西門子驅(qū)動6SL3120-1TE23-0AD0詳細(xì)說明

1 引言

提高薄膜收卷質(zhì)量對塑料薄膜的二次加工至關(guān)重要；對于薄而易變形的薄膜的收卷，一個(gè)重要的方面就是要實(shí)現(xiàn)薄膜牽引和卷取過程當(dāng)中的恒線速度控制。我們建立了牽引和卷取的恒線速度控制圖，構(gòu)成了由計(jì)算機(jī)、可編程控制器、變頻器等組成的硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)和可編程控制器、可編程控制器和變頻器之間的通信。

 

2 恒線速度控制圖的建立

2.1 異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)（M、T）坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型[1][2]

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系中，電壓可用右式表示：[μ]MT =[Z]MT [ī]MT              (1) ，

同步旋轉(zhuǎn)軸系上的數(shù)學(xué)模型為：

                            

式中分別為M、T同步旋轉(zhuǎn)軸系的定、轉(zhuǎn)子電壓和電流；ω3 為M、T軸系的同步旋轉(zhuǎn)角速度，即定子頻率角速度；（轉(zhuǎn)差角頻率）。

M、T坐標(biāo)軸系的力矩表達(dá)式為：              

2.2 異步電機(jī)的狀態(tài)方程[1][2]

      研究一個(gè)三相系統(tǒng)時(shí)，采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系，其狀態(tài)方程中的系統(tǒng)矩陣A和輸入矩陣B與θr無關(guān)，可以簡化求解過程。如果取定子和轉(zhuǎn)子電流I(t)，轉(zhuǎn)速ωr(t)為狀態(tài)變量，定子電壓μ，頻率ω3(t)及負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL(t)輸入量，則異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)軸系中的狀態(tài)方程為：

      由式（4）可見，即使在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在一般情況下也是一個(gè)非線性系統(tǒng)，應(yīng)用線性多變量系統(tǒng)理論對式（4）進(jìn)行線性化，可得線性化后的狀態(tài)方程：

2.3 牽引和卷取恒線速度控制系統(tǒng)示意框圖

根據(jù)吹塑薄膜牽引和卷取的實(shí)際情況[3][4]，可畫出恒線速度控制示意圖，如圖1所示。其中為角速度計(jì)算值[5]，保電機(jī)按計(jì)算出的卷徑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并加入張力調(diào)節(jié)的影響；ω為較終實(shí)際輸出角速度，反饋至卷徑計(jì)算單元參與卷徑計(jì)算。為了鎮(zhèn)定系統(tǒng)的張力，對△V 部分的運(yùn)算，采用了PI計(jì)算（過程調(diào)節(jié)）。

由異步電機(jī)的狀態(tài)方程可得異步電機(jī)的控制方塊圖，如圖2所示。其中是異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)軸系中的狀態(tài)方程，ω1為給定的定子角頻率，ω為轉(zhuǎn)子角頻率，θμ為定子電壓矢量與t軸的夾角。為了穩(wěn)態(tài)誤差，減少速度跟隨誤差，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，需加入比例、積分和微分校正環(huán)節(jié)。

  

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對于吹塑薄膜自動生產(chǎn)線，一方面電機(jī)的數(shù)目較多，另一方面電機(jī)分布距離不是很近。卷取部分的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，三菱plc為下位機(jī)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制，PLC與變頻調(diào)速器可構(gòu)成多分支通訊控制網(wǎng)絡(luò)[6][7]。利用通信技術(shù)，由計(jì)算機(jī)控制PLC，PLC直接控制變頻器完成多電機(jī)調(diào)速，其方法是將通訊模塊集成在變頻器中或利用通訊模塊與PLC連接，通過通訊接口控制變頻器帶動電機(jī)調(diào)速。PLC采用三菱公司的FX2N-64MR-001，變頻器采用三菱公司的FR-A540，編碼器采用增量型編碼器。

計(jì)算機(jī)的通信接口RS232和PLC的通信功能擴(kuò)展板FX2N-485-BD之間通過RS232C/PLC 變換接口FX2N-485PC-IF連接[8]，如圖3示。

