清梳聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡化監(jiān)控及其梳棉工藝優(yōu)化設計

謝水英，陳懷忠，2，朱金芳

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院電氣電子學院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學自動化研究所，浙江 杭州 310018)

清梳聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡化監(jiān)控及其梳棉工藝優(yōu)化設計

謝水英1，陳懷忠1，2，朱金芳1

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院電氣電子學院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學自動化研究所，浙江 杭州 310018)

清梳聯(lián)系統(tǒng)設備種類繁多，整體設備自動化程度低，通信聯(lián)網(wǎng)功能弱，信息管理相對滯后，同時在梳棉道夫工藝存在傳動控制技術落后，故障率高等不足。針對以上問題，以西門子PLC為清梳聯(lián)系統(tǒng)中心控制器，采用PROFIBUS-DP工業(yè)現(xiàn)場總線構成清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對各設備的工藝參數(shù)修改、任務下達、動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)保存、故障分析等監(jiān)控功能，并對梳棉道夫傳動控制進行矢量變頻設計。結果表明，監(jiān)控系統(tǒng)提高了企業(yè)自動化生產和信息化管理水平，降低勞動力成本，節(jié)能降耗。

清梳聯(lián);PROFIBUS-DP;網(wǎng)絡化監(jiān)控;矢量變頻

清梳聯(lián)是棉紡廠把原料加工成單纖維狀態(tài)的關鍵設備，清梳聯(lián)系統(tǒng)一般由多條生產線組成，每條生產線的數(shù)量有時多達數(shù)十臺，所有設備數(shù)量多達數(shù)百臺。棉紡廠一些清梳聯(lián)系統(tǒng)電氣控制仍采用手動單機操作，自動化程度低，工藝參數(shù)修改和讀取、產量記錄都要到單機臺上手動完成。

傳統(tǒng)清梳聯(lián)企業(yè)設備種類和數(shù)量眾多，生產任務量大，人員往返于各設備之間，工作效率低，信息管理相對滯后。同時在梳棉道夫關鍵工藝中，傳統(tǒng)設備仍采用電磁離合器、雙速電動機等調速方式，工藝落后，精度低，故障率高，不能滿足低速對轉矩的要求，嚴重影響初棉生條質量［1－2］。

本文針對清梳聯(lián)系統(tǒng)生產過程中存在的問題，將PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術、計算機網(wǎng)絡技術以及工業(yè)以太網(wǎng)技術應用到清梳聯(lián)的網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對設備的現(xiàn)場和集中監(jiān)控、操作與管理。其次引入交流矢量變頻技術，對梳棉道夫關鍵工藝進行改進，達到高效和節(jié)能降耗的目的，從而提高棉紡織企業(yè)自動化生產、管理水平和經(jīng)濟效率。

1 清梳聯(lián)工藝流程

典型清梳聯(lián)工藝流程主要包括抓棉、開棉、混棉、和梳棉等工序。生產流程見圖1。

圖1 清梳聯(lián)生產流程Fig.1 Production process of blowing-carding unit

抓棉機首先將排列好的各等級初棉原料按一定次序抓取，以風力為驅動動力，把原料輸送到管道里。然后開棉機把原料開松再混合，同時對不符合標準的雜質進行除雜。混棉機按照交錯原理混合并進行儲存，清棉機對原料進行進一步除雜和開松。最后梳棉機對均勻的纖維層進行逐一開松落雜、清纖維和除短絨、梳理后加工成纖維網(wǎng)，經(jīng)牽伸壓輥后形成棉條，供后續(xù)工序使用［3］。

2 網(wǎng)絡化監(jiān)控總體設計

大的困難。在本文設計中，清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控主要采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場智能化儀器、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高一級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，實現(xiàn)企業(yè)生產過程的數(shù)據(jù)采集處理、報表統(tǒng)計、事故分析診斷、設備遠程控制、實時在線診斷等功能，滿足現(xiàn)代企業(yè)大批量、高質量、高效低耗的需要，實現(xiàn)生產控制和企業(yè)管理的一體化［4－5］。

