基于PLC的多单元同步驱动系统的逻辑控制

摘 要 在工业生产（例如：轧钢、造纸、纺织、线材的拉拔等行业）上，多电机同步驱动控制系统具有广泛的应用，其同步效果直接影响产品的质量。本文主要针对直线式拉丝机的多电机同步驱动系统的逻辑控制进行研究。通过了解多单元同步控制系统的发展，在直线式拉丝机的实际生产工艺基础上，确定设计方案，即全数字式多单元同步控制。控制核心为可编程逻辑控制器（ PLC）和变频器。 PLC与变频器采用 RS-485通讯方式实现对多电机系统进行同步控制。 通过对生产过程的分析，将运行过程分为手动和自动两种运行状态，其中手动又分为单动和前联 两种运行状态。单动过程指在手动运行状态下，单个电机单独运行。前联过程指在手动运行状态下，本电机与前面电机一起同步运行并引入张力控制保持张力平衡。自动过程指在张力控制系统的控制下，各个电机同步运行并保持张力的平衡。同时，利用 PLC通过 RS-485与变频器实时通讯，监视并控制变频器，实现多电机的同步逻辑驱动。最后，对 PLC逻辑控制程序和 RS-485通信协议进行仿真调试，实现多电机的同步逻辑驱动。 关键词： 拉丝机；多电机；同步驱动； PLC； RS-485 Abstract In industrial production (such as: Rolling, paper, textiles, drawing, the wire, and other industries), the multi-synchronous motor-driven control system has a broad application, and its direct impact on the simultaneous effect of the quality of the product. In this paper, it researches the linear drawing of the multi-motor synchronous control systems. By understanding the development of the multi-unit synchronous control system, on the basis of the actual production process of the linear drawing machine, set the design plan, namely all-digital multi-unit synchronization control. Control of the core is programmable logic controller (PLC) and inverter. PLC and inverter use RS-485 communication means to carry out simultaneous multi-motor control. Based on the analysis of the production process, the process will run into both manual and automatic operation and manual operation is divided into single-action and the former running. The single-action process is that under the manual running, a single separate motor is running. The former running is that under the manual running, the motor and the front motor(s) are synchronously running with the tension control, keeping the tension balance. The automatic operation is that under the tension control system, various motors synchronously are running, and maintaining the balance of the tension. At the same time, using the real-time communications between PLC and inverter through RS-485 to surveillance and control inverter, realizes