西門子控制系統(tǒng)在大容量短纖維前紡設(shè)備中的應(yīng)用

湯俊杰 西門子（中國）有限公司上海分公司

薛峰 上海二紡機股份有限公司

湯俊杰（1978年～），男，工程師?，F(xiàn)任西門子公司東區(qū)OEM應(yīng)用支持高級經(jīng)理，從事化纖設(shè)備的電氣設(shè)計。

0 引 言

現(xiàn)今，世界化纖生產(chǎn)和設(shè)備的特點是技術(shù)日趨先進，工藝更為成熟，品種變化更為靈活，更趨于大規(guī)?；?、高質(zhì)量、低成本的生產(chǎn)經(jīng)營模式。生產(chǎn)設(shè)備繼續(xù)向大型化、高速化、自動化、柔性化的方向發(fā)展。

化纖短纖維的生產(chǎn)隨著技術(shù)的不斷進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展而不斷擴大。單線生產(chǎn)能力從原來的15～50t/天，如今甚至提高到了200～250t/天。而國產(chǎn)化的年產(chǎn)30 000t（100t/天）的滌綸短纖維生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)完善性與設(shè)備可靠性則日趨成熟與完善。與過去的小化纖生產(chǎn)設(shè)備相比更具有規(guī)模化的優(yōu)勢，大大降低了生產(chǎn)成本，同時提高了勞動生產(chǎn)率，產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益。

1 大容量短纖前紡設(shè)備介紹

大容量化纖短纖維前紡設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示：它主要由紡絲機、卷繞機、絲桶往復(fù)組成（這三大部分時常合起來被稱為紡絲聯(lián)合機）。

圖1 前紡設(shè)備主要結(jié)構(gòu)布置

1.1 紡絲機

紡絲機主要由紡絲箱體（一般每條生產(chǎn)線有4個紡絲箱體）、紡絲組件、紡絲泵傳動裝置（一般每條生產(chǎn)線有32個紡絲泵）、冷卻吹風(fēng)、上油裝置以及聯(lián)苯加熱裝置等組成。其作用是將熔化的熔體通過彎道進入各個紡絲箱體，分配到各紡絲位的熔體經(jīng)計量泵由紡絲頭噴出。噴出的熔體細流受吹風(fēng)裝置的空氣冷卻凝固成絲條，然后從甬道落下繼續(xù)冷卻。紡絲泵、紡絲箱體如圖2所示。

圖2 紡絲泵與紡絲箱體

聯(lián)苯加熱裝置（一般一條生產(chǎn)線有2臺）用來對整個管道及所有紡絲箱體進行保溫，如圖3所示。

圖3 聯(lián)苯加熱裝置

1.2 卷繞機

卷繞機主要由狹縫上油裝置、切絲吸絲裝置、網(wǎng)絡(luò)生頭器、牽引機、喂入機等部件組成。其主要作用是在卷繞面板上設(shè)置第二道上油系統(tǒng)，為原絲再次上油，隨后原絲經(jīng)牽引輥、導(dǎo)絲輥、喂如輪裝置牽伸后落入盛絲桶。卷繞機如圖4所示。

圖4 卷繞機示意

1.3 絲桶往復(fù)裝置

絲桶往復(fù)裝置主要由縱向、橫向運動部件、進出桶輸送部件、臺車等組成。它是化纖短纖維生產(chǎn)線中的一個重要設(shè)備，用來盛放由卷繞機牽伸下來的絲束，并通過縱向電機與橫向電機的合成運動將絲束在桶里鋪成V字型，以滿足后紡的牽伸工藝要求，絲桶往復(fù)裝置如圖5所示。

圖5 絲桶往復(fù)裝置

2 電氣控制系統(tǒng)介紹

選用了西門子控制系統(tǒng)使得整個大容量短纖維設(shè)備的控制系統(tǒng)具備如下的特點：

1. 基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS，系統(tǒng)高度穩(wěn)定可靠，具有很強的抗干擾能力；

