基于HMI的紙管機控制系統(tǒng)變頻控制設計

1 引言

　   紙管機是一種紙料加工機械，它以單光面牛皮紙為原料，經過切刀成片，將其卷成紙卷的設備。生產的紙管主要用于穿在的橫粱上，代替塑料外皮，符合環(huán)保的標準。將紙管用作衣架橫梁的外殼，就可根據需要調整直徑，而衣架的重量不變，克服了傳統(tǒng)金屬和塑料衣架弊端。此外，經過噴漆的紙管外形美觀。還可起到滑輪的作用。該種紙管衣架主要大批量向國外出口，專門生產該種紙管的機械，在國內幾乎是空白。

　　國內相似的紙類產品加工機多為半自動機型，主要采用機械傳動的方式實現(xiàn)紙的切片，之后由人工將紙片送到卷紙機內進行卷管，生產效率比較低，不能適應時代的要求。設計開發(fā)的是全自動機，無需人工送紙，實現(xiàn)了送紙、切紙、卷紙全自動化生產，有效的提高了生產效率，為企業(yè)創(chuàng)造的效益。

       全自動紙管機的電氣控制系統(tǒng)設計具有如下的特點：

　　(1)采用先進的PLC和數字通訊技術實現(xiàn)生產過程。PLC的靈活性編程，利于程序的閱讀、修改和維護。系統(tǒng)中通訊用到的自由口協(xié)議，編程簡單，不需要另購模塊，開發(fā)成本低。

　　(2)變頻器控制電機傳動平穩(wěn)、維護工作量小、現(xiàn)場環(huán)境清潔。通過自由口協(xié)議對變頻器進行控制，極大地減少了線路連接的復雜性，避免了現(xiàn)場可能的各種電磁干擾對控制設備的影響。

　　(3)自動化程度較高，通過人機界面實現(xiàn)計數、計時計算產能、系統(tǒng)監(jiān)控、故障自動識別，自動報警等功能，使機械安全性提高。系統(tǒng)維護簡單，有效的降低了工人勞動強度，提高了生產效率，產能大大提高。

　　2 紙管機控制系統(tǒng)分析

　　紙管機要求實現(xiàn)自動化生產，在生產過程中實現(xiàn)自動送紙，自動抹膠，自動卷紙等功能，生產速度可實時調節(jié)，在整個工藝過程中，要求系統(tǒng)高速運行時穩(wěn)定，并且廢品率低。

　　根據客戶提出的的要求，依據以下原則進行方案設計：

　　(1)實用性;以解決實際問題為主，堅持為客戶的生產服務的原則。以往人工生產為每分鐘8個.客戶要求自動化生產能達到每分鐘60個左右，有效的提高生產效率。并且要兼顧未來的發(fā)展趨勢，采用成熟的技術。

　　(2)易用性：系統(tǒng)操作簡便、直觀，以利于各個層次的人員使用。

　　(3)經濟性：以節(jié)約成本為基本出發(fā)點，設計成一個運行可靠、滿足客戶實際需求的全自動卷管設備。

　　(4)可靠性：是評價系統(tǒng)安全最重要的因素。為確保系統(tǒng)可靠運行，在關鍵部分應有安全報警和保護措施。

　　(5)可維護性：系統(tǒng)從設計、元件、設備等的選型都必須考慮到系統(tǒng)的可管理性和可維護性。

　　根據以下設計原則，并綜合考慮紙管機工作現(xiàn)場的環(huán)境因素，采用觸摸屏作為人機界面進行交互式操作。利用可視化的操作界面可以實現(xiàn)運行速度設定，系統(tǒng)控制，產能計算，調試維護，報警顯示等功能。觸摸屏安放在操作臺上，便于員工操作;控制柜放置在臺下，既節(jié)省了電纜和空間，又方便運行、操作和管理。

　　結構設計是本課題的基礎。在借鑒相關領域成熟卷管設備的基礎上，機械部分運用機構學和力學原理進行分析和改進，提出了模塊化設計的思路，使本課題在實現(xiàn)功能的基礎上進一步提高機構運行的穩(wěn)定性和精度。

