基于RS－485總線的印染機械的變頻同步改造

甄任賀

(廣東技術(shù)師范學(xué)院自動化學(xué)院，廣東廣州 510635)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的深入發(fā)展，基于變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)在大中型自動化生產(chǎn)中取得了廣泛應(yīng)用。在實際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常采用多臺電機驅(qū)動，能否實現(xiàn)多臺電機的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實現(xiàn)多電機的同步控制已成為研究熱點［1］。本文介紹廣州黃埔長輝印染有限公司的102－180型三柱軋水烘干機的變頻技術(shù)改造項目。系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

生產(chǎn)過程中布首先經(jīng)過漿槽，再在主電機M0的驅(qū)動下進入一柱烘干，再進入二柱、三柱烘干，最后在落布電機的作用下，完成出布功能。M1、M2、M3、M4這四個電機分別是一柱、二柱、三柱烘筒驅(qū)動電機和落布電機。系統(tǒng)要求M0、M1、M2、M3、M4 這幾個電機嚴(yán)格同步［2］。

原系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，采用直流調(diào)速技術(shù)。目前，變頻器已成為性價比極高的單元器件，因此采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對該系統(tǒng)進行改造。系統(tǒng)采用RS－485總線實現(xiàn)與變頻器的通信，實現(xiàn)三柱軋水烘干機生產(chǎn)線上多臺異步電機的同步控制。

1 系統(tǒng)改造的硬件方案

把原系統(tǒng)中的直流電機變換為對應(yīng)功率的交流電機，控制方案如圖2所示。

控制系統(tǒng)以STC12單片機為核心，以主電機M0的轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，通過編碼器測速，加到STC單片機上，作為速度基準(zhǔn)，通過RS－485總線，分別實現(xiàn)控制與驅(qū)動 M0、M1、M2、M3、M4 這幾個電機的變頻器通信，使 M1、M2、M3、M4電機跟隨著M0電機同步運行。另外，編碼器0～編碼器3為各輥軸端安裝的光電編碼器，編碼器4為擺布電機M4同軸安裝的光電編碼器，反饋信號一方面作轉(zhuǎn)速反饋，另一方面經(jīng)轉(zhuǎn)換作下一臺電機的給定。主電機M0的測速編碼器的Z相脈沖用于計算退卷輥的卷徑;采用PID控制對同步誤差進行調(diào)節(jié)。

圖2 控制從電動機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)STC12單片機。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，2路脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，8路高速10位 A/D轉(zhuǎn)換(250 K/S)，針對電機控制，特別適用于強干擾場合。

(2)變頻器采用西門子的MM420及MM440，系統(tǒng)通信采用RS－485通信協(xié)議，變頻器接收控制的通信協(xié)議［3］如表1所示。

表1 MM420變頻器接收控制的通信協(xié)議

表中:STX區(qū)是一個字節(jié)的 ASCIISTX字符(02hex)，表示一條信息的開始。LGE區(qū)是一個字節(jié)，指明這一條信息后跟的字節(jié)數(shù)目。按照USS的技術(shù)說明，報文的長度是可以變化的，而且報文的長度必須在報文的第2個字節(jié)(即LGE)中說明。根據(jù)配置，可以把報文定義為固定的長度?？偩€上的各個從站結(jié)點可以采用不同長度的報文。一條報文的最大長度是256個字節(jié)，LGE是根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)字符(數(shù)量n)數(shù)、地址字節(jié)(ADR)和數(shù)據(jù)塊檢驗字符(BCC)確定的。顯然，實際的報文總長度比LGE要多2個字節(jié)，因為字節(jié)STX和LGE沒有計算在LGE以內(nèi)。ADR區(qū)是一個字節(jié)，是從站結(jié)點(即變頻器)的地址。PKE設(shè)置為0，IND默認(rèn)為0，VAL設(shè)置為0。STW為變頻器控制動作位，正轉(zhuǎn)設(shè)置為47F，反轉(zhuǎn)設(shè)置為C7F。HSW為頻率設(shè)置，設(shè)計是在程序中進行運算。BCC區(qū)是長度為一個字節(jié)的校驗和，用于檢查該信息是否有效。它是該信息中BCC前面所有字節(jié)“異或”運算的結(jié)果。如果根據(jù)校驗和的運算結(jié)果，表明變頻器接收到的信息是無效的，則丟棄這一信息，并且不向主站發(fā)出應(yīng)答信號。

(3)該設(shè)計中采用的旋轉(zhuǎn)編碼器是E6A2系列的，是OMRON增量型旋轉(zhuǎn)式編碼器。在該設(shè)計中，采用STC12單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，采用單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。該旋轉(zhuǎn)編碼器有5根接線，褐色是VCC，黑色、白色、橙色分別是A相、B相、Z相，青色是地端。

