姚 旭，吳國忠

YAO Xu, WU Guo-zhong

（浙江大學(xué)，杭州 310012）

1 工藝簡介

圖1 熱處理生產(chǎn)線示意圖

24線熱處理收放線機(jī)組是鋼絲制造廠在對鋼絲進(jìn)行回火處理后，用大盤重方式進(jìn)行收線的設(shè)備，24線指此生產(chǎn)線能夠同時(shí)處理24根鋼絲，24根鋼絲處理線分別由獨(dú)立的放線器、牽引機(jī)、排線機(jī)及收線機(jī)組成。生產(chǎn)線工藝流程如圖1所示，為：工字輪放線—爐前清洗—加熱爐—鉛浴淬火—級連沖洗—脫脂—熱水沖洗—烘干—工字輪收線。由于是連續(xù)生產(chǎn)線，要求24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以對自控系統(tǒng)的可靠性要求比較高。

放線部分是被動(dòng)放線，沒有自控環(huán)節(jié)；熱處理爐控制部分由專業(yè)廠家配套；要進(jìn)行設(shè)計(jì)組態(tài)調(diào)試的是牽引機(jī)組和對應(yīng)的收線機(jī)組。牽引機(jī)組的轉(zhuǎn)速在一定的工藝要求下恒定不變，只需要普通的無級調(diào)速即可。收線機(jī)則要和牽引機(jī)之間保持一定的張力，保證鋼絲纏繞均勻、力度均勻，否則在下一工序中就會(huì)出現(xiàn)放線速度不勻，從而影響整批鋼絲的質(zhì)量。隨著工字輪上纏繞的鋼絲增加，收線機(jī)的卷徑越來越大，如果收線機(jī)的角速度保持不變，線速度就會(huì)越來越大，張力也會(huì)越來越大，甚至?xí)瓟噤摻z造成斷絲，使得整條絲作廢。所以需要收線機(jī)根據(jù)卷徑變化和張力大小時(shí)時(shí)調(diào)整自己的速度。當(dāng)卷徑較小時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也較小，轉(zhuǎn)速較高；隨著卷徑的增加，收線機(jī)將逐漸減速，以保持線速度的恒定、保持轉(zhuǎn)矩不變，也就是要實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩控制。

2 硬件選型

根據(jù)工藝的要求，不同的鋼絲通過處理爐的時(shí)間不同，相對應(yīng)的牽引和收線的速度也不同。用傳統(tǒng)的力矩電機(jī)做收線機(jī)雖然控制方便，力矩電機(jī)可以跟隨轉(zhuǎn)矩的變化自動(dòng)調(diào)整收線速度，保證張力恒定，但不能滿足工藝要求的處理線徑從1.4mm到8.5mm，牽引速度從2.5米/分到20米/分的要求，因?yàn)榱仉姍C(jī)的調(diào)速范圍很窄，而且在低速下運(yùn)行發(fā)熱量也很大，容易燒壞電機(jī)。筆者原來使用過的力矩電機(jī)常常會(huì)出現(xiàn)燒壞情況，力矩控制器的使用壽命也比較低，每年都需要大批維修更換。所以最終選定使用變頻電機(jī)及變頻器進(jìn)行控制，以適應(yīng)各種工況并滿足恒轉(zhuǎn)矩控制的要求。此外，變頻電機(jī)還有節(jié)電、維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用后節(jié)電、節(jié)約人工效果理想。整個(gè)生產(chǎn)線運(yùn)行及維護(hù)工作量很小，24線全部開起來一班工人只需要3～5個(gè)。

根據(jù)以上要求，本項(xiàng)目的硬件選型如下：用四組S7-200 PLC實(shí)現(xiàn)全部的邏輯及張力控制，人機(jī)界面用西門子的OP270，整條生產(chǎn)線使用1個(gè)。熱處理收線機(jī)組的牽引電機(jī)采用西門子MM440變頻器拖動(dòng)，共24個(gè)；收線電機(jī)采用西門子MM440變頻器，共24個(gè)；排線則用MM420變頻器，共24個(gè)。在做方案的前期時(shí)，考慮了西門子440變頻器特有的轉(zhuǎn)矩控制功能。

