艾默生PLC与变频器在化纤柔性生产线上设计应用
1 前言
柔性生产线具有配置简单，自动化程度高，可程序化和重新配置的优点，而被广大用户所采用。化纤柔性生产线中，挤出机是整个设备的重要部分，而后续各卷绕部分的速度同步才是整个系统的关键。系统中多电机速度同步精度的高低，直接影响着化纤丝成品的质量。
在以前的此类生产线中，大多数采用在各辊上安装现场操作箱，根据实际情况人为调整速度的方法进行控制。这种方案存在如下缺点：
1）不便于数据的集中管理；
2）需要根据各个速度，手工计算牵伸比；
3）实际速度不满足要求，需要再循环跑到各个区域去调节，操作非常麻烦；
4）废品率偏高。
针对上述问题，此次设计中，在理念上采用集中控制与分散控制相结合的方式，将触摸屏与PLC作为控制的核心。触摸屏设置配方数据，PLC直接计算牵伸比，通讯控制变频器速度。集中的操控人机界面，并在各辊上安装现场操作箱，既能在触摸屏上进行所有的控制，又能在现场进行整个系统的操作。
通讯的应用是现代工业发展的一大主题，用通讯方式设计的系统结构简单，运行可靠，能有效的避免硬件故障带来的整个系统的损失。
2 系统简介
工艺流程如图1所示
图1 化纤柔性生产线流程图
化纤柔性生产线简介：化纤柔性生产线是化纤丝生产中的一种重要的生产线，它的结构包括挤出机，计量泵，分丝盘，水箱，牵伸辊机（包括加热和不加热），导轮，冷却箱，力矩辊机和收丝机。在加工时，将化纤颗粒放入挤出机漏斗，经过挤出机加热挤出并在分丝盘将化纤溶体分成几百束的初级化纤丝后经水冷却，然后将化纤丝几十根为一把经过导轮缠绕在各牵伸辊机上逐级拉伸后变成很细的化纤丝成品卷绕在收线盘上。从最初的化纤丝到成品之间化纤丝的初细就靠各辊机运行速度的逐渐加快来确定，具体的快慢由牵伸比设定，不同的产品牵伸比不同。
本系统在设计时充分考虑了操作的简易性，只需要设定其中的主速度，通过牵伸比就可以把各级的速度分别计算出来，在调节速度时，各级的牵伸比也会自动计算出来，并进行自动保存。
现场操作时，在各级上有一现场操作箱，可以进行速度同升同降，单独启动、停止，联动启动、停止和紧急停止功能，另外在4热七辊机和8热五辊机的两个操作箱上还装有两个线速表，用以显示当前的线速度，便于现场调节。集中监控时，将控制柜上的选择开关拨到触摸屏端，即可用触摸屏进行启停操作，但不管集中控制还分散控制，都可在触摸屏上设定数据和显示当前频率和电流。
3 硬件设计
本系统主要由触摸屏、PLC、变频器、测速编码器以及其它一些辅助元器件组成。整个系统通过通讯进行数据传输，结构简单，操作方便，运行可靠。PLC采用艾默生公司的EC20-3232BRA主控制模块，外带一个16点的EC20-1600ENN输入扩展模块。
EC20 PLC是艾默生小型PLC的最高端产品，它具有高可靠性、高响应性，强劲的通讯功能，丰富的指令集等，其中程序容量可达到12K步，而基本指令时间才0.09μs。它的板件经过了严格的三防处理，工作电压AC85~280V，具有卓越的抗干扰性，是系统稳定运行的可靠保证。最重要的是它自带了一个RS485/RS232的通讯接口，有丰富的通讯指令，使得和外部设备通讯变得更为简洁方便。
由于各牵伸辊机对速度要求非常高，所以各牵伸辊机的变频器均采用艾默生TD3000系列，一共使用了7台TD3000变频器，并且3五辊机、4热七辊机、6热七辊机、8热五辊机、9热七辊机和11七辊机都增加测速编码器以保证设备对速度精度的要求。12收线机由于设备对速度要求不是那么严格，所以采用了不带测速编码器的TD3000变频器。
TD3000变频器是艾默生公司高性能的矢量控制型变频器，可以加测速编码器组成速度闭环控制，能实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、编码器断线检测、能进行参数考贝等多种功能，并有RS485自由通讯接口，完全可以满足系统的要求。计量泵采用的是两台艾默生EV1000通用型变频器。
监控人机界面采用10.4寸触摸屏，进行数据显示和设定，直观可靠。
在整个系统中，PLC是控制中心，它可以独立完成整个控制过程，在触摸屏发生故障时，仍然可以通过现场操作箱进行控制而不影响整个系统的运行。
系统主控制部分如图2所示
图2 电气主控制原理图
系统PLC控制部分如图3所示
图3 PLC电气原理图
4 软件编程
本系统用触摸屏作为人机交互界面，编程简单，性能稳定。触摸屏主要操控画面如图4、5所示
图4 触摸屏主显示画面
图5 参数设定画面
“触摸屏主显示画面”是操作员经常需要查看的画面，主要用于显示计量泵1、2和各牵伸辊机的运行频率和电流以及它们当前的运行状态，同时还显示主令速度和收线的长度。它是只监测当前的运行情况，并不能进行设定。在画面上部设置了各个命令按钮，点击它们查询相应的状态或进行相应的操作。在上面点击“牵伸比”可以进入如图4画面，它是用户调试时的主要操作画面，调机时，用户先设定各牵伸辊机的线速度，然后点击“确认”计算出各级牵伸比和主牵伸比，确定好牵伸比后，只需调节主令速度，就可以根据牵伸比自动设定各辊机的运行速度，达到速度同升同降的目的。同时在操作箱上拨动“速度升/降”开关也可以起到同升同降的目的。“最大限速”主要是为了防止操作不当而作的一个保护措施。PLC作为触摸屏的下位机，承担了数据的传送和处理工作，它和变频器之间通过通讯进行数据读取和设定，其网络组成如图6所示
