基于Profibus-DP总线交流伺服系统、变频系统应用一例--.pdf

基于基于 Profibus-DP 总线交流伺服系统、总线交流伺服系统、变频系统变频系统应用一例应用一例 （湖南邵阳纺织机械有限责任公司化纤所）宋少杰 摘要：摘要：本文介绍基于 Profibus-DP 总线西门子交流伺服系统、交流变频牵引系统 在化纤行业短纤维生产线中的应用。关键词关键词：Profibus-DP；伺服系统；S7-300；交流变频牵引系统；OP270 1.概述概述 洛阳实华化纤厂新上的三条涤纶纺丝牵伸及后加工处理生产线，设计规模为年产五万/条。主要包括三条每条年产五万吨的联苯锅炉加热系统，熔体输送系统，纺丝计量泵系统，七辊牵引交流变频牵引系统，气流输送盛丝桶铺丝机伺服系统以及后加工处理生产线。熔体直接纺大容量涤纶纺丝生产线的工艺流程：熔体增压泵-熔体输送管-纺丝箱体-计量泵-中心内环吹装置-卷绕机-牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机。本联合机分三条线，每条线含 6 个纺丝箱，36 个纺丝位，每个纺丝位配置一台高精度的计量泵，共计 108 个纺丝位。直纺熔体经增压泵增压后由熔体输送管将熔体输送至纺丝箱，经计量泵计量后由喷丝板喷出，通过中心内环吹装置，受空气冷却固化后进入卷绕机，各纺丝位丝束经过上油装置后进入牵引机，再由喂入机送入盛丝桶铺丝机上的盛丝桶中。本联合机的控制系统分两部分；一部分为由熔体增压泵-熔体输送管-纺丝箱体-计量泵-中心内环吹装置-卷绕机组成，另一部分由牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机组成。本文介绍由牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机组成的控制系统。2.控制系统原理简介控制系统原理简介 牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机组成的控制系统由一台 S7-300 PLC 控制，由于卷绕出来的丝通过牵引机、气流喂入机输送，源源不断的送入盛丝桶中，为丝 的后加工处理生产做好准备。从熔体直接纺大容量涤纶纺丝生产线的工艺流程中，可以看出牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝是化纤行业短纤维生产线中的重要设备之一，牵引机、盛丝桶铺丝机运行好坏,直接影响盛丝桶中盛丝的长度及每层铺丝的均匀程度，从而直接制约涤纶短纤前纺、后纺的生产，对涤纶短纤丝的成品质量有很大的影响。随着制涤纶短纤造业迅猛发展和产品质量的不断提高，对丝的产量、质量要求也不断的提升，要求牵引机能保证安全可靠的运行、盛丝桶铺丝机能实现智能化精确控制，为此我们在设计生产牵引机、盛丝桶铺丝机时，采用了基于Profibus-DP 总线的西门子交流变频牵引系统、交流伺服系统的人性化控制系统，由一台 S7-300 PLC控制，控制牵引机、盛丝桶铺丝机的运动。控制系统如图 1 所示：图 1 牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机由两个人机界面西门子的 OP270、一台S7-300 PLC、一台西门子书本型伺服驱动器、一台西门子书本型逆变器、十台西门子 MM440 变频器通过 Profibus-DP 总线连接组成牵引机交流变频牵引系统、盛丝桶铺丝机伺服系统。牵引机交流变频牵引系统的控制原理，如图 2 所示：牵引机上的每一个牵引辊电机，都由各自的一台西门子 MM440 变频器控制。由卷绕出来的丝通过牵引机上牵引辊送入盛丝桶铺丝机时，由于丝束在每个牵引辊上的包角不同，因此丝束在每个牵引辊上的作用力也就不相同。在丝束的作用下，使牵引辊会产生倒拖现象。即牵引辊电机有的处于发电状态，有的处于电动状态。处于电机发电状态的现象称倒拖现象，处于发电状态的电机产生再生能量，使驱动该电机的交流变频器直流母线电压过高，当交流变频器直流母线电压超过额定值时，交流变频器过压保护装置动作，致使牵引机停车无法正常生产。图 2 一般解决倒拖现象的方法有能量消耗法、能量回馈法、并联直流母线吸收法等，能量消耗法是在每个交流变频器直流回路中并联电阻，通过电阻以发热的形式将再生能量消耗掉；能量回馈法是在每个交流变频器直流回路中并接一能量回馈装置，当电机处于倒拖运行时，启动能量回馈装置将再生能量回馈到电网侧；并联直流母线吸收法是根据需要将交流变频器直流母线接在一起，当某一电机处于倒拖运行时，其变频器产生能量通过公共直流母线将能量回馈给处于电动状态的变频器，从而保持直流母线电压的稳定，使牵引机能正常生产。并联直流母线吸收法也有很多种形式，本交流变频牵引系统采用的方法如图 3 所示，图 3 交流变频牵引系统采用人机界面 SIEMENS 的操作屏 OP270，通过Profibus-DP 总线连接 S7-300 PLC与 MM440 变频器控制牵引机设备的运行。