2 同步傳動系統(tǒng)的控制方案

控制方案如圖3所示。

圖3 同步傳動系統(tǒng)的控制方案

圖中:ni——一級電機的給定轉(zhuǎn)速;

nif——本級經(jīng)編碼器反饋來的轉(zhuǎn)速;

ni+1——下一級電機的給定;

ki+1——下一級的放大系數(shù)。

卷徑計算時，編碼器的Z相每出現(xiàn)一個脈沖退卷輥卷徑減小2h(h為織物厚度)，系統(tǒng)［4］:

式中:V——系統(tǒng)給定的線速度;

n0，n1，n2，n3，n4——電機 M0、M1、M2、M3、M4的給定轉(zhuǎn)速;

R0，R1，R2，R3，R4——各電機對應(yīng)各輥的半徑;

D0，D1，D3，D3，D4——各電機對應(yīng)各輥的直徑;

nf0，nf1，nf2，nf3，nf4——電機 M0、M1、M2、M3、M4由對應(yīng)編碼器所測出的電機轉(zhuǎn)速。

3 控制系統(tǒng)算法設(shè)計

對于某一時刻t，STC12單片機通過對光電編碼器脈沖定時計數(shù)得到五臺電機的反饋轉(zhuǎn)速nf0，nf1，nf2，nf3，nf4，同時得出退卷輥的輥徑，根據(jù)式(1)～(5)，通過單片機內(nèi)部定時計算得到各臺電機的給定轉(zhuǎn)速 n0，n1，n2，n3，n4，則可定義每臺電機的同步偏差為

當(dāng) ei=0(i=1，2，3，4)時，表示在給定線速度下，主從電機同步;ei≠0時，表示給定線速度下主從電機不同步。

同步控制系統(tǒng)的各臺電機采用PID控制規(guī)律［5］進行調(diào)節(jié)，其連續(xù)表達式為

式中:Kp——比例系數(shù);

Ti——積分時間常數(shù);

Td——微分時間常數(shù)。

將式(7)按采樣周期離散化后，位置型控制算法的遞推算法為

其中:

參數(shù)整定過程:確定采樣周期T，運行比例控制器，形成閉環(huán)，逐漸增大比例系數(shù)，使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界狀態(tài)，記下此時的比例系數(shù)Kr(臨界比例系數(shù))和震蕩周期Tr(臨界震蕩周期)。然后利用經(jīng)典公式(見表2)求取PID控制器的參數(shù)，按求得的參數(shù)運行，觀察系統(tǒng)控制效果，微調(diào)有關(guān)參數(shù)，以獲得最佳效果。

表2 比例法參數(shù)整定經(jīng)驗計算公式

4 控制算法流程

程序首先對系統(tǒng)進行各種初始化設(shè)置，接著對編碼器進行計數(shù)，給定的采樣時間到時，單片機把速度反饋值賦給 nif(i=0，1，2，3，4)，ni(i=0，1，2，3，4)為轉(zhuǎn)速給定，按式(6)可計算出各電機的轉(zhuǎn)速偏差，如果系統(tǒng)不同步，按式(8)、(9)即可算出各電機的Δu(k)和u(k)，u(k)即為各電機的控制轉(zhuǎn)速，通過RS－485通信，把轉(zhuǎn)速傳輸給對應(yīng)的變頻器，由變頻器控制電機。如果系統(tǒng)已同步，直接把u(k)傳輸給變頻器即可。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語

采用STC12單片機為核心的控制系統(tǒng)，通過RS－485協(xié)議在單片機和變頻器之間進行通信，不但節(jié)省了一般控制系統(tǒng)中的D/A模塊，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，節(jié)省了費用開支;同時通過單片機的顯示電路，可以清楚地知道各電機的運行狀態(tài);另外，通過與單片機相連的RS－232總線，可以方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的初始參數(shù)值。系統(tǒng)實際運行證明，該系統(tǒng)能可靠地滿足生產(chǎn)廠家的需要，受到廠家的好評。

圖4 系統(tǒng)的程序流程圖

［1］張良.基于模糊－PID控制的主從電機同步傳動系統(tǒng)［J］.電氣傳動自動化，2008(5):34-37.

［2］常州紡織儀表廠.CYDII系列可控硅整流裝置產(chǎn)品說明書［G］.1981.

［3］陳效邦.印染機械電氣控制［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1989.

［4］陳汝全.實用微機與單片機控制技術(shù)［M］.北京:電子科技大學(xué)出版社，1998.