傳統(tǒng)清梳聯(lián)工序中現(xiàn)場設備分布范圍廣，數(shù)量多，信號類型復雜，故障診斷及報警等功能不強，集中智能化管理困難，可維護性差，同時不同廠家設備兼容性較差，給整個工序的信息化管理等帶來了極

3 監(jiān)控網(wǎng)絡通信實現(xiàn)

控制對象為某棉紡廠清梳聯(lián)系統(tǒng)，清梳聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡化監(jiān)控設計整體方案如圖2所示。

圖2 清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Fig.2 Networked control system structure diagram of blowing-carding unit

圖2中，清梳聯(lián)系統(tǒng)主要由6條清梳聯(lián)生產線系統(tǒng)構成，本文主要以1條典型的清梳聯(lián)生產線說明系統(tǒng)結構組成與設計。該生產線主要由抓棉、開棉、混棉、清棉和梳棉單元組(由10臺梳棉機構成)等組成，各項工藝控制使用S7-200 PLC作為中心控制器。針對現(xiàn)場設備數(shù)量多，分布范圍廣，信號類型復雜，數(shù)據(jù)管理復雜等特點，采用PROFIBUS-DP工業(yè)現(xiàn)場總線構成清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控網(wǎng)絡，進行設備和數(shù)據(jù)監(jiān)控管理。每套清梳聯(lián)系統(tǒng)采用了PROFIBUS-DP工業(yè)現(xiàn)場總線組成了現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡，6套清梳聯(lián)網(wǎng)絡通過西門子SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)構成管理層網(wǎng)絡。清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為4個層次:現(xiàn)場設備層、傳輸層、控制層和管理層［6－7］。

3.1 現(xiàn)場設備層

現(xiàn)場設備層作為系統(tǒng)在現(xiàn)場一線的設備，承擔著整個現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)檢測、采集和設備驅動等功能。如清梳聯(lián)設備的啟動停止等各種開關量，抓棉量、手羅拉轉速、棉倉壓力、出棉口壓力等各種模擬量的信號采集，執(zhí)行機構如電動機、變頻器、電磁閥等各種驅動設備。

3.2 傳輸層

傳輸層主要是由不同等級域的網(wǎng)絡構成，每個封閉網(wǎng)絡都配備有相應網(wǎng)絡傳輸控制設備等，它們承擔著整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號的網(wǎng)絡傳輸，主要由通信線、通信模塊和各種通信協(xié)議構成。在清梳聯(lián)系統(tǒng)中，各種信號交換主要構建在基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)上。老設備一般采用RS-485通信方式，但 RS-485通信波特率一般在9.6～19.2 kbps之間，同樣在19.2 kbps速率的條件下，RS-485若超過100 m，效果較差，而DP通信距離可達到1.2 km，可見DP通信速率大大優(yōu)于傳統(tǒng)的RS-485通信。在傳輸層還設計了清梳聯(lián)系統(tǒng)監(jiān)測的人機交互接口，實現(xiàn)對用戶操作需求的信號傳輸與反饋［8］。

3.3 控制層

控制層是清梳聯(lián)系統(tǒng)整個自動化控制系統(tǒng)中人機信息交換控制中心，主要由PLC、觸摸屏、WINCC SCADA組態(tài)軟件等構成。每條生產線構成一個車間級監(jiān)控系統(tǒng)，車間控制室由監(jiān)控上位機、打印機和UPS等設備組成。PROFIBUS-DP控制網(wǎng)絡結構如圖3所示。主控制器選用西門子公司S7-300 PLC，CPU選用帶PROFIBUS-DP接口的 CPU315-2DP，在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡中作為主站，地址設為2。以PC機作為上位機對系統(tǒng)進行監(jiān)控管理，并配置CP5611通信卡作為網(wǎng)絡接口，地址設為1。

