電纜設(shè)備中速度控制在排線系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙尹

(江蘇舒欣揚(yáng)電工設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210012)

1 收排線架的收線與排線的速度控制

收排線架是電纜擠塑生產(chǎn)線中旋轉(zhuǎn)線盤收卷線纜的設(shè)備。本次工序中生產(chǎn)出的線纜需有序的繞卷在線盤上從而達(dá)到其能夠存放運(yùn)輸?shù)哪康?。由牽引機(jī)牽引的電纜經(jīng)過(guò)擠塑機(jī)擠出的絕緣包覆膠層包裹并冷卻后需立即收卷在線盤上，這就需要收排線架的收線速度與牽引機(jī)速度保持同步，若前者速度過(guò)大，線纜被拉伸得太緊，會(huì)造成加工材料的變形，若速度過(guò)小，會(huì)使線纜松垮落地，影響加工質(zhì)量。除了需要收排線架的收線速度跟隨牽引速度，還需要收排線架的排線速度跟隨其收線速度以保證線纜能一層層有序排放在線盤上。

收排線架收線速度可采用恒張力控制，通過(guò)張力限幅實(shí)現(xiàn)速度的同步，也可加裝舞蹈器，通過(guò)舞蹈器反饋信號(hào)調(diào)節(jié)收線速度。而排線速度的計(jì)算需要的條件為線纜的直徑和收線的實(shí)際轉(zhuǎn)速，線纜直徑可在人機(jī)界面上根據(jù)實(shí)際線纜尺寸由手動(dòng)輸入，而獲得收線速度的傳統(tǒng)方法是利用收線電機(jī)調(diào)速裝置的電壓反饋信號(hào)來(lái)運(yùn)算，其缺點(diǎn)是調(diào)速裝置本身的信號(hào)誤差或機(jī)械振動(dòng)會(huì)造成電壓反饋出現(xiàn)相應(yīng)的誤差。若收線速度是由旋轉(zhuǎn)主軸上安裝的編碼器輸入的脈沖計(jì)算得到，則外部干擾影響減小，數(shù)據(jù)會(huì)準(zhǔn)確得多。傳統(tǒng)換向是利用裝在收排線架兩側(cè)的限位開(kāi)關(guān)，其缺點(diǎn)是換向過(guò)程迅速導(dǎo)致線盤兩側(cè)的電纜排放凌亂。要保證排線換向時(shí)電纜能平整的過(guò)渡（由下一層到上一層排放），需在換向時(shí)刻排線停止行走，待收線轉(zhuǎn)過(guò)四分之一圈后排線才開(kāi)始反向行走。手動(dòng)輸入左右極限位置，由行走輪主軸上安裝的編碼器得到排線位置，當(dāng)顯示的排線實(shí)時(shí)位置到達(dá)其中一個(gè)極限位置后換向，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向的過(guò)程，而這又是傳統(tǒng)運(yùn)用限位開(kāi)關(guān)換向所無(wú)法達(dá)到的。

2 收排線的速度運(yùn)算

需要的收線實(shí)時(shí)速度單位為r/min，即每分鐘線盤主軸旋轉(zhuǎn)的圈速?？赏ㄟ^(guò)記錄每分鐘編碼器的脈沖數(shù)運(yùn)算得到。若選用1 024脈沖的增量式編碼器，即旋轉(zhuǎn)一圈為1 024個(gè)脈沖，通過(guò)定時(shí)中斷程序每一秒記錄的脈沖數(shù)通過(guò)運(yùn)算：每秒脈沖數(shù)×60÷1 024=每分鐘轉(zhuǎn)速。

收線轉(zhuǎn)速與線徑可以計(jì)算排線需要的速度：排線速度給定（0-32000）=收線轉(zhuǎn)速×線徑×減速比×32000÷行走輪直徑÷3.14÷排線電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

