施耐德电气Micro PLC在高速弹力丝机控制系统中的应用

1.引言
弹力丝机是经高速纺丝生产出的预取向丝(POY丝) 的后加工设备，通过对POY丝进行加热、假捻、牵伸、上油等工艺加工，制成性能稳定、具备服用性能的弹力丝(DTY丝)并卷装成满足工艺要求的纱锭，供后续的织造加工用。

传统弹力丝机采用直流电机调速系统，存在电机维护工作量大、机械齿轮传动结构复杂、改变工艺必须停机变换工艺齿轮等缺点，因此逐渐为新型的变频调速系统所取代。采用变频器调速系统的弹力丝机通过多台变频器带动各轴独立传动，不仅割除了工艺齿轮，简化了传动系统结构，而且减少了加工及装配工作量，提高了系统可靠性；同时，满足了降低制造成本，节约能源消耗，适应用户市场小批量、多品种的工艺变化的要求。

高速弹力丝机的传动系统包括4档牵伸罗拉(上喂入辊、中喂入辊、下 喂入辊、卷绕辊)以及假捻器龙带辊、摩擦辊和横动辊，要求各传动部分同步运行、比例可调，同时保证运转过程中丝线的张力恒定，即变频器带动的各电机转速稳定，稳态调速精度小于0.1%，因此一般采用两种变频调速控制方案：异步电机闭环矢量控制和同步电机开环控制。采用同步电机方案时，系统控制比较简单，但同步电机的成本较异步电机高很多；采用异步电机闭环矢量控制，因为需要引入速度反馈，系统相对复杂，但成本较低。此外，高速弹力丝机的温度控制部分一般采用温度采集、经PLC进行PID运算、通过脉宽调制(PWM)输出可控硅控制加热器的方式实现。

2.控制系统方案
高速弹力丝机的控制系统采用Micro PLC为控制核心，在CPU模块上配置Modbus通讯扩展卡(TSXSCP114，作为主站)，采用ATV58F或ATV58(配VW3A58202编码器反馈扩展卡)系列变频器(内置Modbus接口，作为从站)，通过Modbus总线通讯控制方式实现传动系统的控制；温度控制部分，采用带Modbus总线接口的专用温度采集卡(作为从站)，通过同样的Modbus总线将温度信号采集入Micro PLC，经与设定温度比较的PID运算后，通过开关量输出口输出；同时配置Magelis XBT-G 10.4”黑白触摸屏实现线速度、牵伸倍数及各点温度等工艺参数的设定以及整个系统的监控。由于系统程序量较大，在Micro PLC的CPU模块上，同时配置了32K内存扩展卡(TSXMFP032P)。


3.控制系统简介
ATV58/58F变频器采用带速度传感器反馈的闭环磁通矢量控制方式时，静态调速精度为0.02%，完全满足高速弹力丝机的调速要求。 此外，ATV58F变频器内置了增量编码器接口，编码器电源电压为+5V；采用ATV58变频器需要配置VW3A58202编码器反馈扩展卡，编码器电压电压为+24V。

对ATV58/58F变频器内置了Modbus接口(即操作面板接口)，可以通过通讯控制方式进行控制，控制精度为1转(相当于0.015Hz)。对变频器采用通讯方式控制，不仅可以有效避免传统模拟量信号控制所带来的共模干扰和模/数转换精度误差等问题，提高数据传输的可靠性和精度；同时可以最大地简化接线方式，并实现信息的双向交换。

ATV58/58F变频器内置的Modbus接口物理层为RS485，采用Modbus RTU方式 (8个数据位、1个停止位、无校验位)，波特率必须为19.2Kbit/s，连接介质可采用屏蔽双绞线，传输距离可达1000 米，物理层限制单总线上连接变频器最多为18台。该接口(SUB-D9)RS485管脚定义及匹配终端如下图。


使用ATV58/58F变频器内置Modbus接口时需要通过操作面板预先予以如下设置：
控制菜单 (CTL: 4-CONTROL)
面板控制 (LCC: Keypad Comm.) – No (取消面板操作)
变频器地址 (Add: DriveAddress) -- 1,2,…, 31 (Modbus从站地址)

Micro PLC编程软件PL7 Pro提供丰富的库函数(Library Funtion)，如PID、PWM调节指令等，为系统编程提供了最大的便利。