操作人员通过操作屏 OP270 实时修改各种参数和动作控制，能在操作屏 OP270 上监视各电机和变频器运行的状，实现最优控制，满足生产工艺的需要。盛丝桶铺丝机伺服系统的控制原理，如图 4 所示：盛丝桶铺丝机安装在牵引机的下一层，是前纺生产线的最后一道工序。当牵引机源源不断的将丝束送入盛丝桶铺丝的盛丝桶中时，盛丝桶铺丝机按照要求的规 定动作进行前后、左右往复运动。将丝束均匀的一层一层的铺在盛丝桶中，当盛丝桶盛满丝时，盛丝桶铺丝机左、右运动要对中，等待盛丝桶满桶与空桶交 图 4 换，当满桶与空桶交换后，盛丝桶铺丝机向前运动将满桶送出，而空桶正好接到丝，然后重复前后、左右往复运动。盛丝桶铺丝机运动看是简单，但其逻辑动作要求特别严格，前后、左右往复运动位移要求准确可靠。这样才能保证丝束均匀的一层一层的铺在盛丝桶中，为丝的后加工处理生产打下良好基础。为此盛丝桶铺丝机在设计上采用了伺服系统，盛丝桶铺丝机交流伺服系统共有两套，一套控制盛丝桶铺丝机前后运动，另一套控制盛丝桶铺丝机左右运动。伺服系统如图 5 所示：图 5 伺服系统由交流伺服驱动器、交流伺服电机、编码器、通讯端口、等组成，是一个闭环控制系统，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量。SIEMENS 交流伺服驱动器有很强的功能，有着灵活多样的控制方式，有速度控制方式、位置控制方式、返回参考点控制方式、自动控制方式、凸轮控制方式、虚拟主轴控制方式、同步控制方式等，能通过伺服驱动器自身参数的调整，提高控制精度。本伺服系统采用位置控制方式，位置控制的根本任务就是使交流伺服电机对位置指令的精确跟踪。盛丝桶铺丝机是将旋转负载转变直线运动的负载，怎样才能保证盛丝桶铺丝机运动位置的准确性，这就要求从伺服驱动器自身参数和控制系统来保证。SIEMENS 交流伺服驱动器精度调整的计算方法如下：编码器脉冲数：由驱动器参数 P171 决定（增量/旋转）减速比：i 负载辊直径：D mm LU：直线运动位移单位（即控制精度）um AVWF：每个位移增量的 LU 的数量 AVWF=1/iD2P171 当 P170=12 时，编码器增量/旋转=4096，再根据盛丝桶铺丝机每个方向的减数比、负载直径，算出 AVWF。再将 AVWF 的整数部分设到驱动器参数 P169 中，将小数部分设到驱动器参数 P170 中，这样操作人员通过人机界面设定位置参数，参数通过 Profibus-DP 总线到 PLC，PLC 将参数转化成各种位置指令通过Profibus-DP 总线给各伺服驱动器，控制伺服电机完成精确的位置运动，从而保证盛丝桶铺丝机能将丝束均匀的铺在盛丝桶中。伺服系统采用直流供母线的接线方式，如图 6 所示：图 6 牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机,PLC 硬件配置如图 7 所示：图 7 3.OP270 界面界面 牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机的人机操作界面 OP270 通过 Profibus-DP总线 PLC 上；人机界面以简洁、清晰的风格组态各个操作画面，画面上准确明了地以图形方式表示出当前生产线设备工况，如停止、运行、速度和故障等信息并以不同颜色、图形和文字表示。通过界面上的操作，可对牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机的速度进行设定和修改；牵引、喂入机系统设置中速和工艺速二档速度。实现系统的工艺参数设置、运行控制、工况显示、报警显示等功能。该操作画面支持中英文切换。相关画面见以下图。图 1 牵引机-喂入机运行状态 图 2 牵引机-喂入机参数设定 图 3 牵引机-喂入机故障状态 图 4 盛丝桶铺丝机参数设定 图 5 盛丝桶铺丝机伺服系统参数设定 4.结语结语 本系统是人机界面、PLC、变频器、伺服系统和 Profibus-DP 总线应用的完美结合，采用了基于现场总线的控制系统，系统高度稳定可靠，有很强的抗干扰能力，开放式的总线结构，可容纳第三方设备，采用功能强大的Siemens 友好人机界面，使牵引机-喂入机-盛丝桶铺丝机控制更具有智能化与人性化。本控制系统在涤纶纺丝生产线中的应用，降低了系统设计、制造、安装、维护的成本，并提高了系统的控制精度和系统的可靠性。满足化纤行业短纤维生产线中工艺需要，现已应用到相应的出口产品生产线上 参考文献 参考文献 1 SIMATIC V_1_4 伺服驱动器手册 2 SIMATIC Profibus-DP 通讯 3 SIMATIC S7-300 使用手册 4 Protool 组态 图形显示 用户指南