　　通過對制造工藝的研究，初步擬定了設備的結構方案。主要由四大模塊組成：磨邊機構、送料機構、導紙機構、卷紙機構，如圖1所示。

　　圖1 結構方案

　　3 設計方案

　　紙管機控制系統(tǒng)選用艾默生EC 10-2416BTA PLC作為控制器，eView的MT4400觸摸屏作為人機界面進行參數設置，相關信息讀取等，完成變頻器運行頻率參數設置，產品計數，生產計時，系統(tǒng)監(jiān)控，參數修改等功能。艾默生EV1000變頻器做驅動，控制主軸電機的運行，給整個生產線傳動，并且頻率實時可調，控制生產效率。磨邊電機和吸風電機主要是用來將紙的一邊打磨薄(便于涂膠和卷卷)并將其碎末吸走，通過PLC輸出到熱繼電器控制其輸出，防止電機在運行過程中因電流過大燒毀電機，有效的保障系統(tǒng)設備的安全運行。
 

　　輸入電源380V空氣開關(總開關)控制，分別引入到磨邊電機、變頻器各自獨立的空氣開關上。220V接入PLC、吸風電機、直流電源、變壓器，變頻器逆變?yōu)?10V接Kinco伺服驅動器。PLC的輸入輸出以及傳感器的驅動電路由24V直流電源供給。

　　3.1 變頻器與HMI的通訊

　　把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行。該設備中使用的為50Hz的電機，但當頻率達到30Hz時，已經滿足系統(tǒng)生產要求，頻率過高會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且成品率低。開機時需要緩慢上升到設定頻率，故需要變頻器來調節(jié)主電機運行頻率來滿足生產線需求。由于沒計中為了生產線的安全可靠性，將變頻器放在了控制柜中，這樣變頻器上的調節(jié)頻率的旋鈕不能起到作用，這就需要我們用另外一種方式通訊，我們選定了觸摸屏作為上位機，通過觸摸屏上的旋鈕來調節(jié)頻率，這就需要在觸摸屏，變頻器和PLC之問建立起一種可靠的通訊方式，EV1000支持Modbus協(xié)議，但是需要添加模塊才能實現(xiàn)此功能。在默認的情況下支持自由口協(xié)議。所謂自由口協(xié)議，就是可以由用戶定義的通訊協(xié)議，將CPU與任意通訊協(xié)議公開的設備聯(lián)網，如上位機，變頻器等。用戶可以設置特殊寄存器的參數改變通訊口的波特率、數據格式(數據位、停止位、校驗位)，以適應不同的通訊協(xié)議。此協(xié)議需要用戶在PLC內編程實現(xiàn)通訊功能。

　關鍵參數設置

　　變頻器設置

　　在通訊方式控制之前，需通過的控制面板進行下列參數設置：

　　F0.00=2 頻率給定通道設置為串行口給定;

　　F0.03=2 頻率給定通道設置為串行口給定;

　　FF.00 通訊參數設置(波特率、起始位擻據位、停止位、校驗位)，確保與PLC串口一致;

　　FF.01 變頻器地址設置0127，127為廣播地址;

　　PLC設置

　　在ControlStar“系統(tǒng)塊”的“通訊口”選項卡中設置相應的通訊參數，如表1所示。

　　表1 PLC通訊參數設置

　　通訊口協(xié)議編程啟動方式，由于串口同一時刻必能被一個通訊占用，所以在調用多個通訊類程序時，要注意到程序間的互鎖問題。實現(xiàn)方法主要是在程序中通過對SM122，SM123的復位，在實現(xiàn)命令的傳送與接收功能。

　　開機后變頻器的運行頻率為0Hz，此時變頻器已經啟動，但是沒有輸出，電機不運行，直到觸摸屏上的頻率參數被修改(被修改的是PLC寄存器內的值)，觸發(fā)了設定頻率子程序，子程序將修改后的頻率傳給變頻器執(zhí)行并在液晶屏上顯示，這就實現(xiàn)了自由口的修改變頻器頻率的通訊。

　　PLC、變頻器之間采用主從方式進行通訊，PLC為主機，變頻器為從機。采用半雙工雙向通訊，從機只有在收到主機的地讀寫命令后才發(fā)送數據，在程序中通過對SM122，SM123的復位，在實現(xiàn)命令的傳送與接收。PLC控制軟件編程上采用模塊式結構各種功能的子程序模塊通過主程序有機的結合起來，使系統(tǒng)運行可靠。PLC在第一次上電時，執(zhí)行初始化，對端口及SM122，SM123進行初始化，為增加程序可靠性，在初始化完成后。如檢測到端口空用時則執(zhí)行RSTSM122指令接口處于接敗狀態(tài)，程序如下：

