采用西門子觸摸屏、PLC和逆變器設計滌綸處理牽伸聯(lián)合機系統(tǒng)的設計

1 、前言

在化纖滌綸短絲的生產(chǎn)工藝流程中，后處理牽伸聯(lián)合機是整個生產(chǎn)線中的關鍵設備，各單元機的控制精度直接影響成品絲的質量。采用傳統(tǒng)的機械長邊軸或同步調(diào)節(jié)器控制，對各單元機之問的工藝比例倍數(shù)調(diào)整極不方便，且控制精度難以保證。所以，為了方便對各工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高整個系統(tǒng)的控制精度和可靠性，采用“西門子TP170A觸摸屏+S7—300PLC+矢量控制型逆變器”的控制模式，并采用PROFIBUS—DP作為主通信方式。

2、 PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線

PROFIBUS是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS廣泛應用于加工制造、過程和樓宇自動化等行業(yè)。PROFIBUS根據(jù)應用特點分為PROFIBUS—DP，PROFIBUS—FMS，PROFIBUS—PA。其特點分別為：PROFIBUS—DP（工廠自動化），快速即插即用；PROFIBUS—FMS（通用性自動化），通用、大范圍使用、多主通信；PROFIBUS—PA（過程自動化），面向應用、總線供電、本質安全。PROFIBUS—DP用于設備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備進行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此以外，智能化現(xiàn)場設備還需要非周期性通信，以進行配置診斷和報警處理。

PROFIBUS各種協(xié)議的實現(xiàn)可以通過PROFIBUS的相應專門協(xié)議芯片和微處理器的結合來完成。在電力傳動領域，各個公司分別推出自己的實現(xiàn)PROFIBUS各種協(xié)議的通信模板，直接插入變頻器內(nèi)就可以完成通訊。如：西門子公司SIMOVERTMASTERDRIVERS變頻器中的CBP板，艾默生變頻器的TDS—PA01適配器?，F(xiàn)就滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機自動化控制系統(tǒng)中PROFIBUS的具體應用作一描述。

3、 滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機PROFIBUS現(xiàn)場總線的應用

3．1 滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機傳動系統(tǒng)

本文以滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機自動化控制系統(tǒng)為例，介紹PROFIBUS現(xiàn)場總線應用。

化纖聚酯切片經(jīng)熔融紡絲卷繞上油形成絲束喂人盛絲桶內(nèi)，盛絲桶里的絲束從集束架引出，經(jīng)過浸油槽上油，進入第一牽伸機；本生產(chǎn)線共有兩道牽伸，一道牽伸在第一牽伸機和第二牽伸機之間進行；一道牽伸所需的牽伸溫度是75～80℃ ，由水浴牽伸槽提供。二道牽伸是在第二牽伸機和第三牽伸機之間的蒸汽牽伸箱中進行，牽伸溫度約為95～100～C；牽伸后的絲束由疊絲機將其疊成一片，送入卷曲機使絲束卷曲成形。系統(tǒng)結構組成如圖1所示。

系統(tǒng)使用6套西門子矢量控制型逆變器，分別驅動6臺單元機。PLC采用西門子S7—300系列。在主控柜內(nèi)設置PLC主站，現(xiàn)場操作臺上裝有西門子TP170A型觸摸屏，觸摸屏與各變頻器均為從站。PLC通過PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線將主站與從站全部連接起來組成了一個工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)，即提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，也極大地方便了工藝人員和操作人員。該系統(tǒng)主要有以下特點和功能：矢量控制變頻技術，電動機上的編碼器和逆變器構成速度閉環(huán)；能耗制動加機械制動，停車時自動投入制動工作，工作可靠，制動平穩(wěn)，實現(xiàn)了高速下的快速停車；先進的工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS總線；觸摸屏使用戶操作方便，速度、電流、溫度及壓力等工藝參數(shù)實時顯示及設定電氣系統(tǒng)運行監(jiān)控與顯示，故障顯示、診斷、報警等；系統(tǒng)設單動 動選擇開關，當選擇開關處于單動位置時，各單元機可按設定的單動速度運行，當選擇開關處于聯(lián)動位置時，聯(lián)合機按設定的拉伸比例同步運行。

3．2 PROFIBUS—DP網(wǎng)絡組成

利用S7—300 CPU313C一2DP作為主站，逆變器加CBP板、現(xiàn)場觸摸屏（TP170A）作為從站，組成一個單主PROFIBUS—DP通信系統(tǒng)。DP適用于數(shù)據(jù)高速通信的場合，采用RS 485雙絞線電纜或光纖電纜，波特率可達到12 Mbps，采用點對點（用戶數(shù)據(jù)與傳輸）或廣播（控制指令）方式，支持循環(huán)的主從數(shù)據(jù)傳輸。PROFIBUS網(wǎng)絡組成如圖2所示。