圖3 PROFIBUS-DP控制網(wǎng)絡結構圖Fig.3 Control structure diagram based on PROFIBUS-DP

多個分布在清梳聯(lián)各個工作現(xiàn)場的S7-200 PLC(CPU226)作為從站，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡地址依次設為3，4，…，n。各從站負責現(xiàn)場信息的采集并向主站發(fā)放有關信號及執(zhí)行具體控制命令。每臺S7-200 PLC配備一臺觸摸屏，對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控。S7-200通過EM277 PROFIBUS-DP通信模塊的DP端口，與CP5611通信卡通過1根雙絞屏蔽線連接構成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。以西門子生產的WINCC作為上位機的監(jiān)控組態(tài)軟件。利用WINCC較強的網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫管理功能，能對清梳聯(lián)系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)進行處理，將各清梳聯(lián)設備的工作狀態(tài)參數(shù)置于該監(jiān)控計算機的可見和可控領域，完成指定工藝的參數(shù)修改、工況動態(tài)監(jiān)控、事故報警、歷史數(shù)據(jù)集中保存、數(shù)據(jù)統(tǒng)計打印等任務［9］。

3.4 管理層

在6套清梳聯(lián)主控PLC安裝CP343-1通信模塊，上位機安裝Ethernet CP1613通信網(wǎng)卡，上位機和各清梳聯(lián)生產線主控PLC通信模塊均設置不同的IP地址，上位計算機利用交換機，通過西門子SIMATIC NET工業(yè)以太網(wǎng)將1～6號清梳聯(lián)生產線主控PLC信號進行監(jiān)控采集，在WINCC SCADA監(jiān)控系統(tǒng)中，在TCP/IP下建立連接和創(chuàng)建變量，構成了企業(yè)管理層。將各車間生產線監(jiān)控數(shù)據(jù)連接入企業(yè)局域網(wǎng)，為企業(yè)ERP系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)，生產數(shù)據(jù)的管理主要包括輪班信息、生產月計劃、機臺信息、質量指標、和產量指標等，構建企業(yè)ERP管理系統(tǒng)。企業(yè)管理層可以方便對工廠設備運行狀況進行整體監(jiān)控，下達生產計劃和提取各車間運行情況的各種分析報表，用戶可方便地對數(shù)據(jù)庫中的歷史記錄進行查詢、編輯和打印。清梳聯(lián)系統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)結構如圖4所示。

圖4 工業(yè)以太網(wǎng)結構圖Fig.4 Industrial Ethernet structure diagram

清梳聯(lián)網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)可安裝在多臺計算機中，實現(xiàn)資源共享。當遠程監(jiān)控等外網(wǎng)接入工業(yè)以太網(wǎng)時，需安裝以太網(wǎng)防火墻。用戶根據(jù)需要，通過對網(wǎng)絡訪問權限限制，授權設備才允許訪問，以防止外網(wǎng)非法攻擊，保護系統(tǒng)內部設備安全運行。這樣可在世界各地通過Internet網(wǎng)，對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控、故障診斷和管理。

3.5 PLC程序設計

清梳聯(lián)各工藝PLC編程主要由自動控制、手動控制、初始化模塊、通信模塊、診斷模塊、故障處理模塊等組成，PLC程序設計結構如圖5所示。

圖5 PLC程序結構Fig.5 PLC program structure

自動控制主要在開關信號、模擬量信號和故障信號等輸入的情況下，自動控制系統(tǒng)運行，實現(xiàn)各項功能。手動控制一般用于設備檢修或異常狀態(tài)控制。初始化模塊負責上電對系統(tǒng)初始化，通信模塊負責與主站和從站通信、上報故障信息、設置參數(shù)，調用各類數(shù)據(jù)等。診斷模塊用于系統(tǒng)自診斷，故障模塊用于系統(tǒng)故障顯示和報警等。

