9300標準型伺服控制器在針梳機上的應用

摘 要：介紹了倫茨公司9300伺服控制系統在高速針梳機中的應用，從而實現主從電動機的同步運行，并討論了控制系統的實現方法及在實際應用中解決問題的方法。
關鍵詞： 針梳機 伺服控制器 同步
現場總線技術隨著計算機技術、網絡通信技術及微電子技術的發展而飛速發展，推動整個自動化控制向更高層次發展。本文所介紹的系統充分發揮伺服控制器和現場總線技術的特點，準確、靈活地控制高速針梳機。
FB621型針梳聯合機集機、電、氣、儀于一身，具有高速、大卷裝、人機對話友好、出條工藝彈性化等特點，是一臺自動化程度非常高的新機型。
1 全機技術要求
該機傳動裝置分別由2臺電動機、同步帶輪等組成。主伺服電動機動力經同步帶輪傳動到變速箱，由變速箱通過同步帶輪和鏈輪分別傳至自調勻整機構與并條機構。伺服電動機的動力經同步帶輪傳送至針梳、牽伸部件后又經同步帶輪傳送至成卷、推卷部件。自調勻整裝置檢測的毛條粗細變化量經信號放大裝置放大后，再經PLC處理，可實時改變從動伺服電動機的工作頻率。
本機對控制系統的基本要求：
由于本機采用2臺電動機驅動，所以在啟動和停車時必須保證2臺電動機按照給定的牽伸比嚴格同步；牽伸比可以根據需要隨時調節；在自動勻整時，傳感器檢測的信號必須經過檢測點到牽伸區的延遲距離后再經過處理送到伺服控制器改變速度；前段電動機的響應速度必須非常快，以便保證勻整度；保護裝置必須靈敏可靠地保證系統的安全運行以及故障時顯示故障原因及故障位置。
FB621型針梳機具有斷條、報警、滿桶、針輥失速和堵輥等自停功能，通過觸摸顯示屏，可以實時監控針梳機的運行狀態，以及當前定長、條速、產量、針輥速度等工藝參數的顯示。也可以通過觸摸屏進行工藝參數的設定，包括工作班次的設定、針輥速度的預設、每米條重設定、滿桶報警和預報警長度的設定以及對各班產量清零等操作。主電動機速度也通過觸摸屏設定后傳到主伺服控制器控制主電動機。
而主電動機速度的微小變化是通過電位器檢測，再通過信號放大裝置放大后送人PLC，然后采用PLC的自由口通訊模式與從電動機伺服控制器通訊來控制從電動機伺服控制器運行頻率及其動作邏輯。
2 硬件配置
B621供電接線控制框圖如圖1所示。

FB621由2臺伺服電動機驅動，采用2臺相應的倫茨9300標準型伺服控制器控制，主控單元采用西門子S7—314控制2臺伺服控制器。S7—314PLC作為系統主站，2臺倫茨9300伺服控制器作為從站，人機界面采用帶RS485通訊VI的Easyview觸摸屏。通過人機界面設定工藝參數，并將工藝參數成組地存儲在PLC的用戶數據區內，并且隨時可以調用這些參數。倫茨9300伺服控制器連接旋轉變壓器作為反饋方式，無須參數調整。倫茨9300伺服控制器可監控旋轉變壓器及其供電電纜的開路故障（故障指示sd2）。旋轉變壓器接線如圖2所示。

在發電模式下，若9300伺服控制器的直流母線電壓超過C0173代碼下設定的門限（監控功能“OU”有效），則必須接入制動單元。制動單元可將電動機動能轉化為熱能消耗掉，避免運行過程中“OU”故障，保證IX；母線電壓低于門限值。
9300系列伺服控制器分辨率為0.01 Hz，可使電動機的轉速精確到0．3 r／min，從而使牽伸倍數和卷繞張力的誤差控制在0．2％以內。
后段伺服控制器由PLC直接控制，伺服控制器由變頻器模擬量輸出（模擬量為實際頻率輸出）與PLC輸出的牽伸比的乘積控制，計算由伺服控制器完成。數字頻率級聯式從動接線圖如圖3所示。

