MM 440變頻器PID功能在化纖設(shè)備中的應(yīng)用

王韞凌

邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司(中國)

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MM 440變頻器PID功能在化纖設(shè)備中的應(yīng)用

王韞凌

邯鄲宏大化纖機(jī)械有限公司(中國)

介紹了化纖設(shè)備中，利用西門子MM 440變頻器的PID功能保持絲束張力恒定的控制問題。

化纖設(shè)備； MM 440變頻器； 比例-積分-微分

在化纖機(jī)械行業(yè)中，涉及到許多需要保持絲束張力恒定的設(shè)備。例如，短纖生產(chǎn)線中，為確保纖維品質(zhì)，張力機(jī)與切斷機(jī)之間的絲束或張力機(jī)與卷曲機(jī)之間的絲束必須具有一定的張力且張力需保持恒定不變。達(dá)到這一目的的方法很多，根據(jù)現(xiàn)有的硬件完成同樣的功能，則既可降低成本，又能方便維護(hù)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動化設(shè)備中，機(jī)械設(shè)備對精度控制的要求和自動化程度的需求也越來越高，從而要求對現(xiàn)有自動化產(chǎn)品有較為深刻的了解。變頻器中PID(比例-積分-微分)功能應(yīng)用較為廣泛，PID控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路組件，由比例單元P、積分單元I、微分單元D組成，PID控制的基礎(chǔ)是比例控制，積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可提高大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度及減弱超調(diào)趨勢。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間。PID功能應(yīng)用的關(guān)鍵是如何在做出正確的測量和比較后對系統(tǒng)進(jìn)行更好的糾正。熟練應(yīng)用這一功能可解決很多實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問題。本文介紹了利用西門子MM 440變頻器內(nèi)置的PID功能，對絲束恒定張力的控制問題。

1 控制系統(tǒng)

以張力機(jī)與卷曲機(jī)間的張力控制為例。如圖1所示，為確保纖維卷曲度和品質(zhì)達(dá)到一定的質(zhì)量要求，張力機(jī)與卷曲機(jī)之間的絲束張力必須保持恒定，因此需在張力機(jī)與卷曲機(jī)之間增加一個檢測元件，即張力傳感器，以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本例中必須配備以下基本硬件：可編程邏輯控制器(PLC)、1個模擬量輸入模塊、1個模擬量輸出模塊、觸摸屏和MM 440變頻器，1臺張力傳感器。

圖1 現(xiàn)場設(shè)備示意圖

2 控制方法

張力控制的連接方式如圖2所示。

圖2 張力控制的連接方式

因在化纖生產(chǎn)線中本例僅為全線的一個環(huán)節(jié)，為保持控制方式的一致性，兩臺分別控制張力機(jī)和卷曲機(jī)的MM 440變頻器可通過Profibus DP總線給定速度，由于張力機(jī)速度恒定，因此需通過對卷曲機(jī)速度的微調(diào)來實(shí)現(xiàn)卷曲過程中張力的恒定。卷曲機(jī)速度的微調(diào)是通過控制卷曲機(jī)變頻器中PID功能實(shí)現(xiàn)的。在本例中，由于兩臺變頻器的主給定速度是通過Profibus DP總線給定的，而微調(diào)速度是通過控制卷曲機(jī)的變頻器上的模擬量輸入端子給定的，所以要求變頻器必須有兩個模擬量輸入點(diǎn)，一個用于張力設(shè)定接入，另一個用于反饋接入。而若變頻器的主要同步速度通過模擬量給定，則變頻器就必須有3個模擬量輸入點(diǎn)。

