9300標(biāo)準(zhǔn)型伺服控制器在針梳機(jī)上的應(yīng)用

摘 要：介紹了倫茨公司9300伺服控制系統(tǒng)在高速針梳機(jī)中的應(yīng)用，從而實現(xiàn)主從電動機(jī)的同步運(yùn)行，并討論了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及在實際應(yīng)用中解決問題的方法。
關(guān)鍵詞： 針梳機(jī) 伺服控制器 同步
現(xiàn)場總線技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，推動整個自動化控制向更高層次發(fā)展。本文所介紹的系統(tǒng)充分發(fā)揮伺服控制器和現(xiàn)場總線技術(shù)的特點，準(zhǔn)確、靈活地控制高速針梳機(jī)。
FB621型針梳聯(lián)合機(jī)集機(jī)、電、氣、儀于一身，具有高速、大卷裝、人機(jī)對話友好、出條工藝彈性化等特點，是一臺自動化程度非常高的新機(jī)型。
1 全機(jī)技術(shù)要求
該機(jī)傳動裝置分別由2臺電動機(jī)、同步帶輪等組成。主伺服電動機(jī)動力經(jīng)同步帶輪傳動到變速箱，由變速箱通過同步帶輪和鏈輪分別傳至自調(diào)勻整機(jī)構(gòu)與并條機(jī)構(gòu)。伺服電動機(jī)的動力經(jīng)同步帶輪傳送至針梳、牽伸部件后又經(jīng)同步帶輪傳送至成卷、推卷部件。自調(diào)勻整裝置檢測的毛條粗細(xì)變化量經(jīng)信號放大裝置放大后，再經(jīng)PLC處理，可實時改變從動伺服電動機(jī)的工作頻率。
本機(jī)對控制系統(tǒng)的基本要求：
由于本機(jī)采用2臺電動機(jī)驅(qū)動，所以在啟動和停車時必須保證2臺電動機(jī)按照給定的牽伸比嚴(yán)格同步；牽伸比可以根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)；在自動勻整時，傳感器檢測的信號必須經(jīng)過檢測點到牽伸區(qū)的延遲距離后再經(jīng)過處理送到伺服控制器改變速度；前段電動機(jī)的響應(yīng)速度必須非常快，以便保證勻整度；保護(hù)裝置必須靈敏可靠地保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行以及故障時顯示故障原因及故障位置。
FB621型針梳機(jī)具有斷條、報警、滿桶、針輥失速和堵輥等自停功能，通過觸摸顯示屏，可以實時監(jiān)控針梳機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以及當(dāng)前定長、條速、產(chǎn)量、針輥速度等工藝參數(shù)的顯示。也可以通過觸摸屏進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)定，包括工作班次的設(shè)定、針輥速度的預(yù)設(shè)、每米條重設(shè)定、滿桶報警和預(yù)報警長度的設(shè)定以及對各班產(chǎn)量清零等操作。主電動機(jī)速度也通過觸摸屏設(shè)定后傳到主伺服控制器控制主電動機(jī)。
而主電動機(jī)速度的微小變化是通過電位器檢測，再通過信號放大裝置放大后送人PLC，然后采用PLC的自由口通訊模式與從電動機(jī)伺服控制器通訊來控制從電動機(jī)伺服控制器運(yùn)行頻率及其動作邏輯。
2 硬件配置
B621供電接線控制框圖如圖1所示。

FB621由2臺伺服電動機(jī)驅(qū)動，采用2臺相應(yīng)的倫茨9300標(biāo)準(zhǔn)型伺服控制器控制，主控單元采用西門子S7—314控制2臺伺服控制器。S7—314PLC作為系統(tǒng)主站，2臺倫茨9300伺服控制器作為從站，人機(jī)界面采用帶RS485通訊VI的Easyview觸摸屏。通過人機(jī)界面設(shè)定工藝參數(shù)，并將工藝參數(shù)成組地存儲在PLC的用戶數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，并且隨時可以調(diào)用這些參數(shù)。倫茨9300伺服控制器連接旋轉(zhuǎn)變壓器作為反饋方式，無須參數(shù)調(diào)整。倫茨9300伺服控制器可監(jiān)控旋轉(zhuǎn)變壓器及其供電電纜的開路故障（故障指示sd2）。旋轉(zhuǎn)變壓器接線如圖2所示。

在發(fā)電模式下，若9300伺服控制器的直流母線電壓超過C0173代碼下設(shè)定的門限（監(jiān)控功能“OU”有效），則必須接入制動單元。制動單元可將電動機(jī)動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，避免運(yùn)行過程中“OU”故障，保證IX；母線電壓低于門限值。
9300系列伺服控制器分辨率為0.01 Hz，可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速精確到0．3 r／min，從而使?fàn)可毂稊?shù)和卷繞張力的誤差控制在0．2％以內(nèi)。
后段伺服控制器由PLC直接控制，伺服控制器由變頻器模擬量輸出（模擬量為實際頻率輸出）與PLC輸出的牽伸比的乘積控制，計算由伺服控制器完成。數(shù)字頻率級聯(lián)式從動接線圖如圖3所示。

根據(jù)設(shè)計要求，綜合機(jī)器的先進(jìn)性、可靠性和成本因素，硬件采用了以下配置：
控制系統(tǒng)需要2個脈沖計數(shù)器分別對刺輥轉(zhuǎn)速和出條速度進(jìn)行高速計數(shù)，它們共占用CPU314的10．6和I1．2 2個輸入點，加上其他限位開關(guān)輸入共需17個輸入點，輸出點共需10個。同時，觸摸屏和伺服控制器與PLC通訊各需1個通訊口，PLC控制系統(tǒng)選用CPU314。
圖4所示為電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成簡圖。