由于PLC主站和所有從站都為西門子產(chǎn)品，所以都滿足了PROFIBUS總線通信協(xié)議。在本系統(tǒng)中，采用RS 485屏蔽雙絞線作為通信介質，通信波特率為1．5 Mbps，PROFIBUS為總線拓撲結構環(huán)形網(wǎng)絡。PROFIBUS—DP主要使用主一從方式，PLC主站周期性地與傳動裝置進行數(shù)據(jù)交換。在PRO—FIBUS結構中，周期性通道MSCY—C1的可用數(shù)據(jù)被定義為參數(shù)過程對象PPO，可用數(shù)據(jù)結構分成不同兩部分并用報文形式分別傳送：PZD部分（包括控制字，設定值，狀態(tài)字和實際值）；PKW（用于讀、寫參數(shù)值）。當總線系統(tǒng)啟動時，這種用于PROFIBUS主站到傳動裝置的PPO類型可以被設置，設置哪種類型的PPO，取決于在自動化網(wǎng)絡中傳動裝置的功能。

PROFIBUS裝置有各種不同特性，為了所有主站系統(tǒng)能正確調(diào)用所使用的附加板，必須需要每一個裝置的主數(shù)據(jù)文件GSD。為了能夠有效通信，在STEP7中，必須為每一總線設備設定地址，以便主站尋址。在CBP板設置的通信參數(shù)有：P918（總線地址），P712（PPO類型），P722（過程數(shù)據(jù)的報文故障時間）。

本系統(tǒng)采用了PROFIBUS—DP總線，使得系統(tǒng)節(jié)省了到機臺的大量電纜，增加了可靠性，減少了變頻系統(tǒng)的干擾，便于人員操作和維護。

3．3 PROFIBUS的診斷功能

PROFIBUS具有強大的診斷功能，當接到從站傳到的警報或錯誤時，主站迅速作出反應中止正常通信，對故障快速定位。這種診斷信息分為三級：本站診斷操作和模塊診斷操作、通斷診斷操作。故障清除以后，總線恢復正常通信。

4、 軟件設計與控制

系統(tǒng)軟件設計主要由2個部分構成，一部分是PLC的控制軟件設計，另一部分是觸摸屏的畫面組態(tài)設計。

從功能上講，PLC主要完成系統(tǒng)的初始化，各種數(shù)字I／O量的控制，故障監(jiān)測和自診斷控制，同步系數(shù)、拉伸系數(shù)的設置與各段輸出數(shù)據(jù)信號的計算以及與觸摸屏間的通信等。整個PLC的工作流程如圖3所示。

軟件主要由主程序，自診斷程序，數(shù)據(jù)運算程序組成，它以循環(huán)掃描的工作方式執(zhí)行。觸摸屏的畫面組態(tài)包括創(chuàng)建顯示畫面和編輯信息，并將它們與PLC程序相鏈接，它主要由3個部分組成，第1部分是工作畫面示意圖，系統(tǒng)的工藝流程及各項參數(shù)都顯示在上面，工藝操作人員能及時了解系統(tǒng)工作情況。第2部分是系統(tǒng)工作參數(shù)的實時控制，包括拉伸系數(shù)，同步系數(shù)，各減速箱的減速比，制動延時時間的設定與修改，為防止有人誤操作而對系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，可以為不同的操作人員設定不同的操作密碼和相應的操作權限，以保障系統(tǒng)安全和生產(chǎn)安全。第3部分是報警功能及幫助信息設置，當PLC檢測到系統(tǒng)運行中發(fā)生故障時，就把相應的故障信息傳給觸摸屏，觸摸屏顯示相應的報警畫面，顯示故障內(nèi)容及幫助信息的鏈接，提示維護人員做相應的處理。

5、 前景及優(yōu)越性

電力傳動是工業(yè)自動化的一個重要分支領域，電力控制裝置隨著功率電子學，微電子學和計算機技術的發(fā)展，以具有相當水平的自治性和智能化?，F(xiàn)場總線技術在電力傳動領域中的應用，具有以下優(yōu)點：一是推動電力傳動裝置全數(shù)字化。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開發(fā)性，不同廠家的設備之間可以實現(xiàn)信息交換，用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不同廠家的設備組成大小隨意的系統(tǒng)。使得生產(chǎn)廠家在應用現(xiàn)場總線技術到產(chǎn)品時，將進一步加大裝置數(shù)字化。二是降低電力傳動控制系統(tǒng)的安裝成本和維護費用。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，從而可減少系統(tǒng)硬件投資。而且現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線十分簡單，電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，節(jié)省了安裝費用。由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷和處理簡單故障的能力，并通過數(shù)字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，使用戶可查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速解除。三是充分應用軟件功能，提高系統(tǒng)復雜控制的能力。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)設備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比較，它從根本上提高了測量與控制的精度；減少了傳送誤差。同時由于系統(tǒng)結構簡單，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性。

6、 結束語

生產(chǎn)實踐已經(jīng)證明，此方案具有簡單實用、運行穩(wěn)定可靠、操作維護方便等特點，已成功地應用于化纖滌綸短絲后處理牽伸聯(lián)合機上，取得了很好的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。