6ES7223-1PL22-0XA8代理订购
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jingque计量喷丝成形，在恒温恒湿条件下冷却固化以及牵伸，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复杂、自动化程度高的关键设备。
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jingque的升头换筒的全自动控制。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(TSX3722CPU)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MicroPLC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TSXSCP114Modbus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MicroPLC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，成为现场总线开放、应用广的通讯协议。
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，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ModbusRTU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，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)，通过PLC编程软件在MiroPLC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(MicroPLC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MicroPLC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)，通过上位机对MicroPLC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MicroPLC的高速计数口，应用Micro PLC的快速任务(FastTask，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；MicroPLC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大的便利。
一．三菱FX2N系列可编程控制器和变频器调速控制系统简介
1三菱F系列变频器外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V或电流DC4~20mA，进行无级调速。我公司货架组件（横梁）冷弯设备机组便采用多段速闭环变频器调速控制系统；一般采用外部输入端子SD﹑STF﹑STR、RL﹑RM﹑RH，进行三段速调速。RL﹑RM﹑RH是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，SD是输入公共端，STF是启动正转信号，STR是启动反转信号。当Y10，Y11有输出时，变频器为低速运行；当Y10，Y12有输出时，为中速运行；当Y10，Y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为2.0Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱FX2N系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过DOS操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。
2三菱FX2N系列可编程控制器是小型化，高速度，高性能的产品，是FX系列中次的超小型程序装置。本文探讨MELSECFX2N-32MR在货架组件（横梁）冷弯机组中的应用特点:
二．系统构成。
1 工艺流程如下图：
图一：货架冷弯成型工艺简图
1.1根据货架组件（横梁）的冷弯成型孔型设计及冷弯成型工艺要求，货架组件（横梁）冷弯机组共有12站牌楼构成，钢卷料由站牌楼前的带料导引装置将钢带穿入冷弯机组进行冷弯成型加工，该冷弯机组主动力由22KW的三菱多功能矢量控制变频器和异步变频电机驱动系统构成，各牌楼间的动力传递可采用链传动或齿轮组来实现；主控系统选用MELSECFX2N-32MR可编程控制器，闭环控制反馈信号由1200脉冲/转的旋转编码器被动测量提供信号开关量并测长，根据所选的编码器的线数以及你要走的位置量，确定好对应的计测脉冲数，设置PLC，使其在计测到相应的脉冲数时产生相应的动作以实现产品定长切断的jingque控制，其基本长度控制精度可达±0.5mm以上，可重复长度控制误差分布范围大不超过1mm。
2系统硬件结构的主要配置