控制核心選用西門子S7—314CPU型PLC及EM232模擬輸出模塊，由于CPU314具有2組通訊口，因此PLC與觸摸屏、伺服控制器三者之間實現(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)可簡化硬件結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，充分保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
3 軟件的編制
3．1 系統(tǒng)上電初始化
系統(tǒng)上電后，在PLC第1個掃描周期內(nèi)分別對工作參數(shù)、時鐘中斷1、高速計數(shù)器HC1（針輥測速計數(shù)）和HC2（定長計數(shù)）及對通訊斷VI portl和通訊收發(fā)用的數(shù)據(jù)緩沖器參數(shù)進(jìn)行初始化。
3．2 工作參數(shù)的設(shè)定
在觸摸屏的工作參數(shù)設(shè)定畫面里進(jìn)行工作班次、針輥預(yù)設(shè)速度、滿桶定長、定長預(yù)報警和每米條重等參數(shù)的輸入設(shè)定，上述參數(shù)存人PLC相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。
3．3 針輥速度、出條速度等工藝參數(shù)的檢測和計算
針輥測速脈沖和定長計數(shù)脈沖分別由高速計數(shù)器HC1和HC2進(jìn)行計數(shù)，同時，當(dāng)250 ins時鐘中斷1每產(chǎn)生4次中斷（即250 ins×4=1 S）時，在中斷程序中讀取HC1和HC2的計數(shù)值后，即可計算刺輥速度和出條速度參數(shù)。同時，在PLC每個掃描周期中，根據(jù)高速計數(shù)器HC1和HC2的值，即可計算出條長度、產(chǎn)量等工作參數(shù)并在顯示屏上顯示。由于CPU314PLC具有浮點運(yùn)算功能，因而計算結(jié)果和控制具有很高的精度。
3．4 PLC與伺服控制器的通訊
PLC與伺服控制器采用自由通訊模式通訊，控制伺服控制器運(yùn)行頻率及其動作邏輯。該功能由發(fā)送控制命令字符串子程序和接收字符中斷程序完成，在PLC發(fā)送控制命令字符串通訊時，均回讀控制器狀態(tài)，以檢查通訊發(fā)送是否正確完成；在發(fā)生通訊出錯時，系統(tǒng)可以有3次通訊重試次數(shù)，從而確保系統(tǒng)安全與可靠的運(yùn)行。
4 解決系統(tǒng)調(diào)試中的難點
利用倫茨公司的Global Drive Control軟件進(jìn)行調(diào)試及監(jiān)控。該軟件是基于Windows平臺的調(diào)試、診斷軟件，驅(qū)動器的所有參數(shù)都具有表格化、圖形化提示，可以更新處理及打印參數(shù)設(shè)置，也可以處理過程數(shù)據(jù)及進(jìn)行診斷操作，也可以實現(xiàn)離線或在線操作，這些也可以在通訊條件下進(jìn)行。
利用Global Drive Control軟件對伺服控制器進(jìn)行參數(shù)整定。先采用靜態(tài)整定的方法，自動測定主電動機(jī)，為的是確定轉(zhuǎn)子和定子阻抗的實際值，自動進(jìn)行優(yōu)化計算；再用先動態(tài)整定的方法，激活轉(zhuǎn)矩控制，這是由加速轉(zhuǎn)矩的計算，根據(jù)轉(zhuǎn)速給定變化調(diào)整轉(zhuǎn)矩控制，設(shè)定速度控制電路的動態(tài)響應(yīng)的功能參數(shù)作用，并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化控制。
在調(diào)試時，隨主機(jī)速度的提高，需要從機(jī)響應(yīng)速度提高，快速準(zhǔn)確達(dá)到同步，所以需要調(diào)整速度環(huán)的增益參數(shù)。速度環(huán)的作用是產(chǎn)生電動機(jī)的速度指令并準(zhǔn)確跟蹤。通過設(shè)定的目標(biāo)與電動機(jī)的實際速度相比較，利用其偏差通過速度調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電動機(jī)的速度指令，在大偏差區(qū)域，應(yīng)產(chǎn)生最大速度指令，使電動機(jī)加速并以最大速度恒速運(yùn)行，在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電動機(jī)減速運(yùn)行跟蹤主電動機(jī)。因為9300伺服控制器適合控制循環(huán)周期短而且高精度、高動態(tài)響應(yīng)的控制系統(tǒng)。這種控制器是智能控制系統(tǒng)的一部分，它能實現(xiàn)機(jī)動、靈活和高效的驅(qū)動控制，其性能超過同類系統(tǒng)。
5 結(jié)語
此系統(tǒng)經(jīng)實踐證明對速度的控制非常準(zhǔn)確可靠。充分說明了在高速系統(tǒng)中用伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確地控制速度，對控制同類設(shè)備有借鑒意義。
由于FB621高速針梳機(jī)采用觸摸屏為人機(jī)界面，西門子S7—300可編程控制器為控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有操作簡單，控制可靠，性能價格比高的優(yōu)點，現(xiàn)已批量投產(chǎn)進(jìn)入市場，滿足了用戶需求，具有很強(qiáng)的市場競爭力。
參考文獻(xiàn)
1 西門子公司．PLC S7—300編程手冊．
2 倫茨公司．9300標(biāo)準(zhǔn)型伺服控制器操作手冊．