PLC和下位器件之間關(guān)系如圖4所示。變頻器的通信連接單元為FR-CU03，符合RS-422/RS-485通信規(guī)范；3MD2系列PLC數(shù)字顯示器可以實(shí)時(shí)的顯示PLC中的數(shù)據(jù)。電機(jī)1、2轉(zhuǎn)速的計(jì)算和比較，張力反饋的PI調(diào)節(jié)等都由PLC來完成。

由圖3和圖4構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)硬件的連接，這樣的連接可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對PLC遠(yuǎn)距離的調(diào)試與監(jiān)控、PLC的離線編程、PLC對變頻器的遠(yuǎn)距離監(jiān)控等操作，使對薄膜吹塑生產(chǎn)線的控制更靈活。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

考慮到使用的方便，采用基于bbbbbbs操作系統(tǒng)的軟件包SWOPC-FXGP/WIN-C，可對FX全系列可編程控制器（FX0S、FX2N、FX0N、FX2、FX2C）進(jìn)行編程和控制[9]。這種軟件可以實(shí)現(xiàn)寄存器數(shù)據(jù)的傳送、PLC存儲器、串行口設(shè)置（D8120）、運(yùn)行中程序更改、遙控運(yùn)行或停止、PLC診斷、采樣跟蹤和端口設(shè)置等操作；可讀取和顯示可編程控制器中的程序，實(shí)現(xiàn)文件的發(fā)送和接收；可監(jiān)控和測試可編程控制器，實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視器、元件監(jiān)控和顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的變化值（十六進(jìn)制）等功能；可以實(shí)現(xiàn)梯形圖、指令表和順序功能圖（SFC）程序的相互切換顯示，同時(shí)顯示多個(gè)功能窗口。

要實(shí)現(xiàn)對薄膜牽引和卷取的恒線速度控制，需要PC與PLC之間點(diǎn)對點(diǎn)的串行通信和PLC與下位器件之間進(jìn)行正確通信，這需要設(shè)定握手信號和數(shù)據(jù)傳送格式。為了避免發(fā)送與接收的幀錯(cuò)，發(fā)送與接收采用相同的數(shù)據(jù)格式。

4.1 計(jì)算機(jī)和PLC的通信協(xié)議

為了使計(jì)算機(jī)和PLC進(jìn)行正確地通信，必須對PLC的特殊寄存器作相應(yīng)的設(shè)置[8]。D8120用來設(shè)置數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)形式、波特率和協(xié)議方式；D8121用來設(shè)置站號（設(shè)置范圍為00H－0FH）；D8122和D8123分別存儲待傳送數(shù)據(jù)和已傳送數(shù)據(jù)的長度；D8124存儲數(shù)據(jù)開始位(初始值：STX)；D8125存儲數(shù)據(jù)結(jié)束位(初始值：ETX)；……D8129用來設(shè)置間歇校驗(yàn)時(shí)間。上位機(jī)和PLC的通信協(xié)議有多種格式，我們所使用的專用通信協(xié)議格式4如圖5、6、7所示，圖5和圖6中的和校驗(yàn)碼是從站號開始到數(shù)據(jù)結(jié)束的所有字節(jié)轉(zhuǎn)化為ASCII碼相加后的末兩個(gè)字節(jié)。

主要控制字符含義如下：ENQ：計(jì)算機(jī)的請求信號（05H）；ACK：無校驗(yàn)錯(cuò)誤，PLC的應(yīng)答信號（06H）；NAK：檢驗(yàn)到錯(cuò)誤時(shí)，PLC的應(yīng)答信號（15H）；STX：信息幀開始標(biāo)志（02H）；ETX：信息幀結(jié)束標(biāo)志（03H）；ETO：傳輸結(jié)束（04H）；LF：數(shù)據(jù)供給（0AH）；CL：清空初始化（0CH）；CR：傳輸再次開始（0DH）。

4.2 PLC與變頻器之間的通信協(xié)議

在三菱PLC與三菱變頻器構(gòu)成的1：2通信網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)變頻器為一個(gè)子站，其站號由參數(shù)設(shè)定單元設(shè)定。工作過程中，PLC通過FX2N-485-BD發(fā)有關(guān)命令信息后，各個(gè)子站均收到該信息，然后每個(gè)子站判斷該信息的站號地址是否與本站站號一致。若一致則處理該信息并返回應(yīng)答信息；若不一致則放棄該信息的處理。這樣就保了在網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)只有一個(gè)子站與主站交換信息。通信協(xié)議仍采用專用通信協(xié)議格式4，如圖5、6、7所示。

