基于Profibus的腈綸紡絲控制系統設計

朱茂林，朱華慶

(合肥工業大學電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

腈綸紡絲是國家長期重點發展產業之一，而我國近30年來，腈綸的消費主要依賴國外進口，這就迫切需要設計全新的腈綸紡絲生產系統，以提高生產效率和腈綸絲的質量，改變當前腈綸絲生產線的控制精度低、運行平穩性差、故障率高等現狀。腈綸紡絲的本質是一個多電機速度同步控制系統，通過實時調節各電機的速度，以達到牽伸或等速的效果。文中以某腈綸紡絲廠的控制系統為背景，設計了基于Profibus的控制系統，該控制系統以西門子S7－300PLC為控制核心，通過Profibus－DP網絡實現PLC與EV3000變頻器之間的通訊，從而達到對各電機協調控制的目的。

1 系統的電氣結構

該腈綸紡絲廠的工藝流程主要有紡絲成型、溶劑拉伸、絲束水洗、預熱，熱牽引、干燥致密化、蒸汽定型、再牽伸、卷曲、干燥、裝箱等。在腈綸紡絲系統運行時，為將腈綸絲束按一定比例牽伸，各傳送點的線速度不盡相同，這就容易照成一些電機處于發電狀態，處于發電狀態的電機會通過變頻器整流橋向直流側反饋能量，從而抬高變頻器直流側的電壓，使得變頻器產生保護動作而影響生產，為解決這個問題，擬采用共直流母線拖動技術，不僅可以解決這個問題還可以節約電能，提高了經濟效益。為防止母線上的電流過高，在直流側并聯了一個制動單元，將過剩的能量消耗在制動電阻上。在使用時對F2～F20變頻器進行了改造，僅使用了逆變部分。F1變頻器因需要平穩的運行，在其直流側并聯了電容作為儲能元件，使得它在電網電壓不穩定時也可以穩定運行。

設計的電氣結構如圖1所示。其中，F1～F12變頻器所拖動的電機均為同步電機，F13～F20變頻器所拖動的電機均為異步電動機。

圖1 前紡電氣圖

圖2 后紡電氣圖

2 基于Profibus的通訊網絡設計

在多電機的同步控制系統中，為能利用電機之間的同步誤差進行補償，各電機控制器都需要知道其他電機的信息。PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是一種國際化大的開放式的現場總線標準，PROFIBUS根據應用特點可分為 PROFIBUS－DP，PROFIBUSFMS，PROFIBUS－PA3個兼容版本，其中PROFIBUSDP允許構成單主站或多主站系統，這就為系統配置組態提供了高度的靈活性。由于該系統有多條生產線且每條生產線有多個控制單元，選擇了Profibus－DP的通訊方式來實現各電機之間的信息交換。根據工藝要求，設計的控制系統以西門子S7－300為控制核心，通過PROFIBUS－DP通訊接口向西門子EV3000變頻器發送控制命令，由于EV3000使用的是RS485通訊協議，所以需使用TDS－PA01總線適配器實現S7－300與變頻器的通訊，變頻器再給相應的電機發送指令使其按照要求協調運行。網絡結構如圖3所示。

圖3 系統網絡結構圖

圖中7#備用線PLC為主站，2#～6#PLC為從站，設定其地址。在2#～6#生產線中以主PLC為主站，各個變頻器為從站，設定其地址?？紤]到上位機與7#生產線之間數據傳輸量的問題所以選用的是MPI口，2#～7#生產線PLC與變頻器之間的通訊應以實時性和快速性為指標，所以選用的是Profibus－DP口。其中7#線為備用線，當2#～6#生產線故障停止時就會啟用備用線。

3 控制算法的設計

腈綸紡絲的工藝要求拉絲過程中保持各單元之間張力恒定以及線速度成一定的比例關系，這就要求各單元電動機之間有一種調節機制，使得各單元之間速度發生不協調時能夠及時調節自身的速度，自動保持與相鄰單元一致，這樣可以避免由于電機速度不同步造成拉絲張力過大而斷裂。