the logic simultaneous multi-motor-driven. Finally, debug the PLC logic control program and RS-485 communication protocol, to realize the logic simultaneous multi-motor-driven. Key words: Drawing Machine； multi-motor； synchronous drives； PLC； RS-485 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 课题的发展现状 . 1 1.2.1 模拟量多单元同步控制 . 1 1.2.2 数模结合型多单元同步控制 . 3 1.2.3 全数字式多单元同步控制 . 4 1.3 本论文的控制对象和控制任务 . 5 1.4 本论文的主要工作和创新 . 6 1.4.1 主要工作 . 6 1.4.2 主要创新 . 6 第 2 章 方案的比较和选择 . 7 2.1 传统的多单元同步驱动控制系统 . 7 2.2 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统 . 8 2.3 全数字式的多单元同步控制系统 . 9 2.4 设计方案的确定 . 9 第 3 章 系统的设计 . 11 3.1 直线式拉丝机转速同步原理 . 11 3.1.1 卷筒同步运行原理 . 11 3.1.2 确定合适的转速比 . 12 3.2 LZ-8/600 直线式拉丝机参数的确定 . 12 3.2.1 卷筒转速比的确定 . 13 3.2.2 总压缩比 的确定 . 15 3.2.3 钢丝所需拉拔力矩 . 15 3.2.4 电机输出力矩 . 16 3.2.5 卷筒输出力矩 . 16 3.3 系统模型的建立 . 17 3.4 器件的选择 . 17 3.4.1 可编程逻辑控制器（ PLC） . 18 3.4.2 变频器的选择 . 19 3.4.3 触摸屏的选择 . 19 第 4 章 系统的硬件设计 . 21 4.1 可编程逻辑控制器（ PLC） . 21 4.1.1 输入输出元件及分配 . 21 4.1.2 PLC 输入输出接线图 . 23 4.1.3 FX2N-4AD 模拟量输入模块 . 28 4.2 变频器 A540 . 30 4.3 RS-485 通信接口的设计 . 30 4.3.1 RS-485 标准接口简介 . 30 4.3.2 PLC 与变频器的连接 . 31 第 5 章 系统的软件设计 . 33 5.1 RS-485 通讯的设计 . 33 5.1.1 变频器的设置 . 33 5.1.2 通讯的数据格式 . 33 5.1.3 通讯数据定义 . 34 5.1.4 PLC 中特殊继电器和寄存器的设置 . 35 5.1.5 程序设计 . 36 5.2 FX-4AD 模拟量输入模块的设计 . 36 5.2.1 FX-4AD 缓冲寄存器（ BFM）的设计 . 36 5.2.2 FX-4AD 的基本应用程序 . 38 5.3 主控程序设计 . 38 5.3.1 程序运行逻辑简介 . 38 5.3.2 系统程序流程 . 39 5.3.3 PLC 逻辑控制程序 . 43 第 6 章 总 结 . 45 6.1 设计心得 . 45 6.2 前景展望 . 45 致 谢 . 47 参考文献 . 48 附 录 . 50 附录一、通讯数据的定义 . 50 附录二、通讯程序（以 1#变频器为例） . 56 附录三、主控制程序 . 59 1 绪论 本章主要针对多单元同步控制，叙述了课题的背景、课题的发展现状、控制对象与控制任务和本论文的主要工作与创新。其中在发展现状中讲述了三种不同的多单元控制系统。这三种不同的控制系统体现了多单元同步控制系 统三个发展阶段，即：模拟量多单元同步控制、数模结合型多单元同步控制、全数字式多单元同步控制。 1.1 课题背景 随着工业自动化程度的提高和生产规模的扩大，各种生产线、输送线的长度和输送功率不断增加 ,当输送线长度增加到一定程度时， 采用单电机驱动往往难以满足生产的要求，必须采用多电机同步驱动的方式。 组成多级同步驱动系统之后，从驱动电机之间的连接关系看可分两类 1:一类是各驱动电机依赖链接式进行物理连接， 由于各同步电机之间存在严重的耦合作用，可能导致该电机的转速偏离更加严重，最后造成整个传动系统不能正常工作 ， 许多工厂的生产线、装配线就属于这类；因此，多电机协调的研究具有非常重要的现实意义。本论文所研究的对象针对后一类控制系统，主要基于冷轧机、拉丝机等生产线。 1.2 课题的发展现状 目前，有 3种较为常见的多单元同步控制，可适应不同设备工艺条件和控制精度等要求，灵活应用 2。 