施耐德Micro系列PLC在高速卷绕头控制系统的应用

［摘要］：
［关键词］： 电机 恒压供水 modbus 工控
1.引言
化纤纺丝工艺中，聚酯切片经干燥设备除去水分后，通过螺杆挤压机加热熔融挤出，经计量泵精确计量喷丝成形，然后在恒温恒湿条件下冷却固化以及牵伸，最后通过卷绕头将纺丝成形的纤维卷绕成为成型良好的丝饼。其中，卷绕头卷绕成的丝饼需满足容量大、形状稳定、张力均匀、退绕容易等要求，具有高速度、大卷装、连续自动化等特点，是化纤纺丝机上技术构成最复杂、自动化程度最高的关键设备。
根据纺丝工艺要求，卷绕头按纺丝速度可分为常速卷绕头(1000m/min左右)、高速卷绕头(3000～4000m/min)、以及超高速卷绕头(6000～8000m/min)；根据升头落筒方式，卷绕头可分为半自动卷绕头和全自动卷绕头，其中，半自动高速卷绕头只有一个卷绕轴(卡头)，具有机械结构简单、性价比好等优点，缺点是在丝饼卷绕完成后需要人工升头换筒，有废丝，不能实现生产的连续化；全自动高速卷绕头具有两个可以自动切换的卷绕轴(卡头)，升头换筒过程全自动化，无废丝，可以最大限度提高生产率，是卷绕头的主要发展方向。
高速卷绕头的控制核心是通过对摩擦辊高速旋转速度(即卷绕线速度)的精密测量，准确控制卷绕轴的卷绕速度，实现纺丝卷绕的恒线速度恒张力控制。对全自动卷绕头来说，还需要实现精确的升头换筒的全自动控制。此外，还包括横动机构的三角波防叠控制、卷绕压力控制、卷绕与牵伸部分的同步控制、每个卷绕头卷绕工艺参数的设置及过程监控、以及成组卷绕头的联网集中监控等。
2．控制系统方案
高速卷绕头控制系统采用Micro系列PLC(TSX3722 CPU)为控制核心，采用ATV31系列经济型磁通矢量控制变频器控制卡头和横动电机。摩擦辊转速的测量通过Micro PLC的高速计数口实现；ATV31变频器的控制采用Micro PLC的通讯扩展口(插入TSXSCP114 Modbus通讯扩展卡配TSXSCPCU4030通讯电缆，作为主站)与ATV31内置的Modubs接口连接，构成Modbus总线，通过通讯控制方式实现；卷绕头卷绕工艺参数的设置及联网集中监控则通过Micro PLC的编程口(加装TSXPACC01总线隔离盒，作为从站)与上位工控机(作为主站)的串行口连接，构成上一级Modbus总线实现。

3.控制系统简介
Modbus协议是由第一台PLC的发明者Modicon (现为施耐德电气公司高端PLC品牌)于1978年开发的一个用于PLC和编程器之间通讯的协议，1980年起，为众多设备制造商在其不同的设备中采用，成为现场总线最开放、应用最广的通讯协议。
Modbus 协议是一个分级结构 (主从式) 异步串行通讯协议，可使主站对一个或多个从站进行访问，主站和从站之间允许多点连接。 Modbus 协议约定，只有主站唯一对数据的交换进行管理，从站不能够自己发送信息。主站和从站可以有两种对话方式：查询方式(主站对一个从站进行对话并等待其回应)和广播方式(主站对所有从站进行对话且无须回应)。
Modbus 协议可以实现主站和多个从站之间的数据交换及检验，因而在每个从站单元中都定义有数据区以使主站能够对其中的数据进行读出和/或写入操作，Modbus报文结构如下：

ATV31变频器内置的Modbus接口与CANOpen总线接口兼容，物理层为RS485，采用Modbus RTU方式，波特率可以是9.6/19.2Kbit/s，连接介质可采用屏蔽双绞线，传输距离可达1000 米，单总线上连接数量最多为31台；连接时，只需将PLC和变频器的DA、DB和0V共三根信号线互连即可方便地构成Modubs总线。
应用方面，首先需要对PLC和变频器的相应接口进行相关设置(包括Modbus 主/从站方式、从站号、以及波特率、数据位、停止位、校验等参数)，然后通过PLC编程软件在Miro PLC内编写相关读写操作的通讯程序，对多个从站的通讯可以通过编写时间片程序(时钟计数指
令或电子凸轮指令)分时执行上述读写操作的方式实现。读写操作编程示例如下：

注： m - 模块号(Micro PLC为0)，v - 通道号(编程口为0，扩展口为1)，i - 从站地址(变频器从站号)
对联网集中监控的上级Modbus总线，只需通过PLC编程软件对Micro PLC的编程口进行相关设置(包括Modbus 从站方式、从站号、以及波特率、数据位、停止位、校验等参数)，然后通过上位机对Micro PLC的相应内存区进行读写操作即可，在Micro PLC内无需任何编程工作。
对摩擦辊高速旋转速度(即卷绕线速度)的测量可通过Micro PLC的高速计数口，应用Micro PLC的快速任务(Fast Task，即定时中断服务程序)精密实现，精度达±1个脉冲；横动变频器部分的三角波防叠功能可通过PLC软件编程或ATV31变频器内置的横动功能实现；此外，Micro PLC提供的丰富的库函数(字表操作、数制转换、三角函数、浮点数运算等)及在线编程、调试工具，为高速卷绕头系统编程、调试及工艺修改提供了最大的便利。
4.结束语
在本系统中使用Micro PLC具有以下几大特点：
(1)丰富的功能指令及人性化的软件，给客户编程带来方便。
(2)可扩展内存容量，为客户较复杂的工艺要求提供保证。
(3)稳定可靠的Modbus通信，既降低成本，又提高效率。