基于SIEMENS S7-200 PLC改造老式整經(jīng)機(jī)盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

吳文廷

整經(jīng)是將經(jīng)紗（絲）按一定數(shù)量、密度、幅寬和技術(shù)要求卷繞成一定長度經(jīng)軸的工序［1］.如圖1所示的是實(shí)現(xiàn)整經(jīng)紡織工序的普通整經(jīng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，整經(jīng)時，長絲由紗架1上筒子引出，經(jīng)由集絲版2集中通過分經(jīng)筘3、加油器4、靜電消除器5、伸縮筘6以及羅拉7均勻地卷繞在經(jīng)軸8上.

圖1 普通整經(jīng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中驅(qū)動經(jīng)軸8運(yùn)行的是盤頭電機(jī)，羅拉7為線速度檢測設(shè)備.在整經(jīng)要控制系統(tǒng)中，盤頭電機(jī)線速度的控制是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的，系統(tǒng)要求盤頭電機(jī)線速度勻速.因此，改造老式整經(jīng)的關(guān)鍵在于盤頭電機(jī)控制的改造.

1 老式整經(jīng)機(jī)盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)的研究

老式整經(jīng)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要是由繼電器控制系統(tǒng)組成的，由于電氣圖紙丟失、繼電器控制線路復(fù)雜、供貨商不再提供售后服務(wù)、零配件購置不到而使得設(shè)備的維修、改造工作變得復(fù)雜、困難［2］.

因此，改造老式整經(jīng)機(jī)主要是對設(shè)備電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，對原有控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，畫出其電氣控制原理圖，并對其控制原理進(jìn)行分析研究.

1.1 盤頭電機(jī)控制接線圖

如圖2所示的是逐條線路檢查后繪制出來的整經(jīng)機(jī)盤頭電機(jī)控制接線圖，盤頭電機(jī)M是由愛默生TD1000變頻驅(qū)動控制.

圖2 盤頭電機(jī)控制接線圖

1.2 盤頭電機(jī)控制運(yùn)行方式

查看愛默生TD1000變頻器變頻參數(shù)的設(shè)置，將其與本系統(tǒng)相關(guān)的主要參數(shù)整理在表1中.

表1 變頻器主要參數(shù)設(shè)置表

由表1變頻器主要參數(shù)設(shè)置表可以分析出變頻器的工作方式.當(dāng)接觸器常開觸點(diǎn)KM1閉合時，變頻器X1與COM接通，由功能碼F067可知，此時變頻器按點(diǎn)動JOGF控制的方式、以速度3.00Hz驅(qū)動盤頭電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行.當(dāng)接觸器常開觸點(diǎn)KM2閉合時，變頻器FWD與COM接通，由功能碼F072設(shè)置為“0”即“兩線控制模式1”，由圖3兩線控制模式1接線圖及表2兩線控制模式1真值表可知盤頭電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，又由表1查得F000的設(shè)定值為2，即運(yùn)行頻率設(shè)定方式選擇，因此盤頭電機(jī)正轉(zhuǎn)的運(yùn)行速度是由模擬量輸入值確定的.依據(jù)表1，F(xiàn)007、F013、F014、F015、F016的設(shè)置參數(shù)可作出變頻器輸入模擬量電壓與輸出頻率之間的線性關(guān)系圖［3］，如圖4所示.

圖3 兩線控制模式1接線圖

表2 兩線控制模式1真值表

圖4 輸入模擬電壓值與輸出頻率之間的線性關(guān)系圖

1.3 盤頭電機(jī)控制運(yùn)行過程

圖5所示的是整經(jīng)機(jī)電器控制原理圖，接觸器線圈KM1、KM2、KM3盤頭電機(jī)點(diǎn)動運(yùn)轉(zhuǎn)、盤頭電機(jī)以設(shè)定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)、盤頭電機(jī)制動.

當(dāng)腳閘SF踩下時，接觸器線圈KM1得電，連接變頻器X1與COM的常開觸點(diǎn)KM1接通，則變頻器以點(diǎn)動的運(yùn)行方式運(yùn)行；當(dāng)啟動按鈕SB1按下時，接觸器線圈KM2得電并自鎖，線圈KM1、KM2互鎖，連接變頻器FWD與COM的常開觸點(diǎn)KM2接通，則變頻器按模擬輸入電壓值對應(yīng)的頻率正轉(zhuǎn)運(yùn)行；SA1開關(guān)為盤頭電機(jī)停車開關(guān)，當(dāng)SA1撥到停車檔時，盤頭電機(jī)以自由停車的方式停車；接觸器線圈KM3與KM1、KM2互鎖，當(dāng)制動開關(guān)SA2撥到制動檔時，接觸器線圈KM3得電，連接變頻器X1和FWD與COM的常閉觸點(diǎn)斷開，同時其常觸點(diǎn)接通盤頭電機(jī)的制動裝置，實(shí)現(xiàn)盤頭電機(jī)的制動.

