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基于PLC的多单元同步驱动系统的逻辑控制

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基于PLC的多单元同步驱动系统的逻辑控制

摘要在工业生产(例如轧钢、造纸、纺织、线材的拉拔等行业)上,多电机同步驱动控制系统具有广泛的应用,其同步效果直接影响产品的质量。本文主要针对直线式拉丝机的多电机同步驱动系统的逻辑控制进行研究。通过了解多单元同步控制系统的发展,在直线式拉丝机的实际生产工艺基础上,确定设计方案,即全数字式多单元同步控制。控制核心为可编程逻辑控制器(PLC)和变频器。PLC与变频器采用RS485通讯方式实现对多电机系统进行同步控制。通过对生产过程的分析,将运行过程分为手动和自动两种运行状态,其中手动又分为单动和前联两种运行状态。单动过程指在手动运行状态下,单个电机单独运行。前联过程指在手动运行状态下,本电机与前面电机一起同步运行并引入张力控制保持张力平衡。自动过程指在张力控制系统的控制下,各个电机同步运行并保持张力的平衡。同时,利用PLC通过RS485与变频器实时通讯,监视并控制变频器,实现多电机的同步逻辑驱动。最后,对PLC逻辑控制程序和RS485通信协议进行仿真调试,实现多电机的同步逻辑驱动。关键词拉丝机;多电机;同步驱动;PLC;RS485ABSTRACTININDUSTRIALPRODUCTIONSUCHASROLLING,PAPER,TEXTILES,DRAWING,THEWIRE,ANDOTHERINDUSTRIES,THEMULTISYNCHRONOUSMOTORDRIVENCONTROLSYSTEMHASABROADAPPLICATION,ANDITSDIRECTIMPACTONTHESIMULTANEOUSEFFECTOFTHEQUALITYOFTHEPRODUCTINTHISPAPER,ITRESEARCHESTHELINEARDRAWINGOFTHEMULTIMOTORSYNCHRONOUSCONTROLSYSTEMSBYUNDERSTANDINGTHEDEVELOPMENTOFTHEMULTIUNITSYNCHRONOUSCONTROLSYSTEM,ONTHEBASISOFTHEACTUALPRODUCTIONPROCESSOFTHELINEARDRAWINGMACHINE,SETTHEDESIGNPLAN,NAMELYALLDIGITALMULTIUNITSYNCHRONIZATIONCONTROLCONTROLOFTHECOREISPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCANDINVERTERPLCANDINVERTERUSERS485COMMUNICATIONMEANSTOCARRYOUTSIMULTANEOUSMULTIMOTORCONTROLBASEDONTHEANALYSISOFTHEPRODUCTIONPROCESS,THEPROCESSWILLRUNINTOBOTHMANUALANDAUTOMATICOPERATIONANDMANUALOPERATIONISDIVIDEDINTOSINGLEACTIONANDTHEFORMERRUNNINGTHESINGLEACTIONPROCESSISTHATUNDERTHEMANUALRUNNING,ASINGLESEPARATEMOTORISRUNNINGTHEFORMERRUNNINGISTHATUNDERTHEMANUALRUNNING,THEMOTORANDTHEFRONTMOTORSARESYNCHRONOUSLYRUNNINGWITHTHETENSIONCONTROL,KEEPINGTHETENSIONBALANCETHEAUTOMATICOPERATIONISTHATUNDERTHETENSIONCONTROLSYSTEM,VARIOUSMOTORSSYNCHRONOUSLYARERUNNING,ANDMAINTAININGTHEBALANCEOFTHETENSIONATTHESAMETIME,USINGTHEREALTIMECOMMUNICATIONSBETWEENPLCANDINVERTERTHROUGHRS485TOSURVEILLANCEANDCONTROLINVERTER,REALIZESTHELOGICSIMULTANEOUSMULTIMOTORDRIVENFINALLY,DEBUGTHEPLCLOGICCONTROLPROGRAMANDRS485COMMUNICATIONPROTOCOL,TOREALIZETHELOGICSIMULTANEOUSMULTIMOTORDRIVENKEYWORDSDRAWINGMACHINE;MULTIMOTOR;SYNCHRONOUSDRIVES;PLC;RS485目录摘要IABSTRACTII目录V第1章绪论111课题背景112课题的发展现状1121模拟量多单元同步控制1122数模结合型多单元同步控制3123全数字式多单元同步控制413本论文的控制对象和控制任务514本论文的主要工作和创新6141主要工作6142主要创新6第2章方案的比较和选择721传统的多单元同步驱动控制系统722带张力补偿控制的多电机同步驱动系统823全数字式的多单元同步控制系统924设计方案的确定9第3章系统的设计1131直线式拉丝机转速同步原理11311卷筒同步运行原理11312确定合适的转速比1232LZ8/600直线式拉丝机参数的确定12321卷筒转速比的确定13322总压缩比的确定15323钢丝所需拉拔力矩15324电机输出力矩16325卷筒输出力矩1633系统模型的建立1734器件的选择17341可编程逻辑控制器(PLC)18342变频器的选择19343触摸屏的选择19第4章系统的硬件设计2141可编程逻辑控制器(PLC)21411输入输出元件及分配21412PLC输入输出接线图23413FX2N4AD模拟量输入模块2842变频器A5403043RS485通信接口的设计30431RS485标准接口简介30432PLC与变频器的连接31第5章系统的软件设计3351RS485通讯的设计33511变频器的设置33512通讯的数据格式33513通讯数据定义34514PLC中特殊继电器和寄存器的设置35515程序设计3652FX4AD模拟量输入模块的设计36521FX4AD缓冲寄存器(BFM)的设计36522FX4AD的基本应用程序3853主控程序设计38531程序运行逻辑简介38532系统程序流程39533PLC逻辑控制程序43第6章总结4561设计心得4562前景展望45致谢47参考文献48附录50附录一、通讯数据的定义50附录二、通讯程序(以1变频器为例)56附录三、主控制程序591绪论本章主要针对多单元同步控制,叙述了课题的背景、课题的发展现状、控制对象与控制任务和本论文的主要工作与创新。其中在发展现状中讲述了三种不同的多单元控制系统。这三种不同的控制系统体现了多单元同步控制系统三个发展阶段,即模拟量多单元同步控制、数模结合型多单元同步控制、全数字式多单元同步控制。11课题背景随着工业自动化程度的提高和生产规模的扩大,各种生产线、输送线的长度和输送功率不断增加,当输送线长度增加到一定程度时,采用单电机驱动往往难以满足生产的要求,必须采用多电机同步驱动的方式。组成多级同步驱动系统之后,从驱动电机之间的连接关系看可分两类1一类是各驱动电机依赖链接式进行物理连接,由于各同步电机之间存在严重的耦合作用,可能导致该电机的转速偏离更加严重,最后造成整个传动系统不能正常工作,许多工厂的生产线、装配线就属于这类;因此,多电机协调的研究具有非常重要的现实意义。本论文所研究的对象针对后一类控制系统,主要基于冷轧机、拉丝机等生产线。12课题的发展现状目前,有3种较为常见的多单元同步控制,可适应不同设备工艺条件和控制精度等要求,灵活应用2。