2.1PLC选用是FX2N-32MR，外加FX2N-232-BD通讯模块。各1只
2.2触摸屏选用型号为：GP37W2-BG41-24V，或采用微机控制上位机系统。
2.3KOYO旋转编码器TRD－NH1200-RZ及测量辊、24V开关电源，各1台
2.4三菱多功能矢量控制变频器：FR－A540－22K-CH变频器，1台
2.5三相笼型交流异步电动机：Y系列，4极，22kW ，1台。
2.6其它电气选配件。
三.电气闭环无级控制系统原理
3.1要实现货架组件（横梁）的冷弯成型机组的闭环无级控制，必须根据变频器和变频电机的特性，即：在一定载荷下变频器所存在的理想加速和减速特性曲线，或根据不同的品牌和规格的变频器的特性参考资料、冷弯机组加工件的负荷特性、电机的负荷特性等进行适时调整。基本控制原理如图一：
2.2基本控制思想为：1）、根据旋转编码器测量反馈的当前速度信号适时调整变频器的输出驱动频率值，从而保证变频电机能以要求的速度平稳运行；其还表现在必须根据具体冷弯产品的成型工艺要求、负荷波动规律等选择相应的速度控制模式，即初时运动加速度与加速控制时间、平稳运行速度与距离、减速运动加速度与控制时间等进行变频器的适时调整，确保主机运行及控制反馈运行过程的平稳，消除不稳定形成的系统超差故障；2）、根据旋转编码器的脉冲测量数反馈当前冷弯机组主电机的位移信号及预先设定的控制方案适时调整变频器的输出驱动频率值，使变频电机先以较高的速度运行到接近冷弯产品控制切断长度的位置后将速度平稳降到较低的速度下工作，并在切断控制处准确制动停准，必要时可采取机械抱闸系统来辅助快速定位，再通过输出控制点发出切断控制信号实现液压停剪；PLC控制系统在工作过程中实时采集运行数据，并不断地与存放在软件控制数据块里的标准位置参数进行比较和控制决策，从而达到快速准确定位、提高作业效率的目的，并与监控系统交换工作信息以实现生产管理系统的全面动态管理。
3.3在我公司进口的货架组件（立柱）冷弯生产线控制系统中，可编程控制器主要用作下位机，检测各状态点的状态，直接控制系统的启、停和其他控制单元的投切，并将各点的状态送给上位机——计算机，计算机综合可编程控制器和其他设设备的数据，作出相应的处理和显示。
四． 货架组件（横梁）的冷弯成型工艺的负载机械特性和变频器的选型
该系统的电气拖动主要是驱动冷弯轧辊运动，其阻力矩TL取决于冷弯轧辊与钢卷料之间的摩擦力FL与冷弯轧辊半径r的乘积，即TL=FL×r。在这里，冷弯轧辊的半径r是恒定不变的，摩擦力FL的大小与相应的冷弯产品的孔型设计工艺水平、机组的传动效率和相关材料与轧辊间的摩擦系数等有关，与转速高低关系不大。这是典型的恒转矩负载机械特性。可初步选用三菱FR-A540系列变频器。
三菱FR-A540系列变频器具有如下特性：
·采用先进的磁通矢量控制。由于采用了精简指令集计算机RISC微处理芯片，使之具有全新的在线自动调整功能，使电机在不影响启动速度的情况下迅速得到调整。
·具有多段速度选择功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/减速时间选择RT、漏型公共输入端SD等端子，可以通过PLC的输出点直接控制输入端子的ON/OFF状态来实现变频器速度的上升、下降和jingque停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。
·运用了三菱首创“柔性脉宽调制”（Soft-PWM）开关方式，实现更低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的PLC、旋转编码器的可靠运行。
·调速范围：1：120（0.5Hz~60Hz运行时），且低频运行性能稳定可靠，采用自动调整后,可以在不同的品牌的电机上实现高精度运行。
货架组件（横梁）冷弯机组的主要功耗包括：用于货架组件（横梁）弯曲变形功率、克服辊子与工件之间的摩擦阻力及辊子轴承摩擦阻力、克服机组传动阻力及功率损耗，一般采用经验测算方法与简单公式计算后放大倍数的方法共同核算，通常还根据冷弯成型的成功案例进行类比测算，并依此确定具体型号变频器的实际功率。
综合多种因素，我们选定了三菱FR-A540-22kW-CH变频器。经试验证明：针对货架组件（横梁）的冷弯成型机组采用PGL板反而会出现较大的定位误差，故取消了PLG板设计，仅利用变频器的多段速选择和FR-A540的高性能来实现货架组件（横梁）的冷弯成型的定位控制。
五．外部接口设计
三菱FX2N型PLC内置多个高速计数器。经过测量测试，选择采用两相两计数输入、应答频率为30kHz的C251计数器，将旋转编码器的A、B输出端与PLC的X0、X1输入点相连，可以稳定地捕捉货架组件（横梁）冷弯机组上加工产品所需要的闭环控制反馈信号，实现冷弯产品的加工长度、位置定位后的程序比较及控制信号的输出，实现冷弯产品的定长液压停剪动作。机组大运行速度限制计算为：测量辊周长与应答频率为30kHz的乘积再除旋转编码器的每转脉冲数，如我司选用的测量辊直径为Φ60mm，周长为188.5mm，则每秒大运动位移为：188.5mm×30000÷1200=4.1725M，远远满足货架组件（横梁）冷弯机组的大运行速度在20米/分的要求。
