PROFIBUS總線技術(shù)在針刺機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張鵬

摘 要：本文從技術(shù)角度探討了PROFIBUS總線技術(shù)在針刺機(jī)電氣控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景，論述其在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，介紹了相關(guān)電氣原理，指出該系統(tǒng)在控制中具有極大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：針刺機(jī);電氣控制;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TS183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）05-0060-04

Abstract： This paper discussed the application prospect of profi-bus technology in the field of acupuncture electromechanical control from the technical perspective， discussed its development direction in this field， introduced the electrical principle， and pointed out that the system has great advantages in the control.

Keywords： acupuncture machine;electrical control;design

眾所周知，PROFIBUS總線技術(shù)是西門子公司推出的一項(xiàng)電氣控制技術(shù)，簡(jiǎn)單來說就是通過一根PROFI-BUS總線把各個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）連接到控制器或控制系統(tǒng)，同時(shí)支持工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化以及驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。其是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線，各種自動(dòng)化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息。其在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)比較成熟，應(yīng)用的行業(yè)也比較廣泛。在非織造針刺機(jī)領(lǐng)域也有廣闊的使用前景。

針刺機(jī)是無紡布設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對(duì)整條無紡布針刺機(jī)生產(chǎn)線的產(chǎn)品影響較大。因此，要求針刺機(jī)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定、性能可靠、使用方便和自動(dòng)程度高。而一條針刺機(jī)生產(chǎn)線是由多臺(tái)針刺機(jī)和卷繞機(jī)組成的，控制要求更為復(fù)雜。本文以恒天重工股份有限公司新推出的四版針刺機(jī)生產(chǎn)線為例，探討PROFIBUS總線技術(shù)在針刺機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 機(jī)械概況

恒天重工股份有限公司是生產(chǎn)無紡布設(shè)備的大型國有企業(yè)，為了滿足市場(chǎng)對(duì)針刺機(jī)的需求，于近期推出了四板針刺機(jī)生產(chǎn)線。其流程如下：TW81A喂入機(jī)—ZW2301雙板預(yù)刺針刺機(jī)—ZW2361-370四板對(duì)刺針刺機(jī)—張力架—熱軋機(jī)—卷繞機(jī)[1-4]。此流程是專門為國內(nèi)高檔針刺布設(shè)計(jì)的生產(chǎn)流程。喂入機(jī)負(fù)責(zé)把原料喂入后道工序中，而預(yù)刺機(jī)和針刺機(jī)的作用是對(duì)上道工序傳送的原料進(jìn)行上下針刺，使原料達(dá)到一定的處理效果后，再經(jīng)過熱軋機(jī)熱軋，最后通過卷繞機(jī)卷繞成布后完成整個(gè)過程。各個(gè)單機(jī)之間各有一套進(jìn)出布裝置，分別由伺服電機(jī)控制。另外，針刺機(jī)本身包括剝面板、托棉板及機(jī)架，分別由不同的電機(jī)帶動(dòng)。針刺機(jī)的主傳動(dòng)由一臺(tái)大電機(jī)來帶動(dòng)曲軸，從而帶動(dòng)針梁上的針板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)需要，還配備了一套氣路和油路系統(tǒng)，都采用電氣控制。

2 控制要求

整個(gè)系統(tǒng)機(jī)械部分要求用伺服和變頻控制，傳動(dòng)精度要求高，并且能實(shí)現(xiàn)在線更改工藝參數(shù)功能，相配套的油路和氣路要求能控制油壓和氣壓，各個(gè)傳動(dòng)都要求有電氣控制點(diǎn)。從以上設(shè)備結(jié)構(gòu)來看，電氣控制輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)較多，僅需要單獨(dú)控制的電機(jī)就有56個(gè)，還有各個(gè)單機(jī)配置有兩個(gè)氣路和油路的電磁閥，還要求手動(dòng)和自動(dòng)控制。因此，控制動(dòng)作要求比較復(fù)雜。

3 控制組成

3.1 控制構(gòu)成

若采用傳統(tǒng)的按鈕和繼電器控制，整個(gè)系統(tǒng)的走線相當(dāng)煩瑣，也增加了日后維修的工作量。為此，筆者采用現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS通信技術(shù)來解決以上控制問題。PROFI-BUS控制系統(tǒng)框架如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)硬件

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS是適用于車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)層的通信系統(tǒng)，具有開放性，是國際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。PROFIBUS傳送速度可在9.6kbaud～12Mbaud選擇，且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。在PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線中，PROFIBUS-DP的使用最為廣泛。DP協(xié)議主要用于PLC與分布式I/O和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高速數(shù)據(jù)通信。與傳統(tǒng)的電器線路連接相比，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，首先減少很多現(xiàn)場(chǎng)走線，而且正常生產(chǎn)后維修工作量降低了。

整個(gè)控制系統(tǒng)采用了西門子S7-300系列CPU315作為主站，IM360擴(kuò)展模塊作為從站，進(jìn)出布輥采用S120系列伺服控制器，針刺機(jī)主電機(jī)變頻器使用MM440變頻器，整條線配有一臺(tái)MP377觸摸屏。另外，每臺(tái)針刺機(jī)的剝面板、托棉板及機(jī)架電機(jī)都配有單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)編碼器。