3 變頻器的設(shè)置及調(diào)試

牽引電機(jī)也采用變頻調(diào)速，速度通過每個(gè)收線機(jī)上的電位器給定，并可以在收線機(jī)上的轉(zhuǎn)速表讀出。這樣設(shè)計(jì)主要是方便操作工在裝絲、卷絲及下絲時(shí)隨時(shí)調(diào)整牽引速度，而當(dāng)牽引電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，一般不需要調(diào)整轉(zhuǎn)速，以設(shè)定速度恒定運(yùn)行即可。排線電機(jī)只要跟隨收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化即可，所以只需要將收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出作為排線電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定并進(jìn)行標(biāo)定就可以，參數(shù)也參照普通變頻器的參數(shù)設(shè)置。

本項(xiàng)目的難點(diǎn)在于收線變頻器的轉(zhuǎn)矩控制。變頻器常用的幾種控制方式有：無傳感器矢量控制（SLVC）、矢量控制（VC）、V/F控制、轉(zhuǎn)矩控制（DTC）等。在使用西門子MM440變頻器作為收線變頻器時(shí)，選擇了轉(zhuǎn)矩控制方式，但是西門子MM440變頻器的轉(zhuǎn)矩控制方式是建立在矢量控制基礎(chǔ)之上的，與直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）還是有一定的區(qū)別，在西門子的手冊中也定義這種控制方式為矢量-轉(zhuǎn)矩控制方式。

在矢量控制方式下，為了正確地實(shí)現(xiàn)控制，非常重要的一點(diǎn)是，必須正確地向變頻器輸入電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)（P0304-P0310），而且，電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測（P1910）必須在電動(dòng)機(jī)處于冷態(tài)（常溫）時(shí)進(jìn)行。如果電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的環(huán)境溫度與缺省值（20℃）有很大的差別，還必須保證參數(shù)P0625中輸入的值是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境的實(shí)際溫度。在快速調(diào)試（P3900）結(jié)束以后，但在電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測之前，這是必須要做的。這個(gè)步驟稱為優(yōu)化，筆者在現(xiàn)場空載對所有變頻器進(jìn)行了重新優(yōu)化，以確保矢量-轉(zhuǎn)矩控制方式的正確實(shí)施，優(yōu)化后的電機(jī)與變頻器之間速度響應(yīng)快、且不容易出現(xiàn)過載過流現(xiàn)象。

調(diào)試可以使用兩種方法：方法1：使用速度環(huán)，即讓速度環(huán)始終處于飽和狀態(tài), 用P1520和P1521做轉(zhuǎn)矩限幅。方法2：變頻器只用電流環(huán)，力矩信號由P1503設(shè)定。

在實(shí)際轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用中會(huì)有如下現(xiàn)象：在低速或零速時(shí)變頻器會(huì)來回抖動(dòng)，導(dǎo)致張力波動(dòng)或材料斷開等，嚴(yán)重會(huì)影響生產(chǎn)。調(diào)試時(shí)注意以下幾點(diǎn)能克服此問題：

1）必須用矢量控制模式，且優(yōu)化要精確如轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比。

2）電機(jī)模型的控制字啟動(dòng)開環(huán)控制（P1750=0）。

3）電機(jī)模型的起始頻率減小。

經(jīng)過幾個(gè)參數(shù)的不斷修正并帶載比較后，筆者使用了方法1，收線的速度是由牽引模擬量輸出和PLC給定量疊加而成。因?yàn)闋恳褪站€的減速比不同，所以收線的主給定是牽引給定標(biāo)定后的ADC值①M(fèi)M440變頻器可以通過設(shè)定參數(shù)選擇模擬輸入（ADC）的類型為單極或雙極的電壓、電流。還可以先設(shè)定基準(zhǔn)頻率，然后再設(shè)定相對于基準(zhǔn)頻率的最大、最小值。，PLC給定則用來修正收線的當(dāng)前速度以保持在運(yùn)行過程中牽引和收線同步。

