采用現(xiàn)場總線技術(shù)和變頻器實現(xiàn)染漿聯(lián)合機(jī)自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

一、染漿聯(lián)合機(jī)工藝流程簡介

鄭州紡織機(jī)械廠技術(shù)中心與深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司聯(lián)合開發(fā)的《ZLGA901型染漿聯(lián)合機(jī)》是集染色與過漿工藝于一體的紡織機(jī)械，是紡織行業(yè)的重要大型配套設(shè)備，填補(bǔ)了國產(chǎn)大型染漿聯(lián)合機(jī)的生產(chǎn)空白。

漿紗機(jī)工藝示意圖如上圖所示。系統(tǒng)主要由拖引、卷繞、染色三部分組成，其中卷繞和拖引為系統(tǒng)機(jī)頭部分，拖引為主傳動單元，卷繞為從傳動單元，兩個傳動單元需要保持線速度一致的同步運(yùn)行。在這兩個傳動單元之間有一張力輥，以檢測兩單元之間紗線的張力。染色部分由15個染色輥組成，所有染色輥均同步運(yùn)行（起動、停止、升速、降速）。

工藝參數(shù)：

1、爬行速度：2米/分鐘

2、拖引、卷繞最高速度：45米/分鐘

3、染色最高速度：35米/分鐘

4、壓漿輥壓力線性可調(diào)

二、控制系統(tǒng)配置

1、卷繞采用變頻專用電機(jī)驅(qū)動

功率：22KW 極數(shù)：6 轉(zhuǎn)速：980 rpm

最小卷徑：φ100mm 最大卷徑：1000mm

2、拖引采用變頻專用電機(jī)驅(qū)動

功率：11KW 極數(shù)：4 轉(zhuǎn)速：1460 rpm

拖引輥輥徑：φ219mm

3、染色部分15只軋輥采用邊軸傳動，用一臺三相交流異步電機(jī)驅(qū)動

功率：30KW 極數(shù)：4 轉(zhuǎn)速：1460 rpm

染色輥輥徑：φ264mm

4、馬達(dá)驅(qū)動器件

選用具有獨(dú)特的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能的ABB ACS600系列高性能變頻器，它具有優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性。其中用于卷繞的ACS600變頻器加裝用于中

心卷曲機(jī)/開卷機(jī)的卷曲傳動應(yīng)用宏軟件；卷繞與拖引變頻器均配置編碼器，以形成速度閉環(huán)，取得最優(yōu)良的控制精度和最快速的動態(tài)響應(yīng)。

5、控制器

選用德國西門子S7-200 系列PLC產(chǎn)品作為系統(tǒng)控制器件，以完成系統(tǒng)邏輯、通訊控制。S7-200在自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強(qiáng)大功能，使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，其優(yōu)良的性能已得到世人的公認(rèn)。

6、人機(jī)界面（HMI）

隨著計算機(jī)技術(shù)、LCD顯示技術(shù)和觸控技術(shù)的發(fā)展，人機(jī)界面（HMI）在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用亦更廣泛。本系統(tǒng)人機(jī)界面（HMI）采用100 MHz RISC CPU，6″ STN彩色顯示，畫面切換流暢、圖像清晰明亮，性能穩(wěn)定可靠，具有良好的性價比。

三、控制原理

1、控制原理

漿紗機(jī)控制原理如上圖所示，系統(tǒng)主要由 PLC、瑞典ABB ACS601變頻器、人機(jī)界面構(gòu)成，PLC與ABB ACS601變頻器之間用MODBUS現(xiàn)場總線相連，構(gòu)成現(xiàn)場總線通訊控制網(wǎng)絡(luò)。ABB 變頻器均內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)MODBUS現(xiàn)場總線通訊接口，故該網(wǎng)絡(luò)的組建無需特殊網(wǎng)絡(luò)單元，簡單、經(jīng)濟(jì)、快速，支持8M bit/s的通訊速率。

變頻器的頻率給定、起/停控制、參數(shù)修改、狀態(tài)查詢、故障查詢等均可通過MODBUS現(xiàn)場總線實現(xiàn)；除此之外，卷繞變頻器速度控制、張力給定、初始卷徑設(shè)定、卷徑復(fù)位等操作亦可通過MODBUS現(xiàn)場總線實現(xiàn)。故本系統(tǒng)簡化了控制線路，節(jié)約了安裝布線時間，方便了現(xiàn)場調(diào)試，更增加了系統(tǒng)靈活性。