4.3 PLC程序組成

PLC程序主要由主程序模塊，通信組織子程序，接收數(shù)據(jù)幀處理子程序，發(fā)送數(shù)據(jù)幀處理子程序，電機(jī)速度的計(jì)算和比較、卷徑計(jì)算子程序，故障處理子程序等組成。與PLC和PC機(jī)通信有關(guān)的主要功能指令如圖8所示。

5 結(jié)論

本控制系統(tǒng)應(yīng)用于吹塑薄膜生產(chǎn)線的牽引和卷取控制，避免了由于牽引速度和卷繞速度不同步而造成的薄膜在牽引輥上自卷或者薄膜厚度達(dá)不到要求等問題，使生產(chǎn)更加穩(wěn)定，提高了薄膜收卷質(zhì)量。

一. 概述

硬盒包裝機(jī)是一臺由1萬多個(gè)零部件組成的高度自動化的生產(chǎn)機(jī)械（見圖1）     

自90年代初開始，我公司就已經(jīng)為煙機(jī)總公司*的一一家生產(chǎn)廠配套制作以三菱PLC（當(dāng)初使用F1-60MR）為核心的電器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)控制國產(chǎn)化。     

近十年來，隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，市場的不斷變化，為了適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，主機(jī)生產(chǎn)廠家在提高和完善機(jī)器性能的同時(shí)又開發(fā)出了許多新的品種機(jī)型。除常見的20支包裝的外（盒內(nèi)按7，6，7支三層排列），雙十支扁盒，雙8支扁盒型，以及高速機(jī)型等等。而PLC控制系統(tǒng)在靈活適應(yīng)這些變化的同時(shí)，也把新的技術(shù)新的性能應(yīng)用到所開發(fā)的產(chǎn)品中。如反映生產(chǎn)流程的顯示系統(tǒng)，由較初的單片機(jī)模擬顯示盤，改為彩色CRT顯示，然后又發(fā)展到當(dāng)前的人機(jī)界面多功能顯示器。利用PLC的通訊功能和高級指令把上位機(jī)PLC及顯示器聯(lián)接成一有機(jī)整體。因此產(chǎn)品受到用戶，特別是操作工人的歡迎。數(shù)百臺此類包裝機(jī)工作在全國幾十家大中小型廠的生產(chǎn)線上。    

二. 系統(tǒng)簡介    

 1．系統(tǒng)方框圖（圖2）     

    控制系統(tǒng)由三菱PLC,三菱變頻器，三菱人機(jī)界面，I/O接口等部分組成。    

 2． 機(jī)床對控制系統(tǒng)的主要工藝要求     

 ⑴ 主電機(jī)平滑起動，無級調(diào)速，運(yùn)行速度為120-140包/分（約為38-40Hz）。點(diǎn)動速度15-20Hz。    

 ⑵ 低速時(shí)有轉(zhuǎn)矩提升，快速制動。   

 ⑶ 機(jī)床可以長期運(yùn)行，要求。   

 ⑷ 機(jī)床潤滑系統(tǒng)的注油電機(jī)每2小時(shí)自動注油5秒（時(shí)間可調(diào)），也可手動加油。    

 ⑸ 干燥鼓兩側(cè)電熱絲（2*360W）恒溫加熱，控制精度 50±0.05度。    

 ⑹ 發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該能夠顯示故障名稱以及發(fā)生的部位。     

 ⑺ 由于各種原因造成的不合格產(chǎn)品（煙包），應(yīng)該在同一*工位準(zhǔn)確剔除。   

 ⑻ 對不合格煙包的處理及停機(jī)故障應(yīng)該區(qū)別以下情況。     

  ① 油位低，離合器過載，擠煙等15種故障發(fā)生時(shí)必須立即停機(jī)。    

  ② 煙支空頭，濾咀缺少等故障造成的不合格產(chǎn)品不停機(jī)，只發(fā)出聲光報(bào)警信號，到*的工位將其剔除。    

  ③ 鋁紙漏裝，內(nèi)襯漏裝等故障造成的不合格產(chǎn)品，需要立即停機(jī)，但可以點(diǎn)動運(yùn)行并在*的工位將其剔除。     

3．控制方案的實(shí)現(xiàn)     