圖5 盤頭電機(jī)電器控制原理圖

其中，圖5中的FA、FB為變頻器故障輸出常閉觸點(diǎn)［4］，正常時閉合，故障時斷開，切斷接觸器線圈KM1、KM2的電源，盤頭電機(jī)由以自由停車方式停車.

1.4 盤頭電機(jī)的速度控制

由表1變頻器參數(shù)表可查得，給定量通道選擇F052設(shè)置為1，即輸入模擬電壓值是由VCI模擬0～10V電壓給定.再由圖2盤頭電機(jī)控制接線圖可知，盤頭電機(jī)的速度控制是由接入變頻器VCI觸點(diǎn)與GND觸點(diǎn)的電位器，當(dāng)電位器R電阻阻值調(diào)高時，輸入的模擬電壓值變大，當(dāng)電位器R電阻阻值調(diào)低時，輸入的模擬電壓值變小，由圖4輸入模擬電壓值與輸出頻率之間的線性關(guān)系圖，則變頻器對應(yīng)的輸出頻率增大或減小.

因此，盤頭電機(jī)速度的控制能夠通過調(diào)整電位器R的阻值來控制.

但盤頭電機(jī)速度能控制快慢還不夠，必須要能夠讓其線速度穩(wěn)定［5］.系統(tǒng)用的是變頻器TD1000內(nèi)置的PID控制，由表1變頻器參數(shù)表F051、F052、F054的設(shè)置值及圖2盤頭電機(jī)控制接線圖進(jìn)行分析、研究，變頻器選擇了閉環(huán)控制，速度給定值由VCI給定，即電位器R，反饋量由線速度表DHC的輸出電壓模擬量給變頻器的輸入通道CCI，組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中線速度表DHC的輸出電壓模擬量與羅拉線速度脈沖的頻率CP成正比.盤頭速度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖6所示.

圖6 舊控制系統(tǒng)盤頭速度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖

如圖7所示的是盤頭電機(jī)基于SIEMENS S7-200 PLC改造后的控制系統(tǒng)框圖，PLC選用SIEMENS S7-200 CPU XP224 AC/DC/Relay，HMI選用的是MCGS TCP106Ti，變頻器、盤頭電機(jī)由于狀態(tài)良好，仍舊可以使用，沒有更換.系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器對盤頭電機(jī)線速度進(jìn)行檢測采集，并將檢測采集到的數(shù)據(jù)傳送給PLC，通過PLC程序處理及TD1000變頻器內(nèi)置PID控制，實(shí)現(xiàn)了對盤頭電機(jī)線速度的閉環(huán)控制.

圖7 盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2.2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)接線圖

2.2.1 PLC I/O分配表

如表3所示的是基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)的I/O分配表.

羅拉測速傳感器、盤頭電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器均為NPN型600P旋轉(zhuǎn)編碼器，該旋轉(zhuǎn)編碼器為5線三相制（脈沖為A、B、Z相）.因此，在輸入地址中I0.0用來檢測盤頭電機(jī)的線速度，I0.4用來計(jì)算盤頭電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù).

在輸出地址中，“模擬輸出電壓V1”是PLC CUP模塊自帶的模擬電壓輸出，其作用是用來設(shè)置變頻器運(yùn)行頻率，對應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)存儲地址為AQW0；“模擬輸出電壓V2”是PLC的模擬量I/O擴(kuò)展模塊EM235中的一個模擬電壓輸出，其作用是通過PLC編程，將羅拉線速度轉(zhuǎn)換為電壓模擬量反饋給變頻器反饋輸入通道CCI，其對應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)存儲地址為AQW4.

表3 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)的I/O分配表

2.2.2 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)接線圖

如圖8所示的是基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)系統(tǒng)接線圖.與圖5比較，按鈕及傳感器都改接到PLC的輸入端子，圖8中Q0.0、Q0.1、Q0.2分別控制著KA1、KA2、KA3，相當(dāng)于圖5的KM1、KM2、KM3，控制著盤頭電機(jī)的點(diǎn)動、啟動和制動.

與圖2比較，原有盤頭電機(jī)速度的控制是由電位器R控制改為由PLC的模擬輸出電壓V1的值控制；原有盤頭電機(jī)線速度反饋給變頻器CCI是由線速度表DHC模擬輸出電壓改為PLC的模擬輸出電壓V2.

圖8 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)系統(tǒng)接線圖

2.3 基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)控制系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)

改造后的PLC控制系統(tǒng)，點(diǎn)動、啟動、停車和制動這幾個邏輯輸出量控制的PLC程序編寫比較簡單，這里不進(jìn)行論述.

系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是依據(jù)羅拉編碼器檢測到的脈沖信號計(jì)算出盤頭電機(jī)即時線速度，將線速度轉(zhuǎn)換為一定的模擬量值并由“模擬輸出電壓V2”輸出給TD1000變頻器的CCI，也就是將盤頭電機(jī)的線速度轉(zhuǎn)化為電壓模擬量反饋給變頻器，實(shí)現(xiàn)了變頻器內(nèi)置PID對盤頭電機(jī)線速度的閉環(huán)控制.其控制基本原理如圖9所示.