變頻器現(xiàn)場使用效果比較滿意，完全滿足了工藝提出的要求，適應(yīng)速度范圍非常寬。

4 人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及調(diào)試

項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件網(wǎng)絡(luò)圖

4.1 人機(jī)界面

本項(xiàng)目人機(jī)界面使用西門子OP270，并用WINCC軟件進(jìn)行畫面組態(tài)，是用戶設(shè)定工藝參數(shù)的關(guān)鍵，系統(tǒng)中共有三組主菜單，分別為“張力監(jiān)控”、“工藝設(shè)定”、“故障顯示”

“張力監(jiān)控”是在牽引收線啟動(dòng)后，對收線張力值進(jìn)行監(jiān)控的畫面。在運(yùn)行中，如果發(fā)現(xiàn)依據(jù)調(diào)試提供的不同線徑的對照表，有張力過大或過小的情況，可以在“工藝設(shè)定”的頁面中增大或減少相應(yīng)的設(shè)定值，收線張力就會(huì)在PLC程序中自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。收線張力就是前面提到的為了滿足鋼絲纏繞均勻、力度均勻，根據(jù)筆者的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際需要的張力值根據(jù)不同粗細(xì)、不同加熱時(shí)間的鋼絲會(huì)有所不同，主要是和線速度有關(guān)，一般線速度越高，需要的張力值越大。這個(gè)在實(shí)際運(yùn)行中可由操作工現(xiàn)場隨時(shí)調(diào)整修改。張力值還可以進(jìn)行保存，操作工可以將常用的10組參數(shù)進(jìn)行設(shè)置保存，方便工藝改變時(shí)提取。

有故障發(fā)生時(shí)，例如變頻器故障、電機(jī)故障、風(fēng)機(jī)故障、通訊故障等，操作臺上紅色故障燈會(huì)亮，同時(shí)可以在“故障顯示”中檢查并初步進(jìn)行判斷。故障同時(shí)進(jìn)行后臺存貯，便于組長檢查及故障追憶。人機(jī)界面在本項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的功能。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

牽引變頻器和收線變頻器共有48個(gè)，分為四組，分別由一個(gè)S7-200控制。CPU226有兩個(gè)通訊口，PROT 0做為USS通訊口，PROT 1做為MPI通訊口和人機(jī)界面進(jìn)行通訊，接受和顯示張力信號以便進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)整。

四組PLC和OP270采用MPI協(xié)議②MPI協(xié)議（多點(diǎn)接口協(xié)議）允許主—主通訊和主—從通訊，對OP作主站的情況，最多可以帶4個(gè)PLC作從站。從站和主站之間可以交換數(shù)據(jù)，但從站和從站之間無法交換數(shù)據(jù)。（西門子公司的技術(shù)人員這樣認(rèn)為，但據(jù)同行認(rèn)為從站之間也能交換數(shù)據(jù)，筆者未做實(shí)驗(yàn)）讀寫數(shù)據(jù)，連接示意如圖1。組態(tài)時(shí)先要在OP組態(tài)時(shí)設(shè)定相應(yīng)的PLC站號，本例中分別為3、4、5、6；設(shè)定通訊波特率為19200。然后在第一次向OP下載后再對OP進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，選擇相應(yīng)的協(xié)議和速率。最后，在PLC編程時(shí)分別設(shè)定PLC 0口和1口的地址就可以將OP和PLC連接起來了。組態(tài)連接時(shí)要注意PLC中系統(tǒng)塊的地址和波特率，否則會(huì)導(dǎo)致連接失敗。