图6 PLC和变频器通讯网络通讯组成图
在构成此网络时，由于EV1000和TD3000变频器的通讯协议不一致，所以只能采取自由通讯协议进行通讯。EC20 PLC作为控制主站，在系统中具有绝对的控制权，它主动给变频器发送指令，主动接收变频器的反馈数据。在这里，我们将EC20自带的COM1口作为RS485通讯口和变频器通讯，COM0口用于和触摸屏通讯，设置为MODBUS协议，下面我就将艾默生PLC和变频器之间的通讯作一简单介绍。
我们知道，设备之间的通讯不但要有相应的硬件接口，如USB，RS232接口，RS485接口，以太网口等，还需要有相应软件支持，也就是通讯协议，本系统使用RS485接口和自由口通讯协议。RS485通讯可以理论上可以连接128台设备，通讯距离可以达到1200米，而且抗干扰性强，是目前工控中普遍采用的通讯方式。
下面是通讯程序的设计：在写程序之前我们必须设定串口参数，比如波特率，数据位，启始位，停止位以及奇偶校验，这里设定波特率=9600 ，数据位=8 ，启始位不用设，停止位=1，奇偶校验=不校验。具体参数设置如图7所示
图7 艾默生PLC通讯参数设置
设定了这些参数以后，我们就可以编写通讯程序了，此程序比较长，我这里就不作详细解说，仅列举TD3000变频器频率设定和电流读取子程序供大家参考，具体数据读写请参考艾默生EV1000和TD3000自由口通讯协议。
入口参数：addr , freq_set
出口参数：end , freq
//设定频率，读取电流,使用长帧读取功能参数FF.05
//初始化短帧，帧头为02
LD SM0
MOV 16#2 V3
MOV #addr V4
MOV 16#1F V5
MOV 16#5 V6
MOV 16#0 V7
MOV 16#0 V8
MOV 16#44 V9
MOV 16#7F V10
MOV #freq_set K4M1980
MOV K2M1988 V11
MOV K2M1980 V12
MOV 0 Z0
MOV 0 V13
//异或校验
LD SM0
FOR 9
LD SM0
WXOR V13 V4Z0 V13
LD SM0
INC Z0
NEXT
//发送和接收
LD SM0
MPS
ANI SM122
XMT 1 V3 11
RCV 1 D7000 11
MRD
AND SM123
MOV D7004 K2M1988
MOV D7005 K2M1980
MOV K4M1980 #freq
MPP
AND SM123
SET #end
//发送完后，将完成标志位END置ON
此段程序为TD3000变频器设定频率和读电流的子程序，EV1000的通信程序可以根据它的通信协议进行设计。下面介绍变频器的参数设定，由于总共有九台变频器需要通信，所以我们将变频器的地址分别设为10到18，具体通讯参数TD3000在F9组里面进行设定，EV1000在FF组里进行设定，除了设定通讯参数外，还有编码器，摸拟量设置等参数，设定如下：
TD3000变频器 通讯参数 F9.00 3 F9.01 0 F9.02 12-18
编码器参数 Fb.00 1024
启停参数 F0.02 1 F0.03 6 F0.05 1
模拟量参数 F6.08 0 F6.11 7.8
EV1000变频器 通讯参数 FF.00 0005 FF.01 10-11
启停参数 F0.00 2 F0.03 1
此程序中，除了需要给变频器设定频率外，我们还要读取变频器的当前电流和故障状态，以反应当前设备的运行状况，另外还有参数计算，系统启停，故障报警等程序，这里不一一赘述。
3 结束语
此化纤柔性生产线自运行以来，达到如下效果：
1） 优秀的同步速度精度，使产品废品率明显降低。
2） 完善的集中控制，大幅降低工人的劳动强度。
3） 设备速度从以前设备的100米/分钟，提高到150米/分钟，效率提升了50%。
4） 生产过程的参数完整记录，为质量追溯提供了依据。
以上效果等到了用户的高度评价。
从本次的实际应用来看，艾默生公司高性能矢量变频器TD3000较高的速度精度与EC20系列PLC的强大的通信能力，完全可以为化纤行业提供高稳定性、高可靠性、高度自动化和高效率的系统性解决方案。
通讯越来越多地走进了现代控制领域，它直接引领着传统工控设计理念的变革。大到成千上万点的监控系控，小到单台设备，无处不见通讯的身影，它以快捷的硬件组态和高效率的运行获得了很多工控专家的支持。艾默生EC系列小型PLC增加了一个通讯接口和很多强劲实用的通讯功能，是当前小型PLC的发展方向。
参考文献：
[1] 艾默生公司 EV1000系列通用变频器用户手册
[2] 艾默生公司 TD3000高性能失量控制变频器用户手册
[3] 艾默生公司 EC20硬件手册
[4] 艾默生公司 EC系列小型可编程控制器编程手册
[5] M2I公司 TOP系列触摸屏编程手册
[6] 高钦和 可编程控制器应用技术与设计实例