2. 開放式的總線，能方便地容納第三方設(shè)備；

3. 變頻調(diào)速采用大功率、高精度的直流母線變頻傳動系統(tǒng)；

4. 實現(xiàn)全數(shù)字化、全現(xiàn)場化控制；

5. 設(shè)備集中監(jiān)控、友好的人機界面；

6. 可以實現(xiàn)車間和工廠級的信息化管理，向信息監(jiān)控系統(tǒng)自動提供實時數(shù)據(jù)。

2.1 紡絲機控制系統(tǒng)

紡絲機的控制系統(tǒng)部分選用西門子S 7-300+M420+ET200M+TP177B的控制系統(tǒng)。紡絲機現(xiàn)場一般有32位計量泵與油劑泵的起、停按鈕，吹風(fēng)裝置的控制與位置信號，根據(jù)不同的工藝要求每個紡絲箱體上還可能會加裝箱體溫度、熔體溫度、熔體壓力等傳感器信號。所以選用了Profibus DP現(xiàn)場總線的控制方式，配置了現(xiàn)場I/O模塊（ET200M），用來連接現(xiàn)場開關(guān)量信號與箱（熔）體溫度壓力信號，并通過DP總線控制紡絲泵傳動變頻器。這樣大大減少了現(xiàn)場連接的電纜長度，同時提高了控制的精度與準(zhǔn)確性。紡絲機控制系統(tǒng)配置的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 紡絲機控制系統(tǒng)配置

紡絲機現(xiàn)場設(shè)置了人機操作面板（HMI）, 它具有設(shè)備啟/停、重要工藝參數(shù)設(shè)定、顯示、報警等功能，為用戶提供現(xiàn)場人機對話界面，使得操作更簡便，更具人性化。其操作主畫面如圖7所示。

圖7 紡絲機人機界面操作主畫面

2.2 聯(lián)苯加熱系統(tǒng)

全機由2臺聯(lián)苯鍋爐裝置用來加熱保溫，功率為150kW。聯(lián)苯鍋爐采用電加熱器形式，設(shè)置基本加熱組和控制加熱組，由Pt100鉑電阻、電加熱器等組成溫控系統(tǒng)，具有聯(lián)苯液位超下限、聯(lián)苯蒸汽壓力超上限、加熱器防干燒等聯(lián)鎖與報警功能。聯(lián)苯鍋爐溫控系統(tǒng)為獨立系統(tǒng)，由專用儀表控制溫度。

由于聯(lián)苯加熱裝置控制相對簡單，故選用S7-200的控制系統(tǒng)。但由于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要在上位機上采集顯示，需加裝EM277 DP模塊將該S7-200 PLC作為紡絲機S7-300 PLC的從站，并將聯(lián)苯加熱裝置數(shù)據(jù)（S7-200中的數(shù)據(jù)）上傳至紡絲機控制系統(tǒng)（S7-300）中，以便上位機調(diào)用。整個聯(lián)苯加熱的控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖8所示，其人機界面的操作畫面如圖9所示。

圖8 聯(lián)苯加熱控制系統(tǒng)

圖9 聯(lián)苯加熱顯示畫面

2.3 卷繞機控制系統(tǒng)

卷繞機控制系統(tǒng)選用S7-300+CUVC+M420+ET200M+TP177B的配置。卷繞機現(xiàn)場一般有32位切絲吸絲控制按鈕以及32位油劑泵起、停按鈕同樣采用Profibus DP總線的控制方式，通過DP現(xiàn)場總線配置現(xiàn)場I/O模塊，減少了現(xiàn)場電纜長度。并通過現(xiàn)場DP總線控制卷繞機的6個牽引輥、導(dǎo)入棍、喂入輪、上油泵傳動變頻器。通過編寫S7-300 PLC程序，實現(xiàn)了牽引輥、導(dǎo)入輥、喂入輪的同步升速，大大減少了卷繞機斷絲、纏輥的故障率，能滿足各種不同的紡絲工藝要求。卷繞機控制系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖10所示，其人機界面操作主畫面如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)配置