FX2N-32MR的输出点的外部接线方式为分组式，有COM0~COM3共4个COM点与16个输出点对应，可以灵活地选择输出点的电源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3、Y4直接与变频器的STF（正转启动）、STR（反转启动）、RH、RL、RT端相连，PLC的4个输出点公用的COM1点与变频器SD端相连，可以直接控制变频器，提高系统的响应速度，并节省了有触点闭合行程、响应较慢的电磁式继电器或接触器；其他输出点实现电磁阀实现液压换向动作等动作。
用PLC编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令DHSZ，用触摸屏对PLC数据寄存器D赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与C251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，PLC指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到jingque的编码器脉冲总数。按照速度控制规律的各段分配脉冲数，以指导PLC适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数或实际长度换算数以实际记录为准。
加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。冷弯机组遵循“加速—运行—减速—低速运行正反转调整—停止”为一个运行周期，每一周期中的间隔是冷弯产品的切断过程及系统动作复位。合理设置这些参数，可以调整定位运行的切断控制精度及机组的生产效率，使它适合负荷的要求。
六应用效果
PLC+变频器控制实现的多段速系统控制确保了货架冷弯机组的自动化控制要求，具有运行稳定可靠，定位精度高等特点。实践也证明FR-A540-22KW变频器完全满足货架冷弯机组的调速和基本定位控制要求，提高了生产效率。此种PLC+变频器控制方式也可用于其他需要速度配合及定位控制的电机变频调速系统。
根据今后货架冷弯机组的自动化发展方向，将成型速度的设定与控制理论的发展与应用、成型辊辊型设定与实时调节、具体机械设备的故障诊断的处理与显示等与具体的PLC控制功能和发展相结合，必然能促进货架冷弯机组的自动化发展水平。
一、前言
货架冷弯组件定尺剪切是货架冷弯成型生产线上的一个重要环节，它的主要作用是将连续生产的货架冷弯组件剪切成库房设计规划所要求的尺寸；货架冷弯成型生产线的控制系统主要由机械系统（机构）、电子信息处理系统（计算机或PLC）、动力系统（动力源；有伺服驱动单元、交流变频驱动单元、步进驱动单元等）、传感检测系统（旋转编码器或光电传感器等+计数模块或单元等）、执行元件系统等五个子系统组成。
jingque的位置控制是货架冷弯机组中液压停剪装置或飞剪装置的基本要求，在货架立柱等位置控制精度要求比较高的场合，可采用CNC系统或专用的伺服控制驱动单元，该方案造价高，基本控制电路和控制原理复杂，控制精度高可达到±0.1mm以内，且误差分布规律性好，有利于控制长单件工件，如30M长的立柱孔位分布、整件孔位误差分布和孔位积累误差小，但在货架横梁、拉杆等位置控制精度有一定的要求，如：长度控制精度为±0.5mm以内时，采用PLC闭环反馈控制系统实现货架冷弯机组中液压停剪技术是一种性价比很好的选择方案。
传统的定尺剪切利用有接点的继电器来实现控制，但传统的接点继电器存在接点接触不灵敏、信号控制滞后等缺点，造成货架冷弯组件定尺不准确，严重影响库房的规划设计效果和安装控制精度，这也是当前此类设备更新改造的重点和今后的发展趋势。
二、PLC的闭环控制原理
PLC具有PID模块，使其能对输入的模拟量、数字量进行比例、积分、微分计算，并将其运算结果以模拟量形式输出，实现基本闭环控制。
PLC在位置控制系统中得以广泛应用，与PLC制造业提供的驱动单元的性能是分不开的，驱动单元一般可采用：驱动步进电机、伺服控制器及伺服电机、变频器与变频电机系统等；用户只需要通过PLC向位置控制单元模块设置参数及发出某种命令，位置控制模块根据具体测量点的反馈信号和PLC的指令来调整控制输出，实现冷弯轧辊的一定精度要求的定位控制；位置控制模块能根据一定的控制目的确保冷弯轧辊的转动运动保持适当的速度和加速度，实现配套设备参数调整的简单化。
图一PLC的闭环控制原理图
此系统控制示意图如图一，此设计的依据是利用传感器直接检测目标运动，将信号传递给可编程序控制器（PLC），通过可编程序控制器对系统进行反馈控制，在此系统中，机械系统由链传动或齿轮传动机构、液压剪切机构、工作台等组成，电子信息处理系统由可编程序控制器（PLC）构成；动力系统由驱动电机组成，传感检测系统由光电开关、位置传感旋转编码器组成；执行元件为工作台和液压顺序控制阀，在设计过程中，应严格选择与系统电气参数相匹配的机械系统参数，也要根据机械系统固有结构参数来选择和确定电气参数。
三、对定尺剪切工作过程的简述
货架冷弯生产线生产工艺流程：开卷→ 入料校平→ 切头、压料、焊接 → 储料(料仓) → 伺服步进送料 → 冲孔 → 储料(料仓) → 冷弯成形 →校直→液压停剪切断（定尺剪切过程）→ 出料 →。即货架冷弯生产线由开卷机、校平机、送料机、压力机、成型机组、液压剪切机等设备组成。金属料卷放在开卷机上，经开卷后进入校平机校平，进入伺服送料机，由伺服送料机向压力机上的模具中心送入定长的板料，经冲压加工后的钢带料再进入冷弯成型机中冷弯成型，剪切机将冷弯型材定长切断。目前我公司设计开发的开卷机开卷速度为0m/min～20 m/min可调，整线基本运行速度为12--14 m/min。
