪同時增長1個步長，電機1飛輪和電機2飛輪轉速每步分別增長4.5r/min，10r/min.每臺電機的變頻器都同時以與速度比相對應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臺電機的轉速，達到了啟動過程中的運行同步。

電機停止過程中同步控制采用同樣的方法。

3結語

采用現(xiàn)場總線方式實現(xiàn)多電機的同步控制，與傳統(tǒng)方式相比，具有系統(tǒng)結構清晰，可靠、高效等特點?，F(xiàn)場設備運行表明，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。設備中各個電機的轉速非常準確和可靠，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)場總線技術準確控制多臺電機非常方便，對同類設備的控制具有借鑒意義。

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