6ES7222-1HD22-0XA0参数设置
本文介绍的全自动无骨架系列空心电磁线圈高速绕线机，可以绕制传动线圈，扬声器线圈，天线线圈以及各种无骨架通用线圈。设备具有性能可靠，高速高效率，自动化程度高，适合于线圈制造业的批量生产，如图1所示。
图1 空心电磁线圈
一般普通绕线机采用内置脉冲功能的小型PLC，通过绕线轴编码器速度输出到PLC内置高速输入点，将绕线轴与排线轴的速比进行简单速度同步，这种方法受PLC运算影响，同步精度差，计算量大，CPU处理时间较长，会出现绕线不均匀，堆积，塌陷等问题，严重影响绕线成品的质量，举例来说，PLC对绕线轴编码器作高速计数，当到达计数值时利用中断方式控制排线轴电机反向绕制，但受CPU运算处理时间的影响会出现滞后产生误差，在低速的情况下尚可基本达到绕制要求，对于高速绕制多层线圈时就会出现线圈端面不齐整，成品品质下降。
台达DVP-20PM00D是一款专用运动控制型PLC，采用高速双CPU结构形式，利用独立CPU处理运动控制算法，可以很好地实现各种运动轨迹控制、逻辑动作控制，直线/圆弧插补控制等，在高速绕线机中利用了20PM运动控制器的电子凸轮功能很好的解决了绕线换向出现的绕制不均匀、堆积、不平整等问题，如图2所示。
图2 运动控制器DVP-20PM00D
2 高速绕线机
2.1 设备结构简介
高速绕线机共包含九部分机构，如图3所示。
图3 高速绕线机
（1）机架。机架由角钢框架及不锈钢台面组成，并设置脚轮便于移动，当设备到位后可将支脚调低作为稳定支撑。
（2）张力机构。安装于进线部分，作为绕线张力调节，保证线圈绕制时维持张力恒定，张力调节器具有调节旋钮可针对不同需求进行张力调节设定，调整完毕后，张力调节器自动控制绕线张力。
（4）绕线机构。主要由台达B系列200W伺服电机、同步齿形带、绕线飞叉组成，是电子凸轮运动中的绕制主轴，铜线经过飞叉旋转绕制于绕线模头上，是绕线机主要运动部件之一。
（5）排线机构。包括台达B系列100W伺服电机、精密直线螺杆、精密导轨、气动滑叉等，是电子凸轮运动中的排线从轴，在绕线运动中跟随绕线主轴正反向往复运动实现排线动作，是绕线机主要运动部件之一。
（6）工作转台
由分度步进电机、旋转台、线叉、绕线模头组成，该设备为多任务位绕线机，在绕线执行模头预热、剪线、加热、脱模等工艺动作，这需要工作转台按不同工位动作完成。
（7）剪线机构。为气动执行机构，主要是将绕制完成的线圈两端引线剪断。
（8）脱模机构。由分度步进电机、气动脱模组成，将绕制完成的成品从绕线模头取下。
（9）热风系统。设备配置两个可调温度220V热风枪，在绕线前将模头预热，绕线后对线圈进行热风处理便于脱模。
（10）电气控制。包含电气控制箱、触摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D运动控制器作为控制核心，触摸屏作为人机交换，伺服电机作为执行机构，实现转轴与排线的jingque控制，从而保证绕线的精度。电气控制系统框图如图4所示。
图4 电气控制系统框图
2.2 工艺流程
绕线头回原点→进给至起绕点→张力调节→模头预热→绕线、排线→加热→剪线→脱模→成品→退至脱模点→进给至起绕点循环生产。
2.3 电气系统配置
电气控制主要包括绕排线部分、步进分度部分、气缸动作控制部分。具体配置如表1所示。
表1 绕线机电控配置
运动控制器
台达DVP-20PM00D
可编程控制器
台达DVP-32EH00T2
触摸屏
台达DOP-A57BSTD
绕线伺服电机及驱动器
台达ECMA-C30602ES、ASD-B0221-A
排线伺服电机及驱动器
台达ECMA-C30401ES、ASD-B0121-A
旋转台分度步进电机
脱模分度步进电机
3 台达PLC电子凸轮功能
高速绕线机的主要控制功能基于台达20PM电子凸轮的应用，使绕制产品的成品品质及效率大大tigao。以下对电子凸轮功能作简单介绍：
3.1 什么是电子凸轮
参见图5，凸轮是用于实现机械三维空间联动传动关系与控制的机械结构。自动化运动控制系统用软件程序与伺服电机实现三维空间联动传动关系与控制的软件系统就是电子凸轮功能。从图5可以看到，左边是我们常见的机械式凸轮方式，而右边就是电子凸轮方式。也就是说利用程序的方式（配合伺服单元）完成机械凸轮控制所需要的轨迹，实现主轴和从轴的啮合运动。
图5 电子凸轮功能
3.2 电子凸轮的实现
（1）获取主轴位置。获取主轴位置有多种方法：一是采用虚拟轴，计算简单准确；二是从主轴编码器或伺服脉冲获取，将主轴编码器信号进行处理；三是从测量编码器获取。获得编码器信号之后，将其换算成主轴位置。
（2）实现主从轴的啮合。实际上是定义主从轴之间的关系（称之为cam table）。camtable有两种方法表述：一是采用X、Y的点对点关系；二是采用两者的函数关系。camtable的获取也有多种途径：根据实际工作中测量到的点与点之间的对应关系，根据主从轴的标准函数关系。camtable可以定义多个cam曲线。关系确定和实现后，根据主轴的位置，就能得到从轴的位置。
