臺達VFD-B系列變頻器在倍捻機上的應用

一.項目簡介
宜昌紡織機械有限公司是中國紡織機械（集團）總公司的骨干企業；現棣隸屬于經緯紡織機械股份有限公司；是專業生產紡織機械中捻線機的廠家；其生產的直捻機系列、玻璃絲捻線機系列、倍捻機系列、細紗機系列、針織圓緯機系列產品深受用戶好評。隨著中國加入WTO,棉紡織品市場越來越被看好；特別是高支純棉紗需求越來越大。因此，在工藝上用新型倍捻機代替傳統倍捻機是必然趨勢。

二.系統介紹

傳統的倍捻機由一臺主電機拖動，經過齒輪箱傳動完成錠子旋轉、卷繞輥轉動、橫動移紗桿往復運動這三部分動作。各個傳動部件靠4個齒輪箱傳動，橫動移紗靠成形凸輪實現。經過市場調研，針對傳統倍捻機齒輪箱加工難度大、運轉噪聲大、漏油、特別是變換品種時間長和復雜等缺點。率先在國內設計出以西門子S7-200可編過程控制器CPU226為主控制單元，控制全機132個單錠電機錠子速度（臺達變頻器控制），卷繞電機速度（臺達變頻器控制），橫動移紗電機速度（日本松下交流伺服驅動器控制），用TD200文本顯示器設置和顯示工藝參數的控制方案。取消4個齒輪箱及全部工藝變換齒輪，取消移紗成形凸輪機構。對主軸轉速信號采用高速計速，對卷繞輥進行測速，同時得到紗線加捻長度L=2πr/每轉；通過在TD200文本顯示器上用中文設置工藝參數如：錠子速度、捻度、交叉角α、定長等；按F1-F4鍵對應為甲班、乙班、丙班、丁班，任意時刻均可換班次，同時產量相對應于班次計量。對運轉過程中出現的故障信息均在TD200文本顯示器上用中文顯示出來，為排除故障提供方便。并能實時顯示年、月、日為工廠查抄報表提供方便。總之,有變換品種快、維護操作方便，工藝參數設置簡單，只需要1分鐘就可以完成，自動化程度高，適應市場需要等特點。

該機所用臺達自動化產品的型號、數量、類型如下圖：

三．控制系統構成
1．硬件配置
1.1 由西門子S7-200系列中CPU226為控制中心，硬件配置如下：
松下伺服驅動器 VFD-B錠子變頻器 VFD-B卷繞變頻器 TD200文本顯示器
Q0.0 Q0.1 PORT1 PORT0
CPU226（DC/DC/DC）
I0.0 I0.1
錠子 卷繞
速度 速度

1.2 S7-200可編過程控制器的特點
西門子S7-200系列中CPU226可編過程控制器，性能價格比高，它的主要特點和性能如下：
① 6個高速計數器，每個30KHZ。倍捻機錠子速度為5000-15000轉/分，而脈沖數為8個/轉，其它型號PLC計數器（一般為5 KHZ）不能滿足計數要求；而CPU226高速計數器能滿足要求。
② 2個脈沖輸出點，每個20KHZ。橫動移紗由交流伺服驅動器完成，152MM的動程橫動移紗桿要1分鐘往返80次；其脈沖信號要求達20KPPS，而CPU226脈沖串輸出PTO功能正好滿足該要求。
③ 2個RS485通迅口，用PPI方式可以和TD200文本顯示器連接。用自由口方式，可以和兩臺臺達VFD-B型變頻器連接，實現遠程通迅。
④ 內置EEPROM，可永久性地存儲用戶程序和其它重要參數，而不需要后備電池。
⑤ 具有結構緊湊、編程簡單、抗干擾能力強、可靠性高等特點。

1.3 西門子TD200文本顯示器的特點
① TD200文本顯示器具有牢固的、具備IP65保護級別的塑料前面板；
② 采用了具有備光的高效率的LCD液晶顯示器；
③ 內置連接通迅電纜的接口，在短距離（2.5米）無需外接電源；
④ 能顯示二行20個中文漢字。最多可顯示80多條信息，每條信息最多4個變量的狀態，每屏最多可顯示40個字符。
⑤ 前面板上具有8個可編程的功能鍵（F1-F8）
⑥ 利用S7-200編程軟件，可方便地對它進行編程。

1.4 系統PLC開關量輸入表
I0.0 — 錠子速度
I0.1 — 卷繞速度
I0.3 — 左換向接近開關
I0.4 — 右換向接近開關
I0.5 — 左換向限位開關
I0.6 — 右換向接近開關
I1.0 — 機器停車按鈕
I1.1 — 機器起動按鈕
I1.3 — 編程開關“關”位
I1.4 — 編程開關“開”位
I2.1 — 錠子變頻器故障報警點
I2.2 — 卷繞變頻器故障報警點
I2.3 — 伺服驅動器變頻器故障報警點

1.5 系統PLC開關量輸出表
Q0.0 — 伺服驅動器脈沖串信號
Q0.1 — 伺服驅動器方向信號
Q1.0 — 錠子變頻器使能
Q1.1 — 錠子變頻器方向（S捻,Z捻）
Q1.2 — 卷繞變頻器使能