設計的控制程序主要有F1～F20的邏輯控制程序、速度控制程序以及PLC與變頻器通訊程序。邏輯控制流程圖如圖4所示。

圖4 邏輯控制流程圖

速度控制主要實現前紡和后紡的的同步調速以及在受到擾動時的快速跟隨。主要控制思想如下:以系統的前紡速度控制為例，令變頻器F1～F15的運行頻率為 fi，i=1，2，…，15，F2～F15與 F1的頻率之比

所以

當前紡各電機需要進行高低速度切換時

其中，Δ為每200 ms電機按0.37%增加或減少的頻率。當頻率達到目標值時就以該值作為當前變頻器的輸出頻率。

當某臺電機受到擾動導致其急停時，再次啟動就需要它能夠快速跟隨上其他單元，在程序里將此時該電機屬于零速到高速或低速

其中，Δ′＞Δ，Δ′為每200 ms電機按84%增加或減少的頻率。

圖5 趨勢圖

以F1～F10為例，可以看出各電機的同步性能良好，能夠平穩地進行調速，在急停后也可以快速跟隨。

PLC通過現場總線命令將控制字、目標頻率等由SFC15寫入變頻器的PKW和PZD數據區，同時PLC通過SFC14讀取變頻器的PKW和PZD反饋數據區的數據。

4 監控系統的設計

由于工程中選用PLC是西門子S7－300作為處理器，考慮到兼容性的問題，選擇Simatic Wincc6.0設計上位機監控軟件。

設計的監控界面主要有流程圖、狀態欄、趨勢圖、頻率歸檔、起停歸檔、報警等。為更好地模擬現場設備的運行狀況，對輥子、絲束、定行輸送機和F20鏈板做了一些動態效果的設計。

Wincc可以在全局腳本中通過變量觸發、周期觸發或非周期觸發使編輯的C函數運行來實現畫面中的任一對象的動態效果。

以F1電機的運行效果為例，將變量run1的12個狀態與run0.emf～run11.emf連接起來，當F1運行時，腳本程序就會觸發使run1周期性的在同一位置顯示相應的畫面，這樣就會在視覺上產生轉動的效果。當F1運行時，變量“run1”每隔250 ms遞增一次，從0～11循環變化，當F1停止時，變量“run1”不變。流程如圖6所示。

圖6 流程圖

圖中的輥子、絲束、定行輸送機和F20鏈板可以根據現場設備動作而運行，同時監控界面還可以顯示對應變頻器的輸出頻率以及轉速電流，在趨勢欄可以顯示各電機的起停，歸檔和報警欄可以對現場狀態進行記錄并保留在計算機內。

5 結束語

介紹了某腈綸紡絲控制系統各部分的設計，在電氣部分采用共直流母線技術，可以節約電能并且使系統具有較好的穩定性;網絡部分采用PROFIBUS－DP進行通訊，具有良好的實時性和快速性;采用的控制算法可以保證各電機速度同步以及在急停后的快速跟隨;設計的監控界面能夠實時監控生產線各部分狀況，其中流程圖具有良好的動態效果。

［1］郝領地.試驗臺多軸電氣同步控制系統［J］.電氣傳動自動化，2011(1):23－25.

［2］李玉霞，趙萬華.動梁式龍門機床的雙驅動同步控制系統建模［J］.西安交通大學學報，2012，46(4):119 －124.

［3］鄭文波.控制網絡技術［M］.北京:清華大學出版社，2001.

［4］蔣近，戴瑜興.多線切割機的速度同步控制［J］.控制理論與應用，2011(2):279－283.

［5］王海鷹.一類三維動力系統的同步控制與仿真［J］.計算機工程與應用，2012，48(7):217 －218，230.

［6］郭俊.速度同步控制系統中的網絡通訊的應用研究［J］.才智，2011(13):56－57.