主要控制方法如下：張力機(jī)和卷曲機(jī)的主速度通過

Profibus DP總線給定，利用張力傳感器測定兩臺設(shè)備之間絲束的張力反饋信號。變頻器方框圖如圖3所示。

張力傳感器輸出的0～10 V的直流電壓信號直接接入控制卷曲機(jī)的MM 440變頻器接線端子的模擬量輸入端2，即接線引腳26和27上，因本例中張力傳感器信號為電壓信號，需設(shè)定P0756[1]為1，并將DIP2開關(guān)撥至OFF。DIP開關(guān)設(shè)置方法如下：OFF=電壓輸入(0～10 V); ON=電流輸入(20 mA), DIP1對應(yīng)模擬輸入1，DIP2對應(yīng)模擬輸入2。模擬量輸入端2作為反饋通道。需要的實(shí)際張力可在現(xiàn)場操作臺上的人機(jī)界面(人機(jī)界面也通過Profibus DP總線與PLC進(jìn)行通訊)中設(shè)定，從而將所設(shè)定張力的數(shù)值反饋到PLC中，并通過模擬量輸出模塊，將設(shè)定張力的數(shù)值轉(zhuǎn)化為0～10 V直流電壓信號，接入卷曲機(jī)變頻器接線端子的模擬量輸入端1，即接線引腳12與13上，需設(shè)定P0756[0]為1，并將DIP1開關(guān)撥至OFF。如圖3所示，設(shè)定變頻器參數(shù)P2251=1，即設(shè)置PID方式為PID作為微調(diào)，PID輸出作為微調(diào)與總線給定的主速度進(jìn)行疊加，通過對卷曲機(jī)的速度改變達(dá)到對張力機(jī)與卷曲機(jī)之間張力的跟隨，即通過對卷曲機(jī)變頻器速度的控制實(shí)現(xiàn)絲束張力的恒定。

圖3 MM 440變頻器方框圖

可見，張力控制是通過變頻器中PID微調(diào)功能實(shí)現(xiàn)的，PID參數(shù)的設(shè)置直接影響系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性。因此在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)將比例增益慢慢放大，積分時間逐漸放短，直至張力的穩(wěn)定。

本例中，作為微調(diào)的反饋值上下限可根據(jù)總線給定的速度通過P2291和P2292設(shè)定，以使反饋值與主給定速度匹配。

若張力機(jī)與卷曲機(jī)之間絲束的張力太大，將引發(fā)張力機(jī)“倒拖”發(fā)電現(xiàn)象，即張力機(jī)電機(jī)不是依靠變頻器的控制而旋轉(zhuǎn)，而是被動地被卷曲機(jī)通過纖維強(qiáng)制拖拉。由此控制張力機(jī)的變頻器將發(fā)生過流報警，導(dǎo)致變頻器故障停止，因此需在控制張力機(jī)的變頻器上連接一個制動電阻，以解決這一問題。

4 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)上述功能，變頻器需設(shè)置以下參數(shù)。

4.1 張力機(jī)參數(shù)

4.2 卷曲機(jī)參數(shù)

5 診斷

變頻器如果不能自動調(diào)節(jié)至目標(biāo)值，可以查詢卷曲機(jī)變頻器的以下參數(shù)進(jìn)行診斷[1]。

r2262： 經(jīng)過濾波的已激活的PID設(shè)定值，即為設(shè)定張力。檢查該值與設(shè)定轉(zhuǎn)化為電壓信號的值是否一致，如r2262=100%，相當(dāng)于PLC從模擬量模塊讀數(shù)為4000(此為十六進(jìn)制數(shù)),對應(yīng)最大電壓10 V,即可檢查設(shè)定值通道是否與設(shè)定值一致。

r2272： PID標(biāo)定的反饋信號。此為張力傳感器的反饋信號，如r2272=100%，相當(dāng)于PLC從模擬量模塊讀數(shù)為4000(此為十六進(jìn)制數(shù))，此值對應(yīng)最大電壓10 V,即可檢查反饋電壓值是否與實(shí)際一致。

r2273： PID偏差。顯示設(shè)定值與反饋信號之間的PID偏差，即r2262與r2272的差值，如果此值為正，卷曲機(jī)應(yīng)加速；如果此值為負(fù)，卷曲機(jī)應(yīng)減速；當(dāng)差值為0時，即為設(shè)定張力值。

r2294：實(shí)際的PID輸出。若r2273為正，則r2294增加；若r2273為負(fù)，則r2294減少。

6 結(jié)語

充分利用變頻器自帶的PID功能，可避免或減少PLC編寫相關(guān)程序的工作量，同時仍能保持設(shè)備的控制精度，并能達(dá)到通過PID功能控制張力的目的。

[1] 西門子公司.MicroMaster 440標(biāo)準(zhǔn)變頻器使用大全[Z].2007:179-195.

Application of the PID function of MM 440 converter to chemical fiber equipments

WangYunling

HandanHongdaChemicalFibreMachineryCo.,Ltd.，Handan/China

Keeping tension of the screw constant by the PID function of MM 440 converter on equipments of chemical fiber was described.

chemical fiber equipment; MM 440 converter; proportion integration differentiation(PID)