PLC和變頻器之間采用USS通訊③USS通訊網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)令牌循環(huán)網(wǎng)，它的默認(rèn)通訊口是Prot 0口，最大站數(shù)是31，波特率一般從9600到38400。讀寫數(shù)據(jù)，連接示意如圖1。USS協(xié)議是PLC與驅(qū)動(dòng)裝置串行通信的協(xié)議，是集成于西門子驅(qū)動(dòng)裝置的串行接口所使用的協(xié)議，PLC作為主站，通過USS協(xié)議可以對驅(qū)動(dòng)裝置從站進(jìn)行參數(shù)化及數(shù)據(jù)監(jiān)控。USS協(xié)議為主從式的數(shù)據(jù)訪問方式，主站發(fā)送數(shù)據(jù)請求報(bào)文，從站應(yīng)答，主站接收到從站應(yīng)答報(bào)文后才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)請求報(bào)文。在主站沒有要求它進(jìn)行通訊時(shí)，從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)，各個(gè)從站之間也不能直接進(jìn)行信息的傳輸。一個(gè)主站通過RS485串行接口最多可以連接31個(gè)從站。前面已經(jīng)提到，隨著收線輪線越收越多，收線的線速度不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速就必須慢下來。在這個(gè)過程中，PLC不斷讀收線變頻器的當(dāng)前轉(zhuǎn)矩值，跟人機(jī)界面上的設(shè)定值進(jìn)行比較，對變頻器的給定速度進(jìn)行修正，以保證牽引和收線有足夠的張力，同時(shí)不會(huì)過大。

在變頻器側(cè)，只要設(shè)定相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)，啟動(dòng)參數(shù)和通訊參數(shù)（P2010 USS波特率，P2011 USS站地址）即可。在PLC側(cè)，直接調(diào)用系統(tǒng)配置的子程序，設(shè)置波特率、站號，就可以進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)了。

由于USS協(xié)議是令牌網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一旦有一個(gè)站的端口出現(xiàn)問題，主站就一直等待應(yīng)答直到有響應(yīng)為止。在筆者調(diào)試的數(shù)臺設(shè)備中都曾經(jīng)出現(xiàn)過通訊口一直被占用以至最終所有站的通訊都癱瘓。在調(diào)試時(shí)可以監(jiān)控參數(shù)P2010到參數(shù)P2011，如果不斷有錯(cuò)誤累計(jì)，說明通訊受到干擾，有可能在運(yùn)行過程中癱瘓。

USS協(xié)議雖然存在通訊速率低、診斷比較煩瑣和容易受干擾的缺點(diǎn)，但是由于它是變頻器自帶的串口，不需要另外配置網(wǎng)絡(luò)模塊，所以節(jié)約了成本，對于控制變頻器也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，尤其是對模擬量的讀寫將節(jié)約PLC的模擬量通道。但是USS的現(xiàn)場抗干擾能力比較差，協(xié)議能夠正常通信的前提是現(xiàn)場安裝必須嚴(yán)格遵守EMC守則，所以在接線時(shí)一定要用屏蔽雙絞線且避免和動(dòng)力線走在一起，接線要盡量短，同時(shí)保證接地良好。

5 結(jié)束語

這套系統(tǒng)投入運(yùn)行后效果良好，收線張力也能滿足現(xiàn)場工藝要求。整個(gè)系統(tǒng)主要是要保證通訊暢通、避免干擾。所以在前期安裝時(shí)就應(yīng)該注意，以減少后期的工作量。在組態(tài)和編程上難度主要在于變頻器的轉(zhuǎn)矩控制上，其他難度不是很大，像USS

有現(xiàn)成的子程序可以調(diào)用，只是在調(diào)試時(shí)各個(gè)收線機(jī)的情況略有不同。OP和PLC的通訊實(shí)現(xiàn)也比較容易，OP270最多可以掛4個(gè)200 PLC，注意終端網(wǎng)絡(luò)連接器的開關(guān)在“ON”的位置。

[1]西門子(中國)有限公司技術(shù)支持部.MICROMASTER 440通用型變頻器使用大全,版本12/03,5-1-13-17.

[2]西門子(中國)有限公司技術(shù)支持部.西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品符合電磁兼容規(guī)則的安裝規(guī)范手冊.

[3]西門子(中國)有限公司技術(shù)支持部.西門子公司S7-200系統(tǒng)手冊,2004.

[4]張燕賓.機(jī)械工業(yè)出版社.《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》,2003

[5]西門子(中國)有限公司技術(shù)支持部.標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)銷售工程師手冊,2004,3.

[6]崔堅(jiān).機(jī)械工業(yè)出版社.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南(上、下),2005.