3种多单元控制系统如下121模拟量多单元同步控制模拟式同步控制系统框图如图12所示VM1VM010VR1RP10VR2S1图11张力反馈信号的获得10V10V10VVF0M0VF1M1给定积分器PGP1S1张力传感器1主机从机110V10VVF2M2S2张力传感器2从机210V10VVFNMNSN张力传感器N从机NP2PN图12模拟式同步控制器电机M0,M1,,MN分别由交流变频器VF0,VF1,,VFN为调速驱动。P为主令电位器,输出公共的调节信号;P1,P2,,PN为各从动单元分调电位器,以此实现各单元以一定的比例速度同步工作或补偿各单元机械传动比的差异,起基本同步作用;S1,S2,,SN为各单元间的张力调节电位器,由S1,S2,,SN传出的信号即为同步调节信号,以此实现各单元速度失调的自动调整。_GS1S1110K20K20K10K至VF120KDC10K20K20K_图13模拟同步控制器原理图122数模结合型多单元同步控制两单元同步传动控制系统原理框图如图14所示。10VPVF0M0PG0PG1M1VF1D/A同步控制器图14数模结合型同步控制系统系统每个单元电机机采用的是PG反馈控制,单电机调速精度可显著提高。采用带PG反馈的数模结合同步控制系统,其同步控制精度明显提高,且不受设备工艺的约束,可实现转速、转角和线速度同步控制,应用灵活5。123全数字式多单元同步控制VF0VF1VF2VFNPLC人机界面PG0PG1PGNM0M1M2MN图15全数字式同步控制系统13本论文的控制对象和控制任务本论文所讨论的多单元同步驱动控制系统是目前技术最为先进的应用于直线式拉丝机的全数字式多单元同步驱动控制系统。与传统的拉丝机相比,直线式拉丝机采用的是交流异步电机,而传统竖筒式拉丝机所采用的是调速电机电磁转差离合器,前者比后者控制效果要高;且与后者相比直线式拉丝机所拉成的钢丝在拉拔过程中不扭曲,使产品质量和钢丝内应力得到可靠保证8。直线式拉丝机生产工艺过程如图16所示。将整卷的钢丝开卷校直,经过N道卷筒拉拔,靠各卷筒之间的张力辊控制张力和同步速偏差量。由于要将原料线材拉伸成所需的规格,钢丝成型需经过拉模,而各道拉模的出丝口径不同,造成相邻卷筒的转速各不相同,因此各道卷筒间的张力辊所承受的张力值也不相同。其生产流程如图16所示张力辊卷筒1卷筒2张力调节检测装置卷筒N图16直线式拉丝机的生产流程示意图可见,想要将钢丝拉拔成一定的规格,必须严格控制各道电机的转速比,从而由控制各道电机之间的转速差来控制对钢丝产生的拉力。而各道电机之间的转速的变化会引起相邻之间张力辊位置的变化。由此可知,张力辊的位置是相邻卷筒对钢丝拉力的标志。要获得较高的加工精度,就要求电气传动系统在高速运行时具有良好的张力控制和相应的比例同步转速协调控制性能。除应保证相邻卷筒之间的张力值恒定外,还要求驱动各道卷筒的电机在静态和动态过程中其转速必须保持精确的比例同步,以实现各道卷筒间出口的秒流量相等的控制原则,即式11成立11IINNSVSVSV(11)其中SI、YI分别是第I道卷筒出口处钢丝的截面积和线速度。上式在稳态过程中,只要调整好合理的比例同步系数,各道间的比例同步驱动是比较容易实现的。但在过渡过程中如启制动或受较大扰动后的恢复,式11难以成立。因此必须利用张力调节,尽快地补偿偏差,使系统动态亦满足式11,并在过渡过程中尽可能的减小各道张力的波动,实现快速恢复。14本论文的主要工作和创新与前述分析的传统系统比较,进行了如下几方面工作和创新设计141主要工作(1)熟悉直线式拉丝机的生产工艺,建立基于张力恒定的多单元同步驱动控制系统模型;(2)本系统利用可编程控制器完成系统的设计,通过变频器的PU接口,将PLC和变频器连接实现基于RS485的工业控制网络。由PLC实现系统的控制算法和实时监控,由PLC实现系统的启动、停止、稳态运行的控制和保护等逻辑控制任务;(3)利用实验室现有的设备,构造一个与生产现场类似的实验环境。其中的关键控制装置均采用实际系统中可直接使用的设备,如可编程控制器是MITSUBISHI的FX2N,变频器是MITSUBISHI的A540,采用RS485通讯方式。监控及界面采用触摸屏是MITSUBISHI的A970GOT,采用RS422通讯方式与PLC通讯。