一、 引言

隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流調(diào)速性能的持續(xù)不斷的改進已經(jīng)使之可以與直流調(diào)速相媲美，由于交流調(diào)速較直流調(diào)速維護簡單、成本低廉，因此變頻器調(diào)速技術(shù)已逐步替代直流調(diào)速廣泛應(yīng)用于機械、冶金、化工等各個領(lǐng)域。本文將介紹艾默生公司EV1000變頻器在彈力絲機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用并著重介紹該系列變頻器在閉環(huán)控制上的實現(xiàn)。該系統(tǒng)是根據(jù)化纖行業(yè)彈力絲機的工藝要求，采用PLC和數(shù)臺艾默生公司生產(chǎn)的EV1000變頻器組成RS485通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多個變頻器的閉環(huán)控制和PLC集中監(jiān)控。

二、 彈力絲機工藝要求和工作原理

彈力絲機的彈力絲機傳動結(jié)構(gòu)如圖1，該系統(tǒng)左右完全對稱共有七臺變頻器，每個羅拉、黑輥均由一臺變頻器拖動，假捻器由一臺變頻器拖動。其主要工作過程為：絲從紗錠經(jīng)一羅拉牽引，經(jīng)上溫箱加熱后，再由二羅拉牽引經(jīng)假捻后通過下溫箱定型，最后由黑輥牽引經(jīng)油箱并最后卷繞到紗筒上。工藝上設(shè)定二羅拉的線速度為基準(zhǔn)速度，并按一定的牽伸比設(shè)定給一羅拉、黑輥、假捻器。因為牽伸比的不同使得一羅拉和二羅拉，二羅拉和黑輥之間存在著彈力。該系統(tǒng)線速度控制要求高，僅靠開環(huán)控制不能達到控制要求，因此需要采用變頻器的PI閉環(huán)控制功能。

圖1 彈力絲機傳動示意圖
三、 電氣傳動系統(tǒng)構(gòu)成

我們根據(jù)該設(shè)備工藝要求組成如圖2所示的傳動控制系統(tǒng)，可編程控制器通過RS485轉(zhuǎn)換器與EV1000自帶的RS485接口組成通訊鏈路，文本顯示器通過RS232和PLC連接。

圖2 彈力絲機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在系統(tǒng)設(shè)計中，可編程控制器為整個系統(tǒng)的核心，執(zhí)行各種系統(tǒng)操作及計算。文本顯示器為整個系統(tǒng)的操作設(shè)置顯示單元。在文本顯示器上可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，如變頻器的啟動、停止，工藝參數(shù)的設(shè)定。并且可以實時監(jiān)控全機的工作運行狀態(tài)、動作過程及全機的故障查詢等。系統(tǒng)中有關(guān)的參數(shù)設(shè)定和各種操作都通過文本顯示器實現(xiàn)人機對話和操作。

在變頻器設(shè)計方面，EV1000系列變頻器自帶RS485接口的通訊單元，符合RS485通訊規(guī)范，用于實現(xiàn)PLC與多臺變頻器的聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)一定的通訊協(xié)議，我們可以通過RS485網(wǎng)絡(luò)輕松實現(xiàn)對變頻器的運行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠(yuǎn)、配線簡單、抗干擾能力強、可靠性高，因此在設(shè)計中，我們省略了變頻器的外部起停控制線路，對變頻器的所有控制都通過RS485通訊鏈路來完成。

在轉(zhuǎn)速控制方面，我們利用EV1000系列變頻器的閉環(huán)控制功能，用霍爾傳感器測量電機的實際轉(zhuǎn)速并反饋給變頻器，這樣就組成了速度閉環(huán)。EV1000系列變頻器內(nèi)置的PI閉環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)好、控制精度高、使用簡單靈活。現(xiàn)場試驗表明，采用這個方案可以使電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，能有效防止因負(fù)載的變化而引起的電機轉(zhuǎn)速的變化，滿足了彈力絲機的控制要求。對于單回路PI控制對象而言，EV1000優(yōu)異的控制性能是采用PLC程序控制來完成回路調(diào)節(jié)所無法比擬的。