1.6 CPU226的通迅口PORT1與2臺臺達VFD-B型變頻器采用自由口通迅（MODBUS通訊協議8，E，1forRTU），完成頻率的寫入、啟動、停車的控制。

CPU226的通迅口PORT0連接TD200文本顯示器，完成工藝參數的設置和顯示，其它故障報警、班次、時間、紗線長度的顯示。

CPU226的Q0.0和Q0.1采用PTO脈沖串輸出，控制交流伺服驅動器。

1.7 錠子變頻器和卷繞變頻器采用臺達VFD-B系列變頻器，橫動移紗采用日本松下交流伺服驅動器MSDA083A1A型。

2．程序的編制
程序采用以主程序為主干，以子程序和中斷程序為支干的樹狀程序結構。

2.1 主程序負責控制程序的運行，子程序的調用和中斷事件的處理。子程序主要包括初始化子程序，完成具體事件子程序，系統監控子程序等共16個。中斷程序主要是時間中斷和事件中斷程序，和PTO處理中斷程序共7個。

2.2 子程序是程序的主要組成部分
① 初始化程序
包括上電初始化程序SBR1（錠子和卷繞變頻器初始化）和啟動初始化程序SBR10（橫動PTO脈沖輸出初始化計算和啟動參數的計算）。
② 完成具體事件子程序
主要包括錠子和卷繞速度測定，超出正常范圍的判斷和處理程序SBRO。卷繞運行序SBR2、橫動運行程序SBR3、班產量程序SBR4、橫動啟動段控制程序SBR5、橫動停車段控制程序SBR6、全機停車程序SBR7、通迅用計算BCC程序SBR9、通迅用發送和初始化XMT定時器程序SBR11、卷繞啟動段控制程序SBR12、全機零位程序SBR13、卷繞停車段控制程序SBR14、錠子速度控制程序SBR15。
③ 系統監控程序
包括故障檢測程序SBR8。

2.3 中斷程序
發送結束的中斷處理程序INT0
發送超時的中斷處理程序INT1
接收字符中斷處理程序INT2
接收起時中斷處理程序INT3
橫動交叉角α變換中斷程序INT4
橫動起動中斷程序INT5
橫動停車中斷程序INT6

2.4 TD200文本顯示器的顯示程序：利用S7-200編程軟件，能很容易地編制顯示程序，參數的顯示屏和設定屏的顯示程序主要在VB區。同時，在主程序中對功能鍵F1～F8作了定義
F1-F4 甲、乙、丙、丁四個班次設定和產量清零
F5 故障復位
F6 總產量清零
F8 工藝參數顯示

2.5 程序框圖附后

2.6 程序（略）

四.控制系統的功能

YF1702倍捻機全機有132個單錠單電機，由西門子S7-200系列中CPU226可編過程控制器作為控制核心，以TD200文本顯示器為人機界面窗口，以臺達VFD-B系列變頻器和日本松下伺服驅動器為主要控制對象的機種。倍捻機的主要指標紗線捻度不勻率要小于3.5%。這就要求錠子速度與卷繞速度始終保持為恒定值關系；要求控制錠子速度和卷繞速度的變頻器有很高的性能，綜合考慮決定采用臺達VFD-B系列變頻器。而卷繞速度是由卷繞輥速度與橫動移紗速度合成得來。又因為紗線成形需要要進行防迭處理，紗線每經過一段長度交叉角α就要變化一次，但要求卷繞輥速度與橫動移紗速度的合成速度始終保持不變。
2×n錠子速度
T（捻度） =U卷繞速度
U卷繞輥速度
U卷繞速度
α
U橫動移紗速度
U 卷繞輥速度 = U卷繞速度 ·cos α（交叉角）
U 橫動移動速度 = U卷繞速度·sin α（交叉角）

該機在起動階段、運行階段、減速停車階段要求各電機保持相應的比例關系做到同步；而各電機的目標值，加減速斜率都動態的，而且在起動停車過程中更難控制同步，如何解決這一問題是項目成功的關鍵。我的方法是以錠子速度為基準值，把各速度曲線微分，把變速曲線細分為多個t，每經過一個t就會有一組新的目標值，由變頻器的一個新定值控制每個t時間內的加減速過程，如果t足夠小（200ms），這時t時間內的速度變化過程所產生的誤差就在要求范圍內，實現它采用西門子S7-200可編過程控制器PLC與臺達VFD-B系列變頻器通迅的方式來完成。而在運行階段,每30秒鐘對錠子速度和卷饒速度進行檢測,判斷它是否在允許范圍內,若超過范圍,還要判斷是上超差還是下超差,然后S7-200PLC通過通訊方式修正變頻器頻率值,使之回到正常范圍內,保證紗線的關鍵品質。

五.結束語

經過試制該機各方面性能指標均達到設計要求，在今年10月份北京國際紡織機械展覽會上將要展出。今后這種單錠單電機的自動控制方式是紡織機械的發展方向。