根據設計要求，綜合機器的先進性、可靠性和成本因素，硬件采用了以下配置：
控制系統需要2個脈沖計數器分別對刺輥轉速和出條速度進行高速計數，它們共占用CPU314的10．6和I1．2 2個輸入點，加上其他限位開關輸入共需17個輸入點，輸出點共需10個。同時，觸摸屏和伺服控制器與PLC通訊各需1個通訊口，PLC控制系統選用CPU314。
圖4所示為電氣控制系統構成簡圖。

控制核心選用西門子S7—314CPU型PLC及EM232模擬輸出模塊，由于CPU314具有2組通訊口，因此PLC與觸摸屏、伺服控制器三者之間實現通訊網絡可簡化硬件結構，節約成本，充分保證系統的可靠運行。
3 軟件的編制
3．1 系統上電初始化
系統上電后，在PLC第1個掃描周期內分別對工作參數、時鐘中斷1、高速計數器HC1（針輥測速計數）和HC2（定長計數）及對通訊斷VI portl和通訊收發用的數據緩沖器參數進行初始化。
3．2 工作參數的設定
在觸摸屏的工作參數設定畫面里進行工作班次、針輥預設速度、滿桶定長、定長預報警和每米條重等參數的輸入設定，上述參數存人PLC相應的數據寄存器。
3．3 針輥速度、出條速度等工藝參數的檢測和計算
針輥測速脈沖和定長計數脈沖分別由高速計數器HC1和HC2進行計數，同時，當250 ins時鐘中斷1每產生4次中斷（即250 ins×4=1 S）時，在中斷程序中讀取HC1和HC2的計數值后，即可計算刺輥速度和出條速度參數。同時，在PLC每個掃描周期中，根據高速計數器HC1和HC2的值，即可計算出條長度、產量等工作參數并在顯示屏上顯示。由于CPU314PLC具有浮點運算功能，因而計算結果和控制具有很高的精度。
3．4 PLC與伺服控制器的通訊
PLC與伺服控制器采用自由通訊模式通訊，控制伺服控制器運行頻率及其動作邏輯。該功能由發送控制命令字符串子程序和接收字符中斷程序完成，在PLC發送控制命令字符串通訊時，均回讀控制器狀態，以檢查通訊發送是否正確完成；在發生通訊出錯時，系統可以有3次通訊重試次數，從而確保系統安全與可靠的運行。
4 解決系統調試中的難點
利用倫茨公司的Global Drive Control軟件進行調試及監控。該軟件是基于Windows平臺的調試、診斷軟件，驅動器的所有參數都具有表格化、圖形化提示，可以更新處理及打印參數設置，也可以處理過程數據及進行診斷操作，也可以實現離線或在線操作，這些也可以在通訊條件下進行。
利用Global Drive Control軟件對伺服控制器進行參數整定。先采用靜態整定的方法，自動測定主電動機，為的是確定轉子和定子阻抗的實際值，自動進行優化計算；再用先動態整定的方法，激活轉矩控制，這是由加速轉矩的計算，根據轉速給定變化調整轉矩控制，設定速度控制電路的動態響應的功能參數作用，并進行系統的優化控制。
在調試時，隨主機速度的提高，需要從機響應速度提高，快速準確達到同步，所以需要調整速度環的增益參數。速度環的作用是產生電動機的速度指令并準確跟蹤。通過設定的目標與電動機的實際速度相比較，利用其偏差通過速度調節器來產生電動機的速度指令，在大偏差區域，應產生最大速度指令，使電動機加速并以最大速度恒速運行，在小偏差區域，產生逐次遞減的速度指令，使電動機減速運行跟蹤主電動機。因為9300伺服控制器適合控制循環周期短而且高精度、高動態響應的控制系統。這種控制器是智能控制系統的一部分，它能實現機動、靈活和高效的驅動控制，其性能超過同類系統。
5 結語
此系統經實踐證明對速度的控制非常準確可靠。充分說明了在高速系統中用伺服系統準確地控制速度，對控制同類設備有借鑒意義。
由于FB621高速針梳機采用觸摸屏為人機界面，西門子S7—300可編程控制器為控制系統，系統具有操作簡單，控制可靠，性能價格比高的優點，現已批量投產進入市場，滿足了用戶需求，具有很強的市場競爭力。
參考文獻
1 西門子公司．PLC S7—300編程手冊．
2 倫茨公司．9300標準型伺服控制器操作手冊．