當(dāng)車間工人把84毫米長的過濾咀碼放在煙庫內(nèi)并起動機(jī)器，機(jī)器就以每分鐘120-140包的速度生產(chǎn)出按一定規(guī)律排放好的硬盒，然后封裝好透明紙貼好金黃色的拉線。盡管機(jī)器的生產(chǎn)速度很高，工藝動作要求復(fù)雜，只要充分利用 

PLC本身的特點(diǎn)，再結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，我們開發(fā)了一套簡捷周密的邏輯控制方案，完全滿足所有工藝要求。

 

 系統(tǒng)中使用了35個(gè)開關(guān)量輸入信號，10個(gè)開關(guān)量輸出信號。程序中應(yīng)用了9種基本指令，10種功能指令（如 INC,MOV,BMOV,CMP,SFTL,ADD等），8個(gè)定時(shí)器，6個(gè)計(jì)數(shù)器，8個(gè)指針，28個(gè)數(shù)據(jù)寄存器（含斷電保持型），共1100條語句。整個(gè)程序不僅實(shí)現(xiàn)了全部工藝要求，而且還增加了許多輔助功能，如生產(chǎn)時(shí)間和停機(jī)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)顯示，故障頻次的統(tǒng)計(jì)，成品產(chǎn)量與廢品剔除數(shù)量統(tǒng)計(jì)，日期時(shí)間顯示，日產(chǎn)量班產(chǎn)量報(bào)表的生成打印輸出等功能。此外還允許操作工人對一部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修改，利用人機(jī)界面上的觸摸開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)。

由于PLC本身的可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)及有在線修改的能力，使我們的控制系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試調(diào)整時(shí)間大大縮短，幾乎省去了現(xiàn)場服務(wù)，一般操作工人或維修電工均可勝任調(diào)試工作。所以受到了廠家的普遍**。     

4． 運(yùn)行體會與經(jīng)驗(yàn)     

① 移位指針命令SFTL的巧妙應(yīng)用：     

煙包在機(jī)器上有20個(gè)工位完成一系列封裝工序，其中7種不合格煙包的故障監(jiān)測傳感器分別分布在*1，2，4，7，11，13，17工位上。我們*M100到M119內(nèi)存區(qū)作為移位寄存器，利用同步脈沖作移位觸發(fā)信號，就實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)中發(fā)生的任何1種或2種以上不合格品同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，均可在同一個(gè)*工位排序?qū)⑺鼈兲蕹＃ǔ绦驅(qū)嵗堃妶D5，6）  

 

② 為了滿足成品產(chǎn)量的計(jì)數(shù)功能，我們設(shè)計(jì)了一段程序，較大容量可以計(jì)數(shù)1億包。按每分鐘120包的產(chǎn)量計(jì)算，每天兩班16小時(shí)，每月30天，可以累計(jì)2年的產(chǎn)量。這充分利用了PLC數(shù)據(jù)寄存器的功能。（程序見圖7） 

三. 使用效果     

1996年該機(jī)組由國家總公司及天津市津經(jīng)委堅(jiān)定其結(jié)論為：“該產(chǎn)品了國內(nèi)空白，屬國家同類產(chǎn)品**水平”同年通過了IS09002體系認(rèn)證。    

該系列產(chǎn)品不僅成為生產(chǎn)廠家的拳頭產(chǎn)品，而且由于的利潤和稅收，就為廣大（廠）用戶創(chuàng)造了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。此外該系列產(chǎn)品還向中國香港，烏干達(dá)，越南，塔吉克斯坦，新加坡等國家和地區(qū)出口，為國家創(chuàng)收大量外匯。    

四. 今后的改進(jìn)方向     

1． 使用旋轉(zhuǎn)編碼器，充分利用PLC的高速計(jì)數(shù)器功能，進(jìn)一步簡化程序。     

2． 增加通訊模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，便于用戶管理。     

3． 應(yīng)用FXGP軟件，選用FX2N-80MR解決遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試，網(wǎng)上指導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)行。為主機(jī)廠商和用戶之間的技術(shù)交流架起一座方便快捷的網(wǎng)絡(luò)橋梁，縮短地域之間的距離。進(jìn)一步提高服務(wù)效率，節(jié)約成本。