当按下运行命令后，主电机带动冷弯轧辊以一定速度旋转，此旋转速度主要由货架冷弯组件的成型工艺、机构变速比、冷弯轧辊结构尺寸、液压剪的剪切力以及机组设置运行速度等参数决定。
当成型货架冷弯组件经传送轨道经过孔位检测光电开关位置时，发送通断电信号传递给孔位数计数器进行计数，当孔位数达到设定值时发出位置检测信号，旋转编码器进行一定距离的位置检测并向PLC提供一定脉冲数，PLC检测到设定的脉冲数后，向主电机发出减速、停止命令，在主电机停止后向液压顺序控制阀发出切断控制命令驱动液压剪进行切断操作。
交流变频调速异步电机定位控制的研究经历了较长阶段，传统做法是采用机械挡块来定位。如：济南铸锻所为我公司设计的货架立柱冷弯生产线为达到定尺寸定孔位切断的精度：±0.5mm，其液压飞剪系统的定位设计中就引入了定位插销控制技术，目前，在各个行业中所用的定位方式可分为四种:机械定位，电气定位,空气定位，光学定位。电气定位控制系统一般是以数字方式工作的，故可以提高精度，十分简便，易于和计算机，PLC等各种控制电路相匹配。目前在冷弯机组中应用变频调速技术是针对变频器的速度参数设定几个固定的频率（例如高速、中速、低速三种频率），根据冷弯机组上实际产品的控制要求由PC或PLC对变频器的三种（频率）速度进行切换，达到调速和停准的目的。但当具体产品对冷弯机组的位置停准精度要求提高后，这种开环式的有级调速就不能满足产品的位置精度控制要求，而采用前述的闭环控制技术与原理。
四、控制处理系统
由于传统的有接点的继电器存在以下的缺点：1）缺乏高精度的控制性能；2）接点机械动作造成相应动作延迟；3）由于接点磨损、接触不良等原因，造成动作误差且故障维修麻烦；4）生产线的改造、更新较麻烦，故对其控制系统采用可编程序控制器（PLC）来取代传统的接点继电器，以简化机械结构，提高系统的性能和质量，根据PLC功能和输入及输出模块组合，在此系统中采用PLC能够实现以下控制：
在三菱FX-2NPLC系统中，CPU通过位置控制模块PP2向伺服驱动器或变频器发出控制命令，伺服驱动器或变频器直接控制相应的电机运动，旋转编码器将速度信号反馈回驱动器或变频器中，形成（半）闭环控制系统，伺服电机通过机械机构实现位置定位运动；控制命令通过操作面板或触摸屏发出，并要求对有关PLC程序段进行开放性设计并与触摸屏技术相结合，便于操作人员对有关机组的进行操作和调整。
位控模块PP2发给伺服驱动器的信号主要有：脉冲输出、伺服使能等，伺服驱动器返给位控模块PP2的信号主要有：零脉冲输入、回零接近开关信号、伺服故障报警等。
如我公司货架组件中的横梁生产线中选用三菱F系列变频器，其外部端子调速可分为模拟量调速和多段速调速。模拟量调速可用电压DC0~10V或电流DC4~20mA，进行无级调速。采用外部输入端子SD﹑STF﹑STR、RL﹑RM﹑RH，进行三段速调速。RL﹑RM﹑RH是低﹑中﹑高三段速速度选择端子，SD是输入公共端，STF是启动正转信号，STR是启动反转信号。当Y10，Y11有输出时，变频器为低速运行；当Y10，Y12有输出时，为中速运行；当Y10，Y13有输出时为高速运行。三段速分别设置为2.0Hz﹑30Hz﹑45Hz。在模拟量调速时，通过编程，三菱FX2N系列可编程控制器根据操作台发出的信号，选择控制方式：模拟量调速或多段速调速。其控制系统还可以通过DOS操作系统开发编程的微机作为上位机实现控制功能或结合触摸屏技术实现随机动态适时控制或结合触摸屏控制技术来操作控制实现有关功能。
五精度控制
由于物流产业的快速发展，对货架立柱的孔位精度提出了更高的要求，如：孔位误差不超过±0.3，孔位累计误差也不超过±0.5等，单件产品长度控制精度一般控制在0.5mm左右，为保证货架冷弯组件的质量和生产成本，必须定期校准旋转编码器测量辊的磨损修正、相关外围设备参数变化或调试过程中的机组再调整、设备的维护保养等，从而尽量保证切割尺寸控制在公差范围内。
我公司机组控制精度高在±0.1mm左右且可避免累积误差分布，该控制方法和系统可应用于高精度开口系列冷弯型钢产品的生产和新产品的设计开发过程中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位高精度要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。
六结语
本文主要是对货架冷弯组件定尺剪切系统作一概括性设计，并未对具体结构参数以及PLC选型作说明，具体参数需按系统的固有结构参数、货架冷弯组件结构尺寸以及工作特性参数确定。不同的PLC对应不同的编程语言，但根据梯形图程序语言便可具体地编制PLC编译指令，要求编写的程序合乎PLC性能指标及工作要求。
采用此方案的优点在于用微电子技术取代了人对机械的绝大部分控制功能，克服了人体能力的不足和弱点，提高了控制精度和设备的反应灵敏度，便于重新设计和改造，有较好的实用意义；从实际应用的情况分析：采用PLC实现jingque的位置控制能满足货架冷弯机组中定尺剪切的基本精度要求。