基于CANopen總線(xiàn)的四變頻粗紗機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施耐德電氣（中國(guó)）有限公司工業(yè)事業(yè)部 唐海麗 張俊杰 張壘/文

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產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

基于CANopen總線(xiàn)的四變頻粗紗機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施耐德電氣（中國(guó)）有限公司工業(yè)事業(yè)部 唐海麗 張俊杰 張壘/文

本文介紹了由施耐德M241 PLC和ATV71變頻器構(gòu)成的四變頻粗紗機(jī)電控系統(tǒng)的架構(gòu)，闡述了PLC通過(guò)CANopen總線(xiàn)控制四臺(tái)變頻器同步的原理和具體實(shí)現(xiàn)，以及失電受控同步停車(chē)的實(shí)現(xiàn)方法。

四變頻粗紗機(jī)；CANopen總線(xiàn)；變頻器同步控制；失電受控停步停車(chē)

粗紗機(jī)是一種紡紗設(shè)備，主要由牽伸機(jī)構(gòu)、加捻機(jī)構(gòu)、卷繞成形機(jī)構(gòu)等組成。四變頻粗紗機(jī)是指牽伸機(jī)構(gòu)的羅拉、加捻機(jī)構(gòu)的錠翼、卷繞成形機(jī)構(gòu)的筒管和龍筋四根軸分別由電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)的新型粗紗機(jī)，并且四臺(tái)電機(jī)均由變頻器驅(qū)動(dòng)。單獨(dú)傳動(dòng)簡(jiǎn)化了設(shè)備的機(jī)械機(jī)構(gòu)，有利于提高運(yùn)行速度和生產(chǎn)效率，但是四臺(tái)電機(jī)必須嚴(yán)格同步才能保證連續(xù)紡紗和紗線(xiàn)質(zhì)量，尤其在機(jī)器啟動(dòng)加速和停止減速階段，對(duì)電機(jī)同步的要求更高于常速生產(chǎn)階段。

此外，機(jī)器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，若主電源的電網(wǎng)電壓不穩(wěn)或者意外切斷導(dǎo)致停車(chē)時(shí)，要求四臺(tái)電機(jī)在失電的狀態(tài)下仍然保持同步并且斜坡減速停止，避免斷紗或冒頭，電源恢復(fù)重啟機(jī)器時(shí)紡紗能夠繼續(xù)，同時(shí)避免瞬間停止的機(jī)械沖擊，這就是“失電受控同步停車(chē)”。

本文針對(duì)四變頻粗紗機(jī)設(shè)計(jì)了基于CANopen總線(xiàn)的電控系統(tǒng)方案，系統(tǒng)架構(gòu)為一臺(tái)施耐德M241 PLC通過(guò)CANopen總線(xiàn)控制四臺(tái)施耐德ATV71變頻器，主要依靠PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)四臺(tái)變頻器同步控制和失電受控同步停車(chē)，經(jīng)多個(gè)品種的紡紗測(cè)試和運(yùn)行斷電測(cè)試，紡紗效果和失電受控同步停車(chē)效果均滿(mǎn)足要求。

1 電控系統(tǒng)方案

本文方案的架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的控制器為施耐德M241 PLC，四臺(tái)電機(jī)的變頻器為施耐德ATV71變頻器，PLC通過(guò)CANoepn總線(xiàn)控制四臺(tái)變頻器。四臺(tái)電機(jī)軸均安裝了編碼器，編碼器信號(hào)反饋給ATV71變頻器的編碼器卡，變頻器設(shè)置為閉環(huán)控制模式。四臺(tái)變頻器采用共直流母線(xiàn)連接，通過(guò)整流橋直流供電。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1CANopen PDO簡(jiǎn)介