3.3 台达运动控制型PLC的电子凸轮
台达20PM运动控制器除了实现直线/圆弧插补以及定位功能之外，内嵌了电子凸轮功能，使其可以应用在多种运动控制场合。20PM为2轴运动控制器，具有2路500KHz的输入与输出，在电子凸轮功能中定义X轴为从轴，Y轴为主轴，当定义好camtable后，从轴依据定义的曲线跟随主轴运动。图6是电子凸轮图形化定义软件主界面。
图6 台达电子凸轮软件图形化定义主界面
在软件中我们可以清楚地利用图形方式设定、修改电子凸轮曲线。当我们点击进入资料表单设定按钮时会弹出下面的区段设置表。使用者需先设定StartAng, End Ang, Stroke以及透过下拉式选单选取CAMcurve（具有连续、正弦、匀加速等6种曲线，并可加入其它标准曲线和自定义曲线）,在设定完成后按下Settingcompleted按钮, 即可在主画面绘制位移, 速度, 加速度坐标图7所示。
图7台达电子凸轮软件图形化定义分界面
图8是以高速绕线机为例的电子凸轮曲线图，采用CYCLIC模式排线从轴根据绕线主轴连续正反排线。以下是计算主从轴关系算式：
主轴转一圈所出线的距离(圆周长)=π*D (mm) Or 绕线模具一圈的出线的距离(圆周长)=π*D (mm)；
排线从轴转一圈所需脉波数=10000P/R=>相对应转一圈滚珠螺杆移动之距离=10mm；
主轴旋转一圈所需脉波=3600P/R =>从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波= 100P/R=>相对应滚珠螺杆移动之距离=0.1mm
Master/Slave关系式=(主轴旋转一圈所需脉波*凸轮一周期的匝数)/(从轴相对应主轴旋转一圈所转动的圈数所需脉波*线径*排线宽度的匝数)
图8 高速绕线机电子凸轮曲线图
4 绕线控制电子凸轮设计
4.1 程序设计
程序设计的关键在于高速绕线机的控制难点分析及解决方案。
（1）系统难点。绕线机在换向处出现绕线不均匀、堆积；绕线机换向处出现螺旋纹、不平整；无法进行斜排绕线，奇偶数绕线。
（2）难点分析。换向处绕线不均匀、堆积情况出现主要是由于普通PLC的速度指令处理时间长，换向受程序扫描周期影响，没有同步指令且无法实时刷新，伺服刚性参数，动态响应速度也是原因之一。
换向处出现螺纹主要是因为螺旋绕线方式造成，可采用后半圈定位绕线解决。
斜排绕线在爬坡时每圈需要增加一个线宽和线厚，奇偶数绕线是在每绕一层变换绕线匝数奇偶性，两种绕线方式都需要每次绕线后进行计算，由于普通小型PLC运算时间长，导致无法进行高速斜排和奇偶数绕线。
4.2台达解决方案
由以上分析可以看出，高速绕线机的瓶颈在于高速运算及响应，而台达20PM运动控制器除逻辑控制CPU外具有独立的高速运算CPU，由硬件直接完成高速运算响应，2轴同步控制时间小于0.5ms，达到高速绕线需求。关于台达20PM运动控制器电子凸轮功能及应用在上面章节已有描述。
对于程序编写也十分简单方便，利用PMSoft编程软件设置好camtable后，直接控制对应的内部寄存器即可完成电子凸轮运行。表2为X轴排线轴内部寄存器表，例如在对应的D1511中传送不同数值即可实现0（停止）、1（正向点动）、2（反向点动）、3（单段速运动）、4（电子凸轮运动），其它寄存器同样有各自功能。
表2 X轴排线轴内部寄存器表
EH2 CR
PM spD
Axis
Content
Direction(EH2, PM)
0
D1500
PM ID
…
…
10
D1510
X
Status Word
←→
11
D1511
X
Control Word
→
0, Stop
1, Jog+
2, Jog-
3, 1seg
4, CAM
12
D1512
X
Data1
→
jog Speed
jog Speed
bbbbbbbb
Master Ratio
13
D1513
X
Data2
→
14
D1514
X
Data3
→
Speed
Slave Ratio
15
D1515
X
Data4
→
16
D1516
X
Data5
→
Y bbbbbbbb
17
D1517
X
Data6
→
18
D1518
X
Data7
→
Y Speed
19
D1519
X
Data8
→
20
D1520
X
Data9
→
21
D1521
X
Data10
→
22
D1522
X
Data11
→
23
D1523
X
Data12
→
24
D1524
X
Data13
→
25
D1525
X
Data14
→
26
D1526
X
Data15
→
27
D1527
X
Data16
→
28
D1528
X
Data17
→
29
D1529
X
Data18
→
30
D1530
X
Current bbbbbbbb
←
31
D1531
X
X轴排线轴梯形图如下：
5 结束语
基于台达20PM电子凸轮功能的绕线机控制系统系统已经投产使用，绕线速度高可达2500r/min，绕制产品品质达到用户需求，台达20PM电子凸轮功能成功应用于高速绕线机中。
