基于變頻調速技術的染整機械同步控制研究

蔡朝賓

摘要：紡織行業(yè)自動化連續(xù)生產(chǎn)的要求之一是實現(xiàn)印染機械的高精度同步控制，本論文針對傳統(tǒng)的同步控制方案在實際應用中暴露出來的問題，采用了全數(shù)字式變頻調速同步控制方案，分析了該控制方案的結構組成及其工作原理，并在此基礎上給出了該同步控制系統(tǒng)的軟硬件設計方案，以及對PID同步控制算法進行了分析，對于實現(xiàn)印染機械的高精度同步控制，從理論和實踐上都具有一定的借鑒和指導意義。

關鍵詞：染整機械 變頻調速 同步控制

0 引言

自動化連續(xù)生產(chǎn)是現(xiàn)代生產(chǎn)加工工藝的主要特點，印染機械在體積、重量和長度等方面都比較大，通常是由單元機組成聯(lián)合機，形成生產(chǎn)流水線，進行高速度、高效率及一體化的生產(chǎn)，因此對印染機械電氣控制的可靠性、經(jīng)濟性、調速比與同步性能提出了較高的要求。隨著現(xiàn)代電力電子技術的飛速發(fā)展，交流變頻技術的日趨完善，國內外大量盒式變頻器的生產(chǎn)，為分電源交流變頻調速系統(tǒng)在多單元染整聯(lián)合機的應用提供了方便。這種染整聯(lián)合機的每個單元由一臺電動機拖動，各臺電機分別由一臺變頻器調速驅動，構成多單元同步傳動系統(tǒng)，一般取整機中容量較大，或工藝核心部位為主令單元，工作時，需要多大的運行速度，由主令單元決定和調整；生產(chǎn)過程中，要求各單元電動機協(xié)調同步，使織物保持恒定的張力和線速度，同時根據(jù)織物及工藝的不同，調整整個聯(lián)合機的速度及各單元間的轉速比。為此，對于多目標的染整機械之間的同步控制，成為了影響染整機械工作質量和運行狀態(tài)的關鍵因素之一。本研究課題正是基于此，研究了基于變頻調速技術的全數(shù)字式同步控制系統(tǒng)。

1 同步控制方案

傳統(tǒng)的同步方案，有模擬同步控制方案和數(shù)模結合同步控制方案。模擬同步控制方案盡管控制結構簡單，但是實現(xiàn)起來成本較高，同時同步控制的精度不高；而數(shù)模結合同步控制方案雖然同步控制精度有所提高，但是由于數(shù)字信號與模擬信號在轉換傳輸上的時差，因而在同步控制方面還是不盡如人意，難以實現(xiàn)復雜的在線算法與控制方案，即使采用反饋補償控制算法，又間接增加了控制系統(tǒng)的成本，因此，在這樣的情況下，全數(shù)字式變頻調試同步控制方案得到了廣泛的關注和研究。本研究課題所采用的同步控制方案也正是采用全數(shù)字式變頻調速同步控制方案。新一代變頻器內部普遍采用全數(shù)字化的控制方式，并提供一個內置RS-485串行通信接口，以便于構成全數(shù)字式的控制系統(tǒng)。全數(shù)字式同步控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。人機界面(或者監(jiān)控計算機)、變頻器均通過RS-485接口與PLC的通信模塊連接，由人機界面實現(xiàn)發(fā)送控制信息、設定運行參數(shù)以及讀取運行狀態(tài)的作用；數(shù)字測速部件采用張力傳感器對染整機械的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測，通過對各同步控制單元中張力松緊狀態(tài)的采集，將被測的傳感物理量送至PLC的高速脈沖計數(shù)輸入單元，PLC將采集到的各單元實時轉速與設定運行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進行運算和控制，轉換為各單元的電機的運行速度設定值，再通過RS-485總線寫入變頻器執(zhí)行，最終通過變頻器實現(xiàn)調速、達到同步控制的目的。由于PLC直接通過數(shù)字通信模式，按照一定采樣周期進行信息的輸入、處理和輸出，簡化了系統(tǒng)外圍模塊，縮短了控制周期，同時提高了在線檢測、運算和驅動能力，控制精度和工作可靠性也進一步提高；另外，可以通過通信接口將變頻器相關參數(shù)量如(電流、轉速、頻率等)讀到人機界面上，供操作人員監(jiān)視，并可根據(jù)實際情況做出相應的判斷和調整，使機器的操作更加簡便、直觀，系統(tǒng)運行參數(shù)的設定也可以通過遠程通信實現(xiàn)，從而降低操作故障，減少勞動力的投入，是一種值得推廣的高精度同步控制方案。