四、 PLC與EV1000系列變頻器的通訊

1．通訊鏈路的構(gòu)成

如圖3所示，在系統(tǒng)中，主機PLC和EV1000系列變頻器RS485總線構(gòu)成一個通訊鏈路，在協(xié)議層次采用廣播式主—從協(xié)議，所有的通訊發(fā)起都從主站開始，從站響應(yīng)主站的各項通訊指令。

圖3 EV1000 RS485網(wǎng)絡(luò)通訊示意圖
2．通訊協(xié)議簡述

在網(wǎng)絡(luò)中，PLC為主站，EV1000變頻器分別設(shè)定為地址互不相同的從站，設(shè)定范圍為1—31，這樣各站點由唯一的標(biāo)志碼識別。EV1000變頻器采用主機“輪詢”，從機“應(yīng)答”方式。其通信方式為RS-485；數(shù)據(jù)格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗；波特率為9.6Kbps。變頻器接收控制的通訊協(xié)議如下：

格式解釋：

1）幀頭： 7EH “ ~ ”
2）從機地址 ： 1 ~126 7FH 127號地址為廣播通信地址
3)主機命令/從機響應(yīng)： 主機發(fā)送的命令從機對命令的應(yīng)答

4）索引區(qū)：

數(shù)據(jù)含義包括輔助索引字節(jié)和命令索引字節(jié)

對于主機輔助索引預(yù)留命令索引用于配合主機命令實現(xiàn)具體功能
對于從機輔助索引用于從機上報故障狀態(tài)碼命令索引不作改動直接上報

5）設(shè)定數(shù)據(jù)據(jù)/運行數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)含義配合具體的命令響應(yīng)碼提供主機設(shè)定或從機響應(yīng)數(shù)據(jù)

6）校驗和：

計算方法從“從機地址”到“運行數(shù)據(jù)”已經(jīng)轉(zhuǎn)換為ASCII碼的全部字節(jié)連續(xù)累加和。

7）幀尾 ：0DH

3．系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)方法概述

根據(jù)彈力絲機的功能要求，本系統(tǒng)主要使用以下通訊指令：

● 從機開機
● 從機停機
● 速度閉環(huán)給定
● 無單位顯示量

其中需要注意的是從機的地址及相應(yīng)的校驗和。速度閉環(huán)給定指的就是工藝更改時，我們根據(jù)基準(zhǔn)速度和各軸的牽伸比算出各軸的目標(biāo)轉(zhuǎn)速并發(fā)給相應(yīng)的變頻器。無單位顯示量指的是讀相應(yīng)地址變頻器的實際反饋轉(zhuǎn)速。

設(shè)計中需用到具體操作命令的通訊協(xié)議如下表：

五、 控制系統(tǒng)中變頻器參數(shù)的設(shè)定

變頻器的參數(shù)設(shè)定是系統(tǒng)實現(xiàn)中的一個重要環(huán)節(jié)，本文針對與本系統(tǒng)重要相關(guān)的參數(shù)作一個簡介。下表給出了這些參數(shù)的工作特性：

需要注意的是：對于速度閉環(huán)參數(shù)P（比例）、I（積分時間）、T（采樣周期）及偏差極限的設(shè)定需要在實際的現(xiàn)場中調(diào)整。

六、 實際應(yīng)用效果

通過用戶一年多的長期使用表明，彈力絲生產(chǎn)線上采用EV1000變頻器加轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制并通過RS485通訊介質(zhì)構(gòu)成一個由PLC和多個變頻器組成的通訊鏈路來實現(xiàn)彈力絲生產(chǎn)線控制是一種十分經(jīng)濟、可靠和理想的控制方案，該技術(shù)有許多值得借鑒的優(yōu)點：

1） 采用通訊控制變頻器，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強的特點。

2） 采用變頻器自帶的閉環(huán)PI調(diào)節(jié)功能，減少了系統(tǒng)的硬件成本及編程量。而且動態(tài)響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速控制精度高，可以控制速度在±1轉(zhuǎn)/分左右，完全滿足工藝控制要求，使產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。

3） 操作簡單，速度的設(shè)定調(diào)整只需在文本顯示器上設(shè)置基準(zhǔn)速度和牽伸比即可，系統(tǒng)的開機、關(guān)機也只需按文本顯示器上相應(yīng)的按鈕即可。