圖11 卷繞機人機界面操作主畫面

2.4 絲桶往復(fù)

整個絲桶往復(fù)的電氣控制系統(tǒng)由S7-300+CUMC+M420+TP177B組成，其系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 絲桶往復(fù)系統(tǒng)配置

由于絲桶往復(fù)裝置是整個短纖維前紡設(shè)備中最關(guān)鍵的部件，同時也是控制難度最大的設(shè)備之一。它的成敗在一定程度上甚至影響到了整線的成敗，故在此將重點介紹絲桶往復(fù)裝置的電氣控制系統(tǒng)。

1. 該控制系統(tǒng)中控制器采用西門子S7 313C-2DP程控器?？v向、橫向傳動部件采用了MASTERDRIVE MC伺服運動控制驅(qū)動器。伺服電機采用1FT6系列同步伺服電機。出桶則采用MM420變頻控制，用來調(diào)節(jié)出桶速度。控制器與驅(qū)動器之間采用Profibus DP的通訊方式連接。工藝參數(shù)設(shè)定與顯示采用5.7英寸的TP177B觸摸屏，為用戶提供了良好的人機操作界面。

2. 絲桶的縱向、橫向往復(fù)運動采用MASTERDRIVE MC運動控制器和1FT6系列伺服電機，顯著提高了系統(tǒng)的緊湊性、集成度和動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)了機動、靈活和高效的驅(qū)動控制。利用MC提供的點到點的位置功能（MDI功能），完成了往復(fù)運動的工藝要求，又利用了其尋零功能（Homing功能），有效地消除了由于機械運動所引起的累積誤差，避免了誤動作，實現(xiàn)了往復(fù)運動的精確控制。SIMOVERT MASTERDRIVE MC裝置中加裝CBP2通訊板能將驅(qū)動連接到PROFIBUSDP總線上，這樣所有驅(qū)動參數(shù)和運動控制均可通過通訊完成，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c準(zhǔn)確性，同時也方便了用戶對設(shè)備的操作和維護。

3. 該控制系統(tǒng)的主控制器采用了S7 313C-2DP ,該CPU功能強大（DP從站數(shù)量最大124，浮點數(shù)運算最小0.72μs），結(jié)構(gòu)緊湊，除了集成了PROFIBUS-DP接口外，還集成了數(shù)字輸入和輸出通道，這些輸入和輸出通道，除可作為一般的I/O應(yīng)用外，還可作為高速計數(shù)和脈沖輸出用，極大地提高了系統(tǒng)的性價比。

4. 控制系統(tǒng)采用5.7英寸的TP177B型觸摸屏，為用戶提供了良好的人機界面，其多達 5 種語言聯(lián)機切換 (包括亞洲和西里爾語言)，適合各個國家用戶。同時提供了手動、自動畫面，工藝參數(shù)的設(shè)定和選取，故障報警、診斷和記錄，方便了用戶對該設(shè)備的使用和日常維護。絲筒往復(fù)裝置的人機界面主畫面如圖13所示。

圖13 絲桶往復(fù)人機界面主畫面

3 絲束定長

絲桶往復(fù)的好壞與成敗最終在于盛絲桶內(nèi)的絲束長度是否一致或偏差范圍是否符合要求。絲桶往復(fù)是連續(xù)運行裝置，絲桶的進、出可以用定時或定長來自動觸發(fā)控制。

1. 定長即根據(jù)絲束的長度來決定換桶的時間。其原理是在牽引輥的第六棍上裝上編碼器或接近開關(guān)，在牽引棍切入高速后，根據(jù)實際測得的脈沖數(shù)，可計算得到絲束長度，以此進行絲束定長計算。在實際運用中，為避免信號被干擾，傳感器線應(yīng)采用屏蔽雙絞線，并可靠接地。

2. 定時即根據(jù)紡絲的時間來決定換桶的時間。在現(xiàn)有設(shè)備中，牽引棍大都采用同步電機，其速度誤差非常小，故采用定時來完成，其與實際紡絲的誤差也非常小。