电子凸轮功能不仅仅可以应用在绕线机控制中，通过变换不同的控制曲线，该功能广泛应用于各种较高要求的运动控制中，例如：包装机行业中的飞剪，机床行业中的飞锯，印刷机行业中的电子轴裁切及套印，纺机行业中的精密络筒绕线等等
1 引言
目前国内大多数锅炉汽包水位都采用串级三冲量调节系统控制。锅炉燃料是炼铁过程中产生的尾气，其可燃成分主要是CO。受高炉炉况的影响，尾气压力及CO含量时常变化，锅炉的燃烧状况也随之变化，汽包水位及蒸汽压力变化较大，串级三冲量调节系统不能保证汽包水位在规定的范围内，只能采用手动方式，通过电动执行机构，调节管道阀门的开度来改变给水liuliang，以维持汽包水位在规定的范围内。这种方式不仅调节不便，浪费大量电能。工业蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，需要较高的控制水平才能达到有效运行。
结合国内某中型电厂的2台30T燃煤蒸汽锅炉，这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵余量仍较大，而2台锅炉运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，余量更大。由于2台锅炉分别由2套DCS系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还可能对管道、水泵叶轮和阀门造成损害。如图1所示。
图1 给水原理图
2 系统分析及设计
变频技术以其在节能与恒压方面的优越性能可以解决水压控制系统存在的以上问题。考虑选用单片机或PLC与变频器结合为核心构成的系统都能达到较好的控制效果。但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，选用了西门子MM430变频器和罗克韦尔PLC-5型PLC作为控制核心，再加上PSW7调节器与WSP300压力变送器，控制效果非常好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，整个系统的性价比非常高。具体如图2所示。
图2 控制原理图
在本方案中，充分利用了锅炉层有的DCS控制系统，增加了变频器、可编程序控制器(PLC)和控制信号转换装置。
2.1硬件控制系统
(1) 罗克韦尔PLC-5型PLC
我们选择的PLC-5/40ECPU，内存容量大，数据处理能力强，网络功能强大，带有以太网网口，不需要额外以太网通讯模块。
PLC-5/40E CPU使用钥匙开关改变处理器操作模式：
RUN（运行）
运行模式下，用户不能创建或删除程序文件，创建或删除数据文件，或编程软件改变操作模式。
PROG（编程）
编程模式时，用软件编程不能改变操作模式
REM（远程）
编程软件，远程编程、远程测试、远程运行模式之间改变。
RSLogix5编程软件具有可靠通讯能力、强大编程功能和卓越诊断能力和监控能力，以及运行控制功能：
诊断和故障查找工具
可靠通讯功能
统一项目视图
灵活梯形图逻辑
符号编程
可选梯形图视图
容易通信组态
利用RSLogix5梯形逻辑编程软件，可以优化系统性能，节省项目开发时间，tigao生产率。上位机监控软件RSView32是罗克韦尔自动化公司推出组态软件平台，它使用方便，可以构造灵活界面和强大功能，用RSView32组态软件能开发出较强组合画面：
快速灵活画面切换
灵活有效报警方式
强大功能和简单直观操作方式
灵活实用设置功能
实用管理功能
利用上位机监控软件RSView32，坐中央控制室，就可以监控现一切机械化设备，对现场生产情况一目了然。
(2) 西门子MM430变频器
MM430变频器是西门子公司新研制生产的一种适用于各种变速驱动应用场合的高性能变频器(调试简单、配置灵活)，它具有新的IGBT技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便。
2.2运行分析
(1) 当1台锅炉运行时
由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有DCS控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，将该锅炉汽包液位信号切入PLC，让PLC将该锅炉汽包液位信号进行PID运算处理后，再由控制信号转换装置，将PLC输出的4~20mA模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。
在本控制过程中，关键的问题是过程参数PID(P:比例系数I:积分系数、D:微分系数)的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水liuliang的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成影响，在调试过程中，应多次反复调整PID参数，直至出现佳控制过程。