2 基于變頻調速的同步控制系統(tǒng)分析

2.1 同步控制系統(tǒng)工作原理及過程 基于變頻調速技術的同步控制系統(tǒng)的工作原理及工作過程，相對傳統(tǒng)的同步控制方案，實現(xiàn)起來較為簡單，雖然成本較高，但是控制精度高，能夠實現(xiàn)無人值守，后期運行維護任務簡單，因此仍然具有很突出的優(yōu)勢。針對多臺印染機械同步控制的需求，對相關參數(shù)進行狀態(tài)監(jiān)測，可以設置傳感器進行狀態(tài)監(jiān)測，由傳感器將運行狀態(tài)參數(shù)采集并輸送到下位機PLC中，在PLC控制器內部實現(xiàn)相關的控制算法，并生成相應的控制決策，最后在數(shù)字量輸出口輸出需要變頻調整的印染機械的調速頻率，通過RS485將該調速頻率寫進對應機械的控制變頻器內，由變頻器改變輸出頻率實現(xiàn)對電機的無極調速，進而達到對印染機械調速、實現(xiàn)同步控制的目的。

2.2 PID同步控制的實現(xiàn) 這里我們重點分析帶PID回路調節(jié)器的PLC控制方式。在該方式中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電動機的無級調速，傳感器的任務是檢測當前染整機械的線張力、松弛或張緊狀態(tài)等；以張力PID控制算法為例進行分析，張力設定信號和張力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸送給變頻器一個頻率控制信號；還有一種辦法是將張力設定信號和張力反饋信號送入PID回路調節(jié)器，由后者進行運算后，輸給變頻器一個頻率控制信號。一般有兩種方法實現(xiàn)帶PID回路調節(jié)器的PLC控制。由于變頻器的頻率控制信號是由可編程控制器或PID回路調節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口，而帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出端口另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉變?yōu)槟M量。從PID控制的穩(wěn)定性和可靠性角度考慮，采用帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器為宜，但從控制系統(tǒng)的成本考慮，則采用第二種實現(xiàn)方式最佳，因此應當根據(jù)系統(tǒng)的控制精度及可靠性要求，以及可控成本，綜合考慮決定采用那種實現(xiàn)方式。變頻調速就是根據(jù)當前染整機械的張力情況、松弛或張緊狀態(tài)，以及其他傳感參數(shù)，由控制中心決定哪臺染整機械處于不同步狀態(tài)，根據(jù)該臺染整機械的相關狀態(tài)參數(shù)及其反饋參數(shù)，結合其他染整機械的控制狀態(tài)，經(jīng)過PID控制算法，給出該染整機械的調速方案，并由中心PLC輸出一個控制頻率到該染整機械的變頻器上，通過RS-485輸入該調整頻率，通過變頻器實現(xiàn)最終的同步控制調整。

3 結語

印染機械同步控制系統(tǒng)采用變頻控制方式時，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定的同步控制精度，以及結合傳感器的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)，自動實現(xiàn)高精度的多臺印染機械的同步控制，提高了生產(chǎn)效率，采用組態(tài)遠程監(jiān)控使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)；另一方面，采用PLC作為控制器，硬件結構簡單，成本低，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電機無級調速，依據(jù)運行速度、控制精度等參數(shù)的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，以滿足同步生產(chǎn)的需求，該系統(tǒng)很適于在紡織行業(yè)部門大力推廣。

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