4 梳棉工藝控制優(yōu)化

對清梳聯(lián)網(wǎng)絡化監(jiān)控改造的同時，必須對較為落后，影響生產效率的工藝進行改進。在梳棉傳動系統(tǒng)中，道夫工藝的主要作用是凝聚和轉移錫林針面上的纖維，聚集成棉網(wǎng)輸出，對接頭和生頭速度要求較低(道夫頻率一般要求僅為4 Hz)，同時要求起動轉矩大。傳統(tǒng)設備采用雙速電動機、慣性輪、電磁離合器，用電氣加機械的手段來實現(xiàn)，故障較高，經(jīng)常造成停機。一些企業(yè)用普通V/F變頻調速加以改進，調速性能有所提升，但存在轉速易受負載和轉差率的影響，動態(tài)性能差和控制精度低等不足，同時低速運行時，轉矩值偏低，效果仍然不理想。嚴重時出現(xiàn)破邊，棉網(wǎng)拉斷的現(xiàn)象，影響生產質量和效率。本文設計用矢量變頻技術對該工藝進行進一步改進。矢量變換的核心是把感應電動機利用坐標變換，把轉矩電流和勵磁電流分量變成標量獨立開來，再對它們進行控制，控制效果可以與直流電動機相媲美［10］。

本文采用西門子公司生產的6SE70型矢量控制變頻器對梳棉傳動系統(tǒng)中道夫工藝進行改造。梳棉工藝道夫單元交流矢量變頻驅動設計如圖6所示。

圖6 梳棉道夫單元矢量變頻控制Fig.6 Vector variable frequency control of carding doffer unit

中心控制器采用西門子公司生產的CPU226 S7-200PLC，驅動裝置采用西門子公司生產的6SE70型的矢量控制變頻器。變頻器速度給定采用改變傳統(tǒng)的模擬量控制方式，采用先進可靠的基于RS-485接口的USS通信協(xié)議的總線方式給定。在PLC創(chuàng)建項目時，首先安裝 USS protocal通信協(xié)議，S7-200PLC利用 PORT1通信口，進行通信設置。而PORT0通信口通過通信電纜與6SE70變頻器主板的X300通信口連接。其次，使用USS協(xié)議初始化PORT0端口，在6SE70型的矢量控制變頻器上設定相關參數(shù)，如USS網(wǎng)絡地址、通信速率、變頻器啟停信號、速度給定參數(shù)等。最后使用USS—CTRL模塊來控制變頻調速裝置速度輸出。

圖6中，系統(tǒng)三相電源通過交流接觸器引入，通過CUVC板X300的RS-485端口與PLC通信，PLC向變頻器發(fā)出速度啟?？刂疲l(fā)出不同的數(shù)字量控制變頻器速度。轉速反饋通過脈沖編碼器檢測交流電動機位移信號輸入到CUVC控制板X103的23、24、25、26、28和PE端口，形成速度閉環(huán)控制。通過總線方式實現(xiàn)變頻器的遠程監(jiān)控，既彌補了變頻器點數(shù)少的不足，減少了模擬量模塊添置費用，并提高了轉速控制的穩(wěn)定性和精確性，在與變頻器通信中上位機也獲取了較多信息。

優(yōu)化改造后電動機速比可達1∶200，在0.3 Hz的低速下轉矩可實現(xiàn)200%的轉矩輸出，可有效避免由于轉矩波動而引起的機械損壞。負載擾動時，轉矩響應水平的提高使電動機速度變化幅度減至最小，電動機速度始終保持恒定，從而實現(xiàn)了道夫速度斜率任意調節(jié)，道夫工藝轉速任意可變的功能。

5 優(yōu)化改造效果分析

在通信聯(lián)網(wǎng)方式選擇上，目前市場上有選用CAN總線等通信網(wǎng)絡，雖然成本較低，但對環(huán)境有一定要求，抗干擾能力相對較弱，故障率較高。PROFIBUS-DP和工業(yè)以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡是一種中型通信網(wǎng)絡，結構簡單，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，比較適合中型自動生產線系統(tǒng)。性能完全滿足各項要求，性價比較高。對清梳聯(lián)棉紡企業(yè)的網(wǎng)絡化監(jiān)控和關鍵工藝改造，可根據(jù)企業(yè)自身實際情況進行，既可對單條生產線先行改造，逐步推進，也可同時進行全面升級改造。以浙江某企業(yè)為例，改造效果技術指標分析見表1。總體來說，企業(yè)網(wǎng)絡化監(jiān)控改造后可在4個方面得到明顯改善和提高［11］。