3. 為保證每桶絲的長度一致，絲桶將滿桶時，不管用定長還是用定時觸發(fā)換桶，設(shè)備都將執(zhí)行自動調(diào)整程序，絲筒往復(fù)裝置定時控制原理如圖14所示。

圖14 絲束定長原理

自動調(diào)整原理：

t總：定時值

t：預(yù)留調(diào)整時間

t=t1+t2

T/2

T：往復(fù)運動周期

a點為t總-t，可以是向前或向后運動中的任一點；

b或d點為基準(zhǔn)點，對縱向運動為最后點。

當(dāng)系統(tǒng)到達預(yù)留調(diào)整時間t：

無論縱向運動處于何種狀態(tài)和位置（處于b點除外）立即進入向后運動；

到達b點后，向前運動t2/2；

到達c點后，向后運動t2/2；系統(tǒng)正好到達基準(zhǔn)點，完成準(zhǔn)確定時或定長要求。

根據(jù)上述原理在S7-300的PLC中編制相應(yīng)的自動調(diào)整程序，將準(zhǔn)確地完成絲桶往復(fù)裝置的定長或定時要求，以滿足最終絲束精確定長的要求。

4. 絲桶往復(fù)裝置在短纖維紡絲設(shè)備中處于前紡和后紡中間，紡絲設(shè)備在實際使用中若發(fā)生最后牽伸后，發(fā)現(xiàn)每個絲桶內(nèi)絲束的定長差異較大，這時不僅要考慮往復(fù)裝置工藝參數(shù)設(shè)置是否正確，還應(yīng)考慮前紡牽伸部分、后方集束架等部分的參數(shù)及工藝是否合理，以便更好更快解決問題。（前紡牽伸速度不穩(wěn)定將導(dǎo)致絲束長度驟變，后紡集束架上的張力調(diào)節(jié)器設(shè)置不當(dāng)?shù)脑?，將會?dǎo)致各個絲桶內(nèi)的殘留絲束長度相差過大，造成大量廢絲，從而無法滿足工藝要求。）

在PSL短纖項目中，用戶提出其產(chǎn)量的5‰～6‰變成廢絲（由于尾絲殘流在桶內(nèi)無法使用），于是對絲桶往復(fù)裝置運行進行了詳細記錄。記錄如圖15所示。

圖15 絲桶往復(fù)裝置運行記錄

根據(jù)以上記錄表中的數(shù)據(jù)，可以看到

1. 32只盛絲桶最長用時46min58s，最短用時46min56s，誤差僅2s，按現(xiàn)場紡絲速度1 260m/min計算，絲束長度誤差為42m（±21m），折算成重量誤差為±0.9kg（原絲3.85d、32個位、噴絲板3 150孔）。絲桶往復(fù)裝置絲束長度誤差完全在可接受范圍內(nèi)。

2. 但PSL提供的尾絲記錄量卻遠大于上述絲長誤差（重量誤差），其原因并不在絲桶往復(fù)設(shè)備本身，而是由其他原因所致。故提出了以下解決方案：

（1）檢查上述尾絲量多的絲桶在集束架下的位置是否固定。

（2）一般此類問題是由于集束架上絲束張力不勻造成，調(diào)整尾絲多的絲桶張力既可大大減少尾絲長度（最早牽完的絲桶增大張力，最后牽完的絲桶減少張力，中間絲桶類推，達到張力均勻），反復(fù)多次調(diào)試即可大大減少尾絲長度。

4 小結(jié)

整個化纖前紡設(shè)備控制系統(tǒng)采用的西門子電氣設(shè)備較多，應(yīng)用的系統(tǒng)涉及到變頻控制、伺服控制、PLC、DP通訊、HMI等較多領(lǐng)域，是一個較復(fù)雜的綜合應(yīng)用。使用該控制系統(tǒng)的大容量短纖維前紡設(shè)備，已在多個用戶現(xiàn)場進行了長時間的生產(chǎn)應(yīng)用，至今運行平穩(wěn)。