方案中PLC通過(guò)CANopen總線(xiàn)控制四臺(tái)變頻器，控制命令及數(shù)據(jù)采用CANopen協(xié)議的PDO傳輸。PDO即Process Data Object（過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象），用以傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者，數(shù)據(jù)傳送限制在1 到8個(gè)字節(jié)，通過(guò)映射將若干對(duì)象集成到一條消息幀的數(shù)據(jù)域內(nèi)，PDO支持“同步-非循環(huán)”、“同步-循環(huán)”、“異步-制造商特定事件”、“異步-設(shè)備子協(xié)議特定事件”等傳輸方式。本文方案中PDO傳輸方式為“異步-設(shè)備子協(xié)議特定事件”。

2.2變頻器同步控制的實(shí)現(xiàn)

首先要根據(jù)粗紗紡紗工藝計(jì)算各變頻器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，各軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法如下：

1）錠翼：錠翼轉(zhuǎn)速代表生產(chǎn)速度，為設(shè)定值，單位為r/ min；

2）羅拉：羅拉轉(zhuǎn)速可根據(jù)設(shè)定的捻度和錠翼轉(zhuǎn)速計(jì)算；

3）筒管：對(duì)于管導(dǎo)型卷繞的粗紗機(jī)，筒管的轉(zhuǎn)速等于錠翼轉(zhuǎn)速與卷繞速度之和，卷繞速度可根據(jù)當(dāng)前卷繞直徑和羅拉線(xiàn)速度計(jì)算；

4）龍筋：龍筋升降的線(xiàn)速度也可通過(guò)當(dāng)前卷繞直徑、粗紗號(hào)數(shù)、羅拉吐紗線(xiàn)速度等參數(shù)計(jì)算。通過(guò)龍筋電機(jī)編碼器獲得龍筋實(shí)時(shí)位置，按照設(shè)定的升降動(dòng)程和換向位置來(lái)確定龍筋電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

在上述計(jì)算中，當(dāng)前卷繞直徑相當(dāng)于當(dāng)前粗紗卷裝的直徑，無(wú)法測(cè)量，可以根據(jù)粗紗圓柱形卷繞工藝用計(jì)算的方式來(lái)獲得。

控制四臺(tái)電機(jī)同步時(shí)，為了簡(jiǎn)化程序，選擇錠翼作為主軸，其余三軸作為從軸，上述計(jì)算獲得的從軸的目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對(duì)主軸速度的跟隨比例，這樣，編程時(shí)只需對(duì)錠翼變頻器給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行處理，其余三臺(tái)變頻器給定轉(zhuǎn)速就是錠翼給定轉(zhuǎn)速乘以相應(yīng)的比例。

同步控制難度大的是機(jī)器啟動(dòng)加速、停車(chē)減速動(dòng)態(tài)過(guò)程中的同步控制，雖然變頻器內(nèi)部也有加速時(shí)間、減速時(shí)間參數(shù)，但單純依靠協(xié)調(diào)設(shè)定各變頻器加速時(shí)間、減速時(shí)間并不能實(shí)現(xiàn)真正同步，并且不同車(chē)速下加速時(shí)間、減速時(shí)間都需要重新調(diào)整。

本文所述方案，摒棄了變頻器內(nèi)部的加速時(shí)間、減速時(shí)間，將其設(shè)定為最小值，通過(guò)編程使PLC給變頻器的給定速度帶有加減速斜坡。以開(kāi)車(chē)啟動(dòng)為例，啟動(dòng)后，錠翼變頻器的給定速度在設(shè)定的“啟動(dòng)加速時(shí)間”內(nèi)由0線(xiàn)性增加到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，其余三臺(tái)變頻器按照比例跟隨錠翼變頻器，亦呈斜坡加速狀態(tài)。

圖2為通過(guò)SoMachine的Trace工具捕捉到的啟動(dòng)階段時(shí)各變頻器實(shí)際速度的變化曲線(xiàn)，四臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)速在設(shè)定的10s啟動(dòng)加速時(shí)間內(nèi)同步線(xiàn)性增加到各自的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。停車(chē)減速時(shí)同理，錠翼變頻器給定速度在設(shè)定的“停止減速時(shí)間”內(nèi)由當(dāng)前速度線(xiàn)性減小到0。