142主要创新(1)利用光电传感器,采集现场张力变化信号,在加工对象的工艺参数或系统参数变化后,使各电机比例同步速按工艺要求实现自动调整,始终保证整个系统动态过程满足式11的比例同步驱动;(2)采用RS485通讯方式,实现PLC与变频器的实时通讯,通过变频器控制各个电机的运行。实现基于转速反馈控制的调速系统,各驱动单元的稳态无差和动态快速响应;(3)利用触摸屏与PLC通信功能来实现系统的参数设定和系统的实时监控。2方案的比较和选择本章主要针对直线式拉丝机,叙述了直线式拉丝机的三种多单元同步控制系统,即传统的多单元同步驱动控制系统、带张力补偿控制的多电机同步驱动系统、全数字式的多单元同步控制系统。然后,确定了本论文的设计方案,采用全数字式多单元同步控制系统。21传统的多单元同步驱动控制系统在传统的多电机同步驱动系统中,各电机的速度调节器多采用比例积分PI调节器。其控制方案原理图如图21示NAAA1PIVF1VF2PIPIVFVFPIM1G1M2G2MGMGIINNININ1图21传统多电机同步控制结构而且PID控制器对非线性系统的控制性能较差,并且在系统参数或结构发生变化时,需要对PID控制器参数重新调整。此外,如果生产工艺的要求变化,如被加工对象的材质或线经、规格变化,必须人工调整比例同步系数。因此,用传统的PID方法进行控制的效果往往很不理想。22带张力补偿控制的多电机同步驱动系统采用这种方式的多电机同步驱动系统的组成结构如图22所示。取张力辊的实际张力值与张力给定值的偏差经比例放大后作为前馈补偿调节信号,即前N1道电机的控制是以比例同步速控制为主,张力补偿为辅的控制原则。如果需要调整工艺参数,则可以通过改变张力的设定值和前N1道电机的同步比例系数实现。一般取最后一台卷筒电机的转速为基准,前N1道电机的转速按工艺要求以一定比例与其同步,比例同步转速由各电位器选择,在稳态时满足各道卷筒的出口的秒流量相等的原则。卷筒1卷筒2卷筒I卷筒NVVVF1VVVF2VVVFIVVVFNVCC同步比例1同步比例2同步比例IM1M2MIMN主给定张力信号张力信号张力信号图22拉丝机比例值同步控制结构图由图22可知,采用带张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统,由于引入了张力信号,在动态性能方面有了较大提高。但由于采用的是转速开环控制,在系统稳态运行时存在静态误差如果生产工艺参数变化后如钢丝直径改变,要求人工调整比例同步系数,系统自动化程度较低。23全数字式的多单元同步控制系统目前较为先进的拉丝机的同步控制器大都采用单片机、PLC或者工控PC机来实现。全数字式同步控制系统框图如图15所示。人机界面或者监控计算机、变频器均通过RS422接口和RS485接口与PLC的通信模块连接。由人机界面实现发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态的作用。数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器PG,由PG分别测量各单元的实际速度,送至PLC的高速脉冲计数输入单元,PLC将采集到的各单元实时转速与设定运行参数综合,按既定的同步控制策略进行运算和控制,得到各单元电机的运行速度设定值,再通过RS485总线写入变频器执行。24设计方案的确定通过对拉丝机的三种不同控制方式的的叙述,综合各个控制方式的特点,本次设计同样采用先进的全数字化控制方式,同时加以改创新。本设计采用触摸屏来实现发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态。通过参数的设定来实现PLC实时控制变频器和交流电机的运行。放弃了在24节中讲述的数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器PG,采用光电位移传感器,通过张力辊的位移来调节张力的恒定。第3章系统的设计本章主要介绍直线式拉丝机的的同步原理,拉丝参数的计算,系统框图和器件的选择。31直线式拉丝机转速同步原理311卷筒同步运行原理目前的直进式拉丝机并非是完全“直进”的,它在每两卷筒之间,都设置有测速反馈装置,如图31。