圖9 盤頭電機(jī)線速度控制系統(tǒng)框圖

2.3.1 盤頭電機(jī)線速度計(jì)算方法

由于測速壓輥和經(jīng)軸盤頭的相對運(yùn)動，所以壓輥和經(jīng)軸盤頭表面的線速度相同［6］.在本項(xiàng)目中，測速裝置為羅拉表面和經(jīng)軸盤頭表面的線速度相同.

測速裝置中羅拉表面線速度為：

R為測速羅拉的半徑，因本旋轉(zhuǎn)編碼器用的是600P，單相輸入，則ω為測速裝置中羅拉旋轉(zhuǎn)的角速度：

D為測速羅拉的直徑，D=80mm，n為羅拉編碼器t時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)量，將D=80mm、t取值為 40ms，即 t=40ms=0.04s，代入式（1）中，得：

2.3.2 將盤頭電機(jī)線速度轉(zhuǎn)換為模擬量計(jì)算方法

如圖10所示的是盤頭線速度對應(yīng)電壓值的線性圖，當(dāng)盤頭線速度最高時，PLC對應(yīng)的輸出電壓V2應(yīng)為10V.依據(jù)圖11所示的AQW4數(shù)值對應(yīng)電壓輸出值的線性圖，及式（2）可得：

0.2513272k為圖10盤頭線速度對應(yīng)電壓值的線性圖斜率，k為待求系數(shù).

圖10 盤頭線速度對應(yīng)電壓值的線性圖

圖11 AQW4數(shù)值對應(yīng)電壓輸出值的線性圖

設(shè)置為10V輸出，讓盤頭電機(jī)空載啟動到最高速度，等速度穩(wěn)定后，再隨機(jī)讀取十個脈沖值，如表4所示，求其平均值為391.2，作為盤頭電機(jī)最高線速度運(yùn)行下對應(yīng)的脈沖值n.

表4 盤頭電機(jī)最高速度狀態(tài)下的脈沖采集表

依據(jù) 式（3），將 AQW4=32000（SIEMENS S7-200 PLC模擬量輸出10V時，變量AQ4對應(yīng)的數(shù)值［8-9］）、n=391.2代入，得：

將k值代入式（2）可得，盤頭電機(jī)線速度對應(yīng)AQW4的線性公式為：

2.3.3 盤頭電機(jī)線速度計(jì)算程序

如圖12所示的是盤頭電機(jī)PLC線速度計(jì)算的中斷程序設(shè)計(jì)框圖.在PLC程序編程中，設(shè)置每40ms中斷一次，中斷時執(zhí)行圖12所示的PLC程序.在這段中斷程序中，首先將HC0采集來測速羅拉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)傳送給VD0變量，然后再依據(jù)式（2）和（4）分別計(jì)算盤頭線速度和對應(yīng)反饋給變頻器的PLC輸出模擬量AQW4，最后把HC0得位為0值，為下一個中斷計(jì)算作準(zhǔn)備.

圖12 盤頭線速度計(jì)算中斷程序

2.3.4 盤頭電機(jī)啟動控制程序

如圖13所示的是盤頭電機(jī)啟動過程PLC程序設(shè)計(jì)框圖，為保證盤頭電機(jī)電動過程線速度加速的平穩(wěn)，要求PLC輸出模擬量值A(chǔ)QWO的增加不宜過快，因此當(dāng)啟動開始時，每100ms增加10，當(dāng)盤頭線速度接近所要求速度的90%時，AQWO變?yōu)槊?00ms增加1，直到等于所設(shè)定的值N.

圖13 盤頭電機(jī)啟動過程PLC程序設(shè)計(jì)框圖

3 小結(jié)

在研究老式整經(jīng)機(jī)盤頭電機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，繪制出原來控制系統(tǒng)的原理圖，列出愛默生TD1000變頻器的主要參數(shù)，研究原有控制系統(tǒng)的控制原理，繪制出原有控制系統(tǒng)盤頭速度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖.

選用SIEMENS S7-200 PLC為系統(tǒng)控制器，繪制出基于SIEMENS S7-200 PLC改造盤頭電機(jī)系統(tǒng)接線圖和盤頭速度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，推導(dǎo)出盤頭電機(jī)速度的計(jì)算公式及其與本系統(tǒng)所對應(yīng)的輸入模擬量公式，并依據(jù)其編寫出盤頭電機(jī)速度控制的PLC程序.

改造后，盤頭電機(jī)運(yùn)行良好，線速度穩(wěn)定，完全能夠替代原有的控制系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為生產(chǎn)企業(yè)依舊有些老舊設(shè)備存在著被改造的價(jià)值和潛力提供借鑒的案例.