2.3失電受控同步停車(chē)的實(shí)現(xiàn)

本文方案中四臺(tái)變頻器采用共直流母線(xiàn)連接，并且通過(guò)整流橋直接直流供電，圖3為共直流母線(xiàn)連接示意圖，～380V即機(jī)器的進(jìn)線(xiàn)動(dòng)力電源，PLC M241配有UPS電源供電。

經(jīng)試驗(yàn)，不施加失電受控同步停車(chē)控制時(shí)，變頻器運(yùn)行狀態(tài)下，切斷動(dòng)力電源后，直流母線(xiàn)電壓快速下降，各變頻器處于失控狀態(tài)，因各自轉(zhuǎn)速、負(fù)載不同，無(wú)法同步停止，造成斷紗或冒頭。失電受控同步停車(chē)控制的關(guān)鍵是控制器PLC能夠獲知失電狀態(tài)并及時(shí)控制變頻器速度，本文方案的實(shí)現(xiàn)方法是PLC通過(guò)CANopen總線(xiàn)監(jiān)測(cè)變頻器的直流母線(xiàn)電壓，失電發(fā)生時(shí)，PLC監(jiān)測(cè)到直流母線(xiàn)電壓低于設(shè)定的閥值時(shí)，立即啟動(dòng)變頻器給定速度特殊控制程序，由專(zhuān)用功能塊FB_AtvDecCurve根據(jù)實(shí)時(shí)直流母線(xiàn)電壓計(jì)算出變頻器速度變化曲線(xiàn)，主動(dòng)調(diào)整變頻器轉(zhuǎn)速，使變頻器處于受控狀態(tài)。

圖4為FB_ AtvDecCurve功能塊，其輸入管腳i_wActSULN就是PLC監(jiān)測(cè)到的直流母線(xiàn)電壓實(shí)時(shí)值，該數(shù)值來(lái)源于ATV71變頻器的SULN參數(shù)，SULN為由直流母線(xiàn)電壓折算的電源電壓，輸出管腳q_iFreqRefFlyer就是經(jīng)過(guò)特殊處理后的錠翼變頻器給定速度。

圖5為錠翼轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，切斷動(dòng)力電源后，各變頻器的實(shí)際速度及SULN的變化曲線(xiàn)，失電后，直流母線(xiàn)電壓先小幅下降，隨即PLC啟動(dòng)特殊控制程序，控制變頻器給定速度，拉升直流母線(xiàn)電壓并使其維持在一定范圍，各變頻器速度按照PLC的給定的減速斜坡同步減小至0，總的停車(chē)時(shí)間在3.5s以上。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的方案基于CANopen總線(xiàn)，系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)潔，控制實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，通過(guò)PLC編程，對(duì)啟停階段變頻器給定速度進(jìn)行特殊處理，保證同步效果，針對(duì)失電受控同步停車(chē)，設(shè)計(jì)變頻器共直流母線(xiàn)連接，PLC通過(guò)CANopen實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線(xiàn)電壓，并根據(jù)其變化來(lái)控制變頻器轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)真正的受控停車(chē)，不僅停車(chē)時(shí)間滿(mǎn)足要求，而且變頻器斜坡減速停車(chē)避免了快速停止時(shí)的機(jī)械沖擊。

［1］ 劉裕 陳人哲.紡織機(jī)械設(shè)計(jì)原理 上冊(cè)［M］.北京：紡織工業(yè)出版社，1982.

［2］ Schneider Electric. Modicon M241 可編程控制器編程指南［M］. 2014.

［3］ 陳長(zhǎng)飛 楊煜普.基于變頻調(diào)速的粗紗機(jī)四電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2006，（5）