在整個(gè)系統(tǒng)中，MP377觸摸屏監(jiān)控和修改各個(gè)工藝參數(shù)，顯示各單元機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行報(bào)警。主站CPU的MPI編程口以太網(wǎng)與觸摸屏相連，實(shí)現(xiàn)了與觸摸屏的MPI協(xié)議通信，而主站的DP接口通過PROFIBUS電纜和接頭與MM440變頻器通信板及S120伺服控制器上的DP接口組成DP從站，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP通信。PROFIBUS接頭都有終端電阻，在網(wǎng)絡(luò)的終端站點(diǎn)，需要將終端電阻設(shè)置為“ON”位置;在網(wǎng)絡(luò)的中間站點(diǎn)，需要將終端電阻開關(guān)設(shè)置為“OFF”位置。每臺(tái)針刺機(jī)的剝面板、托棉板以及機(jī)架電機(jī)各配有單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)編碼器，其編碼器帶有PROFIBUS接口，便于實(shí)現(xiàn)和CPU的PROFIBUS通信連接。MM440變頻器參數(shù)調(diào)節(jié)如表1所示。

各個(gè)針刺機(jī)傳動(dòng)單元牽伸同步的控制，在進(jìn)布和出布傳動(dòng)中，其牽伸比的確定必須以這些傳動(dòng)電機(jī)的速度同步為基準(zhǔn)。通常有一個(gè)主令信號(hào)，同步控制的目的就是將這個(gè)信號(hào)按照牽伸比的要求分配到各個(gè)變頻器中去，保證各傳動(dòng)單元無論在加速、恒速或者減速過程中各牽伸單元之間的速度的比值是一個(gè)恒定值，即各單元的速度保持同步的比例性。

在軟件編譯中，S7-300CPU采用STEPS7-V5.4軟件，觸摸屏采用WCCFlexible軟件，伺服控制器采用STARER控制軟件。由于采用ROFIBUS通信控制，這三種軟件能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速通信，極大方便了軟件編程。其中，各單元電機(jī)的控制方式可以通過軟件編程在觸摸屏上。

3.3 控制使用

通過設(shè)置在觸摸屏的按鈕，可以很方便地對(duì)各個(gè)單機(jī)進(jìn)行調(diào)試和開停。由于采用了PROFIBUS通信控制，CPU可以通過通信指令從變頻器和伺服控制器以及機(jī)上電器元件讀取大量參數(shù)，包括各單元電機(jī)的速度。各種工藝參數(shù)經(jīng)過采集和處理再傳送給觸摸屏，從而為現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行設(shè)備工藝調(diào)試提供很大幫助。同時(shí)，借助PROFIBUS通信及強(qiáng)大的WCC編程軟件，可以把大量的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)信息顯示在觸摸屏上，方便管理人員進(jìn)行在線監(jiān)控。此外，還能提供故障信息畫面和歷史數(shù)據(jù)查找功能，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，屏上畫面會(huì)顯示故障原因，并提供幫助分析故障原因功能，提供了一個(gè)十分友好的畫面，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性。HMI顯示控制界面如圖2和圖3所示。

從圖2中可以看到，各個(gè)針板之間的格距要求可以通過面板設(shè)定來完成。這主要得益于各個(gè)針板的每個(gè)傳動(dòng)裝置都配備了具有通信功能的編碼器，可以把每塊針板活動(dòng)的距離精確及時(shí)地反映給CPU，再通過邏輯運(yùn)算計(jì)算出各個(gè)針板之間的距離，不需要像以前那樣通過機(jī)械人員測(cè)量各鋸片來得出各個(gè)針板的距離，而且可以在不停運(yùn)設(shè)備的情況下完成距離調(diào)整，這對(duì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備工藝調(diào)整是十分方便的，極大提高了生產(chǎn)效率。

從圖3中可以看到，各個(gè)傳動(dòng)之間線速度要求可以通過面板設(shè)定來完成。這主要是因?yàn)槊總€(gè)傳動(dòng)裝置都配備了帶有能同PROFIBUS總線進(jìn)行通信的變頻器和伺服控制器，可以把每個(gè)傳動(dòng)的數(shù)據(jù)通過PROFIBUS總線及時(shí)反映給CPU，再通過邏輯運(yùn)算計(jì)算出傳動(dòng)線速度比，并能在不停運(yùn)設(shè)備的情況下完成速度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整功能。

3.4 無紡針刺布工藝的使用

如若在生產(chǎn)過程中調(diào)整工藝參數(shù)，即可通過人機(jī)界面進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，在線更改生產(chǎn)流程，不需要復(fù)雜的手段，使得生產(chǎn)工藝更改方便快捷，極大減少了勞動(dòng)量。

各種工藝數(shù)據(jù)都可以儲(chǔ)存到CPU的數(shù)據(jù)庫中，便于工藝人員調(diào)取相關(guān)參數(shù)。通過對(duì)這些存儲(chǔ)工藝參數(shù)進(jìn)行總結(jié)、計(jì)算及分析，可以幫助工藝人員得出一套適合產(chǎn)品的工藝參數(shù)，從而有效解決工藝問題。

3.5 生產(chǎn)的管理

通過這套PROFIBUS生產(chǎn)系統(tǒng)，車間操作員工作站可以與車間辦公管理網(wǎng)連接，將車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)送到車間管理層。而車間管理層作為子網(wǎng)，再通過路由器連接到廠區(qū)骨干網(wǎng)，將車間數(shù)據(jù)集成到工廠高層，從而提高工廠信息化管理水平。

4 結(jié)語

通過使用S7-300PLC的MPI通信，S7-300PLC的PROFIBUS網(wǎng)和SIEMENS變頻器和伺服控制器及編碼器進(jìn)行通信，通過網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，布線簡(jiǎn)單，節(jié)省了安裝費(fèi)用，也減少了電器硬件現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量，從而降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的控制精度和運(yùn)行的可靠性。該控制系統(tǒng)投入生產(chǎn)后得到了用戶的一致好評(píng)。

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