2834上输出17下65图31传感装置示意图1拉丝模2卷筒3张力辊4传感器5气缸6滑轮7卷筒8钢丝钢丝由卷筒2拉拔收卷,经张力辊3搭在滑轮6上,再经拉丝模1进入下一卷筒7拉拔。气缸5通过杠杆,使张力辊3紧靠着钢丝。在此杠杆转轴上,则安装着角度传感器4,该传感器随着转轴的旋转,改变转角从而改变其电气参数。312确定合适的转速比在运行中,气缸5提供一个弹力,使钢丝保持一定的张力。张力辊由于气缸行程及钢的位置,其可变行程DT极其有限,如图32。卷筒DT图32张力辊活动示意图要在有限的空间里,做出灵敏的反应,及时给出信号,除了具备功能强大的驱动装置之外,相邻两卷筒保持相应的基本转速非常重要。各卷筒均由各自的电机驱动,只有各卷筒具备相对匹配的基本转速,才能使转速变动的调节量尽量小,易实现拉丝机的联动。电机是通过减速箱带动卷筒的,各电机转速基本相同,各卷筒在联动拉丝时,转速并不相同,而保持着一定的比例。只有确定各卷筒与电机的转速比I,才能据此定出各减速箱有关机械齿轮、皮带轮等参数,其转速比为/MINN(31)式31中NM电机转速,1500R/MIN;N卷筒转速,R/MIN。32LZ8/600直线式拉丝机参数的确定LZ8/600直线式拉丝机设有8个600MM卷筒,分别由8台电机驱动。各电机功率为45KW,转速为1500R/MIN。电机均为三相交流电机,调速设备采用MITSUBISHI的A540型,该拉丝机成品卷筒(8卷筒)额定输出线速度为10M/S。其它数据参照表31。表31项目数据项目单位型号卷筒直径MM600拉拔道次TIME8材料抗拉强度MPA≤1250最大进线直径MM5028最小出线直径MM1810总压缩率87平均部分压缩率2251拉拔速度M/S10电机功率KW变频45321卷筒转速比的确定钢丝在拉拔时,其压缩比为201/UDD32式(32)中D拉拔后的钢丝直径;D0拉拔钢丝前钢丝直径。钢丝在拉拔后,延伸系数0/LL,其中L、0L分别为拉拔前、后的钢丝长度。忽略损耗,根据拉拔前后等体积原则,有20/DD33比较3233两式,得11/34根据经验,LZ8/600拉丝机各级拉拔压缩比确定为120,223,326,425,524,622,721,820。配模曲线概略如图33。012345678192021222324252627图338/600拉丝配模曲线将各压缩比值代入34式,得1125,213,3135,4133,5132,6128,7127,8125。各卷筒转速(当各卷筒直径相等时)应有221NN,332NN,443NN,554NN,665NN,776NN,887NN35式(35)中,12345678,,,,,,,NNNNNNNN分别为各卷筒转速。成品卷筒线速度为8V10M/S,则有8860/NVD36式(36)中,D为卷筒直径,D600MM,代入(36)式得到83185/MINNR,将此值代入式(35),得72548/MINNR,62006/MIN,51560/MINNR,41182/MINNR,3889/MINNR,2659/MINNR,1506/MINNR。将各卷筒转速分别代入(31)中,得11/1500/506296MINN22/1500/659228MINN32/1500/889169MINN44/1500/1182127MINN55/1500/156096MINN66/1500/200675MINN77/1500/254859MINN88/1500/318547MINN综合有关参数,汇总如表32。表32拉丝参数汇总电动机序号卷筒转速(R/MIN压缩比延伸率线速度M/S转速比15062012515929626592313020722838892613527916941182251333711275156024132490966200622128630757254821127800598318520125100047322总压缩比的确定由(32)式知280/1DD总37又由(32)式导出8871DD,7761DD,6651DD,5541DD,4431DD,

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