(2) 当两台锅炉同进运行时
由于2台锅炉分别由两套DCS系统控制，在运行过程，蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图(图1)我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，tigao原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台(或2台以上)锅炉运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。
当2台锅炉运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由PLC采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过PID运算处理，输出4~20mA的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力(压力差的大小可以通过PLC在一定范围内任意调节)，但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有DCS控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水liuliang等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水liuliang。
此方案由于存在阀门的调节，理论上不能大限度的节能降耗，但实际应用中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不影响锅炉的运行。
3 PLC控制系统介绍
罗克韦尔PLC-5是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行PID运算的子程序，原理图和程序框图如图3、图4所示。
图3 PID原理图
图4 程序流程框图
4 注意事项
4.1隔离
周密完善地考虑器件或设备的布置及布线，并尽量增大干扰源与受扰电路之间的距离，将大大降低干扰的传播，减少系统的故障率。在实际安装布线时，应按其对干扰的灵敏度或按其本身功率的大小分门别类的进行处理，布置的顺序是：低电平模拟信号，一般数字信号，交流控制装置，直流动力装置，交流动力装置等。按照这样的顺序布置使其相互隔开，保持一定距离，在安装场合受到限制、设备要求体积小的情况下，还需要增加以下措施。
(1)使所有的信号线很好地绝缘，使其不可能漏电，这样，防止由于接触引入的干扰；
(2)将不同种类的信号线隔离铺设（在不同一电缆槽中，或用隔板隔开），我们可以根据信号不同类型将其按抗噪声干扰的能力分成几等。
(3)模拟量信号（模人、摸出，特别是低电平的模人信号如热电偶信号，热电阻信号等）对高频的脉冲信号的抗干扰能力是很差的。建议用屏蔽双绞线连接，且这些信号线必须单独占用电线管或电缆槽，不可与其它信号在同一电缆管（或槽）中走线。
(4)低电平的开关信号（一些状态干结点信号），数据通信线路（RS232、EIA485等），对低频的脉冲信号的抗干扰能力比上种信号要强，但建议好采用屏蔽双绞线（至少用双绞线）连接。此类信号也要单独走线，不可和动力线和大负载信号线在一起平行走线。
(5)高电平（或大电流）的开关量的输入输出、CATV、电话线，以及其它继电器输入输出信号，这类信号的抗干扰能力又强于以上两种，但这些信号会干扰别的信号，建议用双绞线连接，也单独走电缆管或电缆槽。
4.2屏蔽
屏蔽干扰源是抑制干扰的有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏;输出线好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)，且信号线采用双芯屏蔽，并与主电路的输入和输出线及控制线(AC220V)完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩必须可靠接地。
4.3联锁
锅炉给水是锅炉运行过程中至关重要的环节之一，其运行的稳定性与可靠性直接关系到整个锅炉系统乃至整个企业生产运行的稳定与安全。一旦变频器出现故障而停车后，系统可自动切换至原有工频控制系统而不影响生产，这一联锁措施至关重要。
5 结束语
经过实际的调试和运行实践证明，采用罗克韦尔自动化公司产品和技术实现的该系统在国内某中型电厂锅炉给水控制系统的实际运行中，取得良好的效果，并获得用户的。
（1）该系统节能效果显著，自投入运行以来冬夏两季日均节电约35％。
（2）该系统大大降低了操作工人的操作难度，减少了运行故障率，减少了检修次数。
（3）能合理地应用设备，tigao整个系统的运行效率，tigao设备运行寿命。