施耐德Micro PLC系列在双变频卷染机控制系统的应用

［摘要］：
［关键词］： 编码器 电机 pid 流量计
1.引言
染色过程是对织物采用染浴(染料+助剂+溶剂)处理，通过染料和织物纤维发生化学或物理化学的结合，使染料转移到纤维上而生成不溶性的有色物质。
卷染机是间歇式平幅染色机械，织物以平幅状态通过染槽，往复卷绕于卷布辊上实现染色。它不仅适用于各种染色工艺，还适用于退浆、煮练、漂白、洗涤和后处理等工艺，具有体积小、投资少、用途广等特点，操作简单、更换颜色和品种方便，特别适合于中小批量染色加工，可以节约能源和染料，费用低廉。
卷染机根据布卷容量可分为普通卷染机(最大外径600mm)和大容量卷染机(最大外径1200～1500 mm)；按染色工艺可分为常压型(最高工作温度95℃)和高温高压型(最高工作温度140℃)；按卷布辊传动方式可分为机械传动、液压传动、直流传动、交流变频传动等多种形式。
双变频器卷染机通过采用两台变频器分别控制前后两个卷布辊电机，实现两个卷布辊对织物反复收卷、放卷的恒线速度恒张力运行控制；同时还要实现计长测径、自动平稳换向、自动停车、以及对染浴的PID恒温控制等，工艺参数设定、显示及相关操作和监控由触摸屏完成。
2.控制系统方案
双变频器卷染机控制系统ATV31系列经济型磁通矢量变频器，通过Micro PLC(TSX3722)加CANOpen通讯扩展卡(TSXCPP110)作为主站，通过CANOpen总线控制2台ATV31变频器(内置CANOpen接口，作为从站)的调速和同步控制，同时配Magelis XBT-G 5.7”黑白触摸屏进行系统操作和监控。

3.控制系统简介
CAN (Controller Aera Network，控制器局部网) 是德国Bosch公司在1983年开发的一种串行数据通讯协议，最初应用于现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换，是一种多主方式的串行通讯总线，介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤，速率可达1Mbps，支持多达128个节点；具有高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，保证数据通讯的可靠性。
CANOpen是在CAN底层协议(物流层和链路层)之上实现的应用层协议，是一个基于CAL(CAN Application Layer)的子协议，为PLC、工业器件、接口、应用子协议等定义了页/帧状态。在CANopen网络中，采用中心授权机制，通过一个NMT-Master对网络进行管理，通信机制比较简单，适合于所有机械的嵌入式网络，可以降低设备的复杂程度，在工业领域(如汽车、电梯、医疗、船舶、纺织机械等)得到了广泛应用，是欧洲最重要的网络标准。
CANOpen报文结构

ATV31变频器内置了CANOpen总线接口，支持127个节点，数据传输速度最高可达1Mbps，传输距离根据传输速度从5米到5000米，该接口(RJ45)管脚定义如下图。

在Micro PLC CPU模块的通讯扩展插槽中插入TSXCPP110通讯扩展卡) ，采用屏蔽双绞线和CANOpen分线盒(VW3 CAN TAP 2)与ATV31变频器内置的CANOpen总线接口连接，即可构成CANOpen总线。
通过PL7 Pro编程软件(版本号>V4.3)和SyCon配置工具软件(版本号>V2.8)，以及ATV31变频器嵌入SyCon设备数据库的EDS文件，可以方便地完成CANOpen总线的配置。在ATV31变频器通讯菜单(CON-)中只需设置CANOpen总线地址(AdC0)和传输速度(bDC0)即可。
通过CANOpen总线对ATV31变频器进行通讯控制时，可采用过程数据目标(PDO: Process Data Objects)完成实时数据交换(周期性刷新或数据变化时交换)，ATV31变频器支持两种预设置的PDO：
1 PDO1：一个接收的PDO(如控制字CMDD)和一个发送的PDO (如状态字ETAD)
2 PDO6：两个接收的PDO和两个发送的PDO (可根据需要设置不同的参数)
PDO自动映射到Micro PLC内设置对应的内存区内，Micro PLC对ATV31变频器的控制等同于对自身对应内存的读/写操作，无需编写任何通讯程序；同时，ATV31变频器支持两种起
动/停止控制方式：通讯指令控制(通过控制字CMDD)和输入端子控制(通过逻辑输入口Lix)。
此外，ATV31支持服务数据目标(SDO: Service Data Objects)，可用于系统组态和参数设置；同时，还支持识别代码的缺省分配、广播方式(COB-ID为0)、NMT-Master服务、“心跳”(Heartbeat)目标、急停目标、节点监护目标等其它功能。
4.卷布辊收卷/放卷控制算法
卷染机工艺要求两个卷布辊对织物反复收卷、放卷的恒线速度恒张力控制，因此需要在系统中对卷染张力(Tf)和速度(vf)进行精确测量，将测量值输入到PLC中，与设定张力(T0)和速度(V0)进行比较和PID运算后，输出转速信号(v)控制卷布辊运行。卷布辊收卷时，转速随卷径增大而逐渐减小；放卷时，转速随卷径减小而逐渐增大，具体算法如下：
收卷算法：v=v-PID(v0-vf) -PID(T0-Tf)
放卷算法： v=v +PID(v0-vf) +PID(T0-Tf)
5.结束语
本系统使用CANopen的高速通信，保证控制的实时性，另外，Twido 即将推出CANopen模块，这样会使成本大大降低。