2.1 編寫(xiě)程序

本文討論設(shè)計(jì)思路，可在多種品牌PLC中編程實(shí)現(xiàn)。在此以西門子S7-200PLC為例，在V4.0 STEP 7 Micro WIN SP9編程軟件中編寫(xiě)程序。

（1）初始化定時(shí)中斷的時(shí)間，記錄收線脈沖數(shù)

程序編寫(xiě)思路：初始化子程序中定義定時(shí)中斷時(shí)間為250 ms，即每250 ms執(zhí)行一次中斷程序，中斷程序中設(shè)置高速計(jì)數(shù)器0的模式為增計(jì)數(shù)，以西門子200系 列PLC，型 號(hào)CPU224XP為例，I0.0接 主軸編碼器輸入A相，每執(zhí)行一次程序從零開(kāi)始變量VW120加1，直至VW120為4時(shí)記錄下當(dāng)前脈沖數(shù)后，初始化高速計(jì)數(shù)器0并把脈沖數(shù)清零，達(dá)到每一秒都能實(shí)時(shí)記錄脈沖數(shù)的目的。如圖1所示。

（2）計(jì)算收線的實(shí)際轉(zhuǎn)速

程序編寫(xiě)思路：利用WXOR_DW指令清零AC0，運(yùn)用DIV_R除法指令，MUL_R乘法指令，MOV_R傳輸指令按公式：每秒脈沖數(shù)×60÷1 024=每分鐘轉(zhuǎn)速 編寫(xiě)程序得到實(shí)際轉(zhuǎn)速，可顯示于人機(jī)畫(huà)面中，用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的記錄。如圖2所示。

圖2 收線速度計(jì)算程序

（3）計(jì)算排線速度給定

程序編寫(xiě)思路：按照公式排線速度給定（0-32 000）=收線轉(zhuǎn)速×線徑×減速比×32 000÷行走輪直徑÷3.14÷排線電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。如圖3，圖4所示。

圖3 排線速度計(jì)算主程序

圖4 排線速度計(jì)算子程序

3 排線位置的顯示與自動(dòng)換向的控制

要求實(shí)現(xiàn)收排線架運(yùn)動(dòng)到左右極限位置時(shí)能夠自動(dòng)換向，必須要獲得排線實(shí)時(shí)的位置，再與設(shè)定的左右極限位置比較，小于左極限需要停止左移并自動(dòng)開(kāi)始右移，相反大于右極限需要停止右移并自動(dòng)開(kāi)始左移。在能夠自動(dòng)換向的基礎(chǔ)上還需要實(shí)現(xiàn)在換向位置上有個(gè)伴隨收線旋轉(zhuǎn)半圈的停止過(guò)程，這就需要在采集排線位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要采集在換向時(shí)刻的收線圈數(shù)，兩者配合才能完成這一復(fù)雜的動(dòng)作流程。

3.1 編寫(xiě)程序

（1）初始化排線位置的高速計(jì)數(shù)器，計(jì)算排線實(shí)時(shí)位置

程序編寫(xiě)思路：運(yùn)用指令向?qū)Фx高速計(jì)數(shù)器1的模式為A/B相正交計(jì)數(shù)器，輸入點(diǎn)為I0.6,I0.7，為保證設(shè)備重新上電后原排線位置的顯示與運(yùn)算，需在初始化高速計(jì)數(shù)器1時(shí)將原排線位置脈沖數(shù)輸入到高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值里。通過(guò)公式：排線位置=行走輪徑×排線編碼器脈沖數(shù)×3.14÷1 024 得到排線的實(shí)時(shí)位置。如圖5，圖6所示。