表1 系統(tǒng)改造前后技術指標Tab.1 Technical index system before and after modification

5.1 生產自動化

改變了清梳聯(lián)傳統(tǒng)的手工操作為主生產方式，生產設備操作以自動化為主，操作簡便，降低了勞動強度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，還可降低勞動力成本，可節(jié)省較多的勞動力資源配置。

5.2 維修簡便化

改造前設備故障率高，故障查找以人工為主，改造后故障率低，且故障查找利用監(jiān)控網(wǎng)絡的強大故障自診斷能力，故障查找時間可平均縮短70%左右，而且維修簡便，故障率降低30%，提高了生產效率。

5.3 節(jié)能降耗

梳棉工藝矢量變頻技術的應用有效解決了道夫在低速生頭、接頭時轉矩不足的難題。取消了電磁離合器等機械設備，簡化了機械結構，減少設備配置和維修費用。同時變頻調速本身具有較好的節(jié)能作用，變頻節(jié)能改造可使梳棉工序平均節(jié)省電能18%以上，節(jié)能降耗效果明顯。

5.4 監(jiān)控管理一體化

改造后系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求，方便調整各工藝參數(shù)，集監(jiān)控、控制、查詢、統(tǒng)計和工藝優(yōu)化為一體。實現(xiàn)生產管理資源共享，技術人員、調度、管理人員均可及時了解企業(yè)生產情況，合理作出科學管理決策，促進企業(yè)信息化水平提高。

6 結語

紡織行業(yè)作為我國傳統(tǒng)支柱行業(yè)，近年來企業(yè)內部實現(xiàn)生產自動化和管理網(wǎng)絡化已成為一種趨勢，與國際同行業(yè)相比，整體水平還有較大的差距。目前國內一些紡織機械制造廠家已將信息化系統(tǒng)引入清梳聯(lián)設備，取得較好的效果，但市場上仍存在不少傳統(tǒng)清梳聯(lián)企業(yè)，自動化程度低，通信聯(lián)網(wǎng)功能弱，若全部設備依賴更新，企業(yè)成本難以承受。本文提出了一種對傳統(tǒng)清梳聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)絡化監(jiān)控和關鍵工藝的改造方案，充分利用企業(yè)原有設備，將PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術應用到清梳聯(lián)的網(wǎng)絡化監(jiān)控中，實現(xiàn)了對設備現(xiàn)場分散控制和集中管理，大大提高了企業(yè)自動化水平，同時用變頻矢量調速技術對梳棉關鍵工藝加以改進，工藝水平進一步優(yōu)化，提高了企業(yè)生產效率和經(jīng)濟效益，可給傳統(tǒng)清梳聯(lián)企業(yè)自動化和信息化改造提供一定的指導作用。

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Design of blowing-carding unit networked monitoring and carding process optimization

XIE Shuiying1，CHEN Huaizhong1，2，ZHU Jinfang1
(1.College of Electrical and Electronics Engineering，Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing，Zhejiang 312000，China;2.Institute of Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China)

Blowing-carding system equipment is diverse，and some conventional equipment has low degree of automation，and relatively-lagged communication networking function.The carding doffer process has defects of backward transmission control technology and high failure rate.In view of the above，by using Siemens PLC as center controller and using PROFIBUS-DP industrial field bus as unit networked monitoring system，the functions of parameters modification，task assigning，dynamic display，data storage，fault analysis and so on are realized.At the same time，the techniques of carding doffer transmission are improved by vector inverter.The results show that the system can achieve the blowingcarding online monitoring and management，enhancing the level of production and management of enterprise automation，saving energy and reducing consumption.

blowing-carding;PROFIBUS-DP;networked monitoring;vector inverter

TD 74;TS 104.13

A

10.13475/j.fzxb.20140402406

2014－04－09

2014－12－29

浙江省教育廳科研計劃資助項目(FX2013238)

謝水英(1965—)，女，副教授。主要研究方向為自動化技術應用。E-mail:lbyzxsy@163.com。

book=85,ebook=85