　　∥初始化

　　LDSM122

　　EV

　　RSTSM122

　　RSTSM123

　　程序中用到的幾個幀實例如下：

　　變頻器啟動-010200000183r

　　設定頻率-0102000103E80264r

　　帶頻率反向啟動-0102000203E80265r

　　變頻器停機-01020007018Ar

　　3.2 人機界面的設計

　　系統(tǒng)選用的是eView的MT4400系列，通過觸摸屏要實現(xiàn)以下功能：變頻器運行頻率的設定;系統(tǒng)監(jiān)控;產能計算;調試維護;報警信息。

　　在觸摸屏上將給定頻率的數值存儲在PLC的寄存器D25中，界面上添加調節(jié)頻率的加減按鈕，就實現(xiàn)了頻率的實時可調功能。

　　寄存器D25內的值通過急停按鈕，系統(tǒng)開關按鈕的上升沿復位，從而從程序上保證廠系統(tǒng)運行的安全性，減少了安全隱患。設計好的變頻器運行頻率的設定界面，如圖2所示。

　　圖2 變頻器運行頻率的設定界面

　　系統(tǒng)監(jiān)控主要是將被控元件用運行燈表示在界面上，當系統(tǒng)運行時，被控元件被觸發(fā)時就在監(jiān)控界面上顯示閃爍狀態(tài)，表示該設備正在運行中。

　　產能計算主要適用于計算生產效率，通過宏代碼來實現(xiàn)：

　　#include"maerotypedef.h"

　　int MaeroEntry()

　　{

　　If(D30_R!=O)

　　D134_W=D31_R-D132_R;

　　D135_W=(D31_R-D132_R)*600/D30_R;

　　return0：

　　}

　　D31_R內存儲運行時間內生產的總數;D132_R內存儲的是廢品的數量;D134_W存儲合格產品的數量，宏觸發(fā)時計算出結果;D30_R是運行時間計時;單位為秒;D135_W為生產效率，取整數，單位個，分鐘，宏觸發(fā)時計算出結果。

　　在產能計算界面上還添加了清零按鈕，可以隨時將寄存器D31、D30內的值清零。保證了系統(tǒng)的頻率有改動時可以準確地計算出當前的生產效率。智能操作界面，如圖3所示。

　　圖3 智能操作

　　調試界面用于系統(tǒng)的維護和調試，可實現(xiàn)各個電機的單獨運行。調試界面的使用，減少了PLC的控制點數，降低成本;同時也簡化了操作系統(tǒng)。省去傳統(tǒng)機械上的眾多按鈕，簡化了工人操作，實現(xiàn)智能操作。調試界面，如圖3(b)所示。

3.3 伺服系統(tǒng)

　　該伺服系統(tǒng)由kinco伺服電機及其電源模塊，編碼器，卷紙傳感器和定位傳感器組成。充分利用了kinco伺服電機快速啟停，適合大慣量，內部可編程，控制模式自由切換，豐富的原點模式等諸多功能，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，廢品率降低，減少因電機失步或脈沖丟失造成的樣品定位錯位現(xiàn)象，減少了設備的損壞率，很好的滿足了生產的工藝要求。

　　伺服控制成型紙卷管的難點在于如何確定傳感器位置，使伺服系統(tǒng)在紙到位后立即精確卷管，且保持同其他工序在時間上的配合。伺服電機的原點定位是設計的難點，其中，兩個傳感器的定位是難點之一。既要保持控制方便.又要保證機械結構上的美觀和易于實現(xiàn)。伺服電機卷管之后保持在原點位置，設計將反射片固定在伺服電機的主軸垂直方向上，當反射片隨主軸轉動觸發(fā)定位傳感器為“ON”狀態(tài)時.標定為原點位置。開機運行時如果傳感器不在“ON”狀態(tài)，則執(zhí)行回原點程序，從而保證系統(tǒng)的安全準確，減少了廢品率。當成型紙片涂膠完畢送到位后，觸發(fā)卷紙傳感器，伺服電機接收到信號進行卷管。已成型的紙管由撥片送至成品箱內。

　　在系統(tǒng)正常運行后，每次卷管時還會觸發(fā)回原點傳感器為“ON”狀態(tài)，這就與卷管程序相矛盾。因此在系統(tǒng)開始正常運行后將回原點伺服程序置為無效，以保證后續(xù)程序的正常運行。

　　4 結論

　　全自動紙管機最高每分鐘可到60個，并且運行穩(wěn)定，成品率高，維護成本低，達到了客戶的需求。該系統(tǒng)在投入使用后，運行穩(wěn)定，達到理想的效果。