圖5 高速計(jì)數(shù)器1初始化程序

圖6 排線實(shí)時(shí)位置計(jì)算程序

（2）定義排線換向及停止時(shí)刻

程序編寫(xiě)思路：收線啟動(dòng)后，隨即默認(rèn)右移啟動(dòng)，在排線實(shí)際位置到達(dá)右極限后排線停止，并初始化高速計(jì)數(shù)器3，模式為增計(jì)數(shù)，輸入點(diǎn)為I0.1，即主軸編碼器B相輸入，預(yù)設(shè)值設(shè)為256。初始化完成后即開(kāi)始記錄主軸編碼器脈沖數(shù)，待脈沖數(shù)為256，即收線轉(zhuǎn)過(guò)四分之一圈，當(dāng)前值等于預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)32號(hào)（HSC3 CV=PV）中斷子程序。子程序中停止高速計(jì)數(shù)器3計(jì)數(shù)功能并啟動(dòng)排線左移，待排線位置達(dá)到左極限后重復(fù)上述流程，則完美實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止換向功能。如圖7，圖8，圖9所示。

圖7 換向停止程序

圖8 HSC3中斷子程序

4 排線信號(hào)的通訊輸出

通過(guò)編寫(xiě)程序已經(jīng)將需要的信號(hào)得到，啟動(dòng)信號(hào)為數(shù)字量，速度給定信號(hào)為模擬量。傳統(tǒng)方法是配西門子模擬量輸出模塊，但此方法不但增加了制造成本，線路還相對(duì)較繁瑣。

因此PLC與變頻器之間的通訊連接越來(lái)越多的被使用。Modbus 協(xié)議是美國(guó)Modicon公司發(fā)明的一種基于設(shè)備之間通訊的協(xié)議。Modbus協(xié)議將通信參與者規(guī)定為“主站”(MASTER)和“從站”(SLAVE)，主站可向從站發(fā)送通信請(qǐng)求，每個(gè)從站都有自己的地址編號(hào)，數(shù)量最多可達(dá)247個(gè)。它通過(guò)多達(dá)24種的總線命令實(shí)現(xiàn)主站和從站之間的信息交換，具有簡(jiǎn)單、高效、可靠、和容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。從功能上看，它可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備控制器通過(guò)Modbus協(xié)議方式可以相互連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的集中監(jiān)控，因而得到了廣泛的應(yīng)用。Modbus協(xié)議有 ASCII和 RTU (遠(yuǎn)程終端單元)兩種傳輸方式，約95%的Modbus總線采用RTU方式。眾多品牌的變頻器都支持Modbus RTU傳輸方式。Modbus 協(xié)議是一個(gè)完全開(kāi)放的主從式異步串行通訊協(xié)議，主站和從站之間允許多點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)主站對(duì)一個(gè)或多個(gè)從站的通訊。主站對(duì)從站的訪問(wèn)方式有兩種：查詢方式：主站對(duì)一個(gè)從站進(jìn)行對(duì)話并等待其應(yīng)答.廣播方式：主站對(duì)所有從站進(jìn)行對(duì)話 (不等待應(yīng)答)。

在此以西門子V20系列變頻器為例，運(yùn)用PLC與變頻器的Modbus RTU通訊傳輸信號(hào)。PLC為主站，變頻器為從站。

圖9 排線左右啟動(dòng)使能程序

4.1 編寫(xiě)程序

（1）初始化Modbus通訊，設(shè)置通訊參數(shù)，通訊地址及通訊變量程序編寫(xiě)思路：設(shè)置波特率為19 200，奇偶校驗(yàn)為偶校驗(yàn)，超時(shí)時(shí)間為1 000 ms，變頻器地址為1。根據(jù)設(shè)備廠商提供的V20變頻器通訊參數(shù)說(shuō)明書(shū)，參數(shù)如下：正向啟動(dòng)：16#047F 反向啟動(dòng)：16#0C7F 停止：16#047E 如圖10所示。

圖10 Modbus RTU通訊程序

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用編碼器高速計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)了收排線的速度控制及自動(dòng)換向功能，其取代了傳統(tǒng)運(yùn)用收線調(diào)速裝置的電壓反饋計(jì)算排線速度，利用限位開(kāi)關(guān)換向的方式。這種控制方式增加了排線精度，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證達(dá)到了良好的效果。