2、Modbus 通訊協(xié)議

Modbus 協(xié)議是一種串行的主從通訊協(xié)議，該協(xié)議定義了主機(jī)查詢的格式，包括：從機(jī)的編址方法（或廣播），要求動作的功能代碼，傳輸數(shù)據(jù)和錯誤校驗等。從機(jī)的響應(yīng)也是采用Modbus協(xié)議結(jié)構(gòu)，包括：動作確認(rèn)，返回數(shù)據(jù)和錯誤校驗等。

主機(jī)-從機(jī) 與 查詢-響應(yīng)

3、Modbus RTU信息幀結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)Modbus 網(wǎng)絡(luò)可配置為ASCII或RTU（遠(yuǎn)程終端單元）中的任意一種通訊模式。本系統(tǒng)采用RTU模式，RTU信息幀

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如下：

RTU通訊模式的信息中包括一個循環(huán)冗余校驗（CRC）生成的錯誤校驗域，CRC域包括一個16位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，占兩個字節(jié)，CRC值由發(fā)送設(shè)備首先計算，附在傳送信息中。接收設(shè)備在接收時將重新計算CRC，并且把計算值與接收的CRC實際值做比較。如果兩個值不相等，就說明有錯誤發(fā)生。

四、ABB 卷曲應(yīng)用宏

1、ABB卷曲應(yīng)用宏

ABB ACS600變頻器卷曲應(yīng)用軟件專用于帶材控制中最復(fù)雜應(yīng)用的中心卷曲/開卷機(jī)應(yīng)用。中心卷曲/開卷機(jī)的旋轉(zhuǎn)力是加在卷曲或開卷機(jī)的卷筒軸上，當(dāng)卷筒直徑變化時，為了使材料的表面張力保持不變，必須保證轉(zhuǎn)速的變化與卷徑成反比且轉(zhuǎn)矩的變化與卷徑成正比。

中心卷曲/開卷軟件是一種非常經(jīng)濟(jì)實用的實現(xiàn)精確帶材張力控制方法，應(yīng)用宏有卷曲張力宏，卷曲調(diào)節(jié)輥宏，開卷張力宏，開卷調(diào)節(jié)輥宏，在各應(yīng)用宏中包含卷徑計算、轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償、硬度控制等功能。

2、控制原理

本系統(tǒng)采用卷曲張力宏，速度閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制原理圖如下所示。

系統(tǒng)實時檢測馬達(dá)實際轉(zhuǎn)速，計算當(dāng)前卷徑，并積分保持。根據(jù)內(nèi)部計算出的卷徑值對主速給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著運(yùn)行時間的增加，卷繞旋轉(zhuǎn)速度降低。張力調(diào)節(jié)部分：系統(tǒng)將檢測到的張力值送往控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)張力反饋值與張力設(shè)定值的差值，自動調(diào)節(jié)織軸的轉(zhuǎn)速，以保持紗線實際張力值保持不變。

3、速度給定

在宏應(yīng)用軟件中轉(zhuǎn)速給定的計算來自于帶材速度。

其中：Dcore = 卷芯直徑

Dact = 實際卷徑

Lact = 線速度

Z = 減速比

π = 3.1416

4、卷徑計算器

卷徑是由實際帶材速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速計算得出的，帶有參數(shù)的積分器限制卷徑的突變。

其中：Lact = 實際材料速度

Nact = 實際電機(jī)轉(zhuǎn)速

π = 3.1416

Z = 減速比

五、結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了由ABB變頻器、人機(jī)界面（HMI）、及S7-200 PLC組成的染漿聯(lián)合機(jī)自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線、卷曲應(yīng)用宏、觸控技術(shù)等先進(jìn)的控制技術(shù)，具有精確的控制性能，良好的動態(tài)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠網(wǎng)絡(luò)化、信息化。該系統(tǒng)現(xiàn)已成功通過調(diào)試交付使用，運(yùn)行情況良好。本系統(tǒng)不僅適合染漿聯(lián)合機(jī)，亦可用于其它印染、紡織機(jī)械，具有極好的市場推廣應(yīng)用前景。