3种多单元控制系统如下： 1.2.1 模拟量多单元同步控制 模拟式同步控制系统框图如图 1.2 所示 V m1V m0-1 0VR1Rp+ 10 VR2S1 图 1.1 张力反馈信号的获得 + 10 V+ 10 V -1 0VV F 0 M0V F 1 M1给定积分器PGP1S1张力传感器 1主机从机 1+ 10 V -1 0VV F 2 M2S2张力传感器 2从机 2+ 10 V -1 0VV F n MnSn张力传感器 n从机 n.P2Pn 图 1.2 模拟式同步控制器 电机 M0， M1， ， Mn分别由交流变频器 VF0， VF1， ， VFn为调速驱动 。 P 为主令电位器，输出公共的调节信号； P1， P2， ， Pn 为各从动单元分调电位器，以此实现各单元以一定的比例速度同步工作 (或补偿各单元机械传动比的差异 )，起基本同步作用； S1，S2， ， Sn为各单元间的张力调节电位器，由 S1， S2， ， Sn传出的信号即为同步调节信号，以此实现各单元速度失调的自动调整。 +_GS1 S111 0 K2 0 K2 0 K1 0 K至 V F 12 0 KDC1 0 K2 0 K2 0 K+_ 图 1.3 模拟同步控制器原理图 1.2.2 数模结合型多单元同步控制 两单元同步传动控制系统原理框图如图 1.4所示。 + 10 VP V F 0 M0 PG 0PG 1M1V F 1D /A同步控制器+ 图 1.4 数模结合型同步控制系统 系统 每个 单元 电机 机采用 的是 PG反馈控制，单 电 机 调速精度可显著提高。采用带 PG反馈的数模结合同步控制系统，其同步控制精度明显提高，且不受设备工艺的约束，可实现转速、转角和线速度同步控制，应用灵活 5。 1.2.3全数字式多单元同步控制 V F 0V F 1V F 2V F nPLC人机界面PG 0 PG 1 PG nM0M1M2Mn. . . . 图 1.5 全数字式同步控制系统 1.3 本论文的控制对象和控制任务 本论文所讨论的多单元同步驱动控制系统是目前技术最为先进的应用于直线式拉丝机的全数字式多单元同步驱动控制系统。与传统的拉丝机相比，直线式拉丝机采用的是交流异步电机，而传统竖筒式拉丝机所采用的是调速电机 (电磁转差离合器 )，前者比后者控制效果要高 ；且与 后者相比直线式拉丝机所拉成的钢丝在拉拔过程中不扭曲，使产品质量和钢丝内应力得到可靠保证 8。 直线式拉丝机生产工艺过程如图 1.6 所示。将整卷的钢丝开卷校直，经过 N 道卷筒拉 拔，靠各卷筒之间的张力辊控制张力和同步速偏差量。由于要将原料线材拉伸成所需的规格，钢丝成型需经过拉模，而各道拉模的出丝口径不同，造成相邻卷筒的转速各不相同，因此各道卷筒间的张力辊所承受的张力值也不相同。其生产流程如图 1.6 所示 : . . . . . . .张力辊卷筒 1 卷筒 2张力调节检测装置卷筒 n 图 1.6 直线式拉丝机的生产流程示意图 可见，想要将钢丝拉拔成一定的规格，必须严格控制各道电机的转速比，从 而由控制各道电机之间的转速差来控制对钢丝产生的拉力。而各道电机之间的转速的变化会引起相邻之间张力辊位置的变化。由此可知，张力辊的位置是相邻卷筒对钢丝拉力的标志。要获得较高的加工精度，就要求电气传动系统在高速运行时具有良好的张力控制和相应的比例同步转速协调控制性能。除应保证相邻卷筒之间的张力值恒定外，还要求驱动各道卷筒的电机在静态和动态过程中其转速必须保持精确的比例同步，以实现各道卷筒间出口的秒流量相等的控制原则，即式 (1-1)成立 : 11 . . . . . .i i n nS V S V S V （ 1-1） 其中 Si、 Yi分别是第 i 道卷筒出口处钢丝的截面积和线速度。上式在稳态过程中，只要调整好合理的比例同步系数，各道间的比例同步驱动是比较容易实现的。但在过渡过程中 (如启制动或受较大扰动后的恢复 )，式 (1-1)难以成立。因此必须利用张力调节，尽快地补偿偏差，使系统动态亦满足式 (1-1)，并在过渡过程中尽可能的减小各道张力的波动，实现快速恢复。 1.4 本论文的主要工作和创新 与前述分析的传统系统比较，进行了如下几方面工作和创新设计 : 1.4.1 主要工作 （ 1） 熟悉直线式拉丝机的生产工艺，建立基于张力恒定的多单元同步驱动控制系统模型； （ 2） 本系统利用可编程控制器完成系统的设计，通过变频器的 PU接口，将 PLC和变频器连接实现基于 RS-485的工业控制网络。由 PLC实现系统的控制算法和实时监控，由 PLC实现系统的启动、停止、稳态运行的控制和保护等逻辑控制任务； （ 3）利用实验室现有的设备，构造一个与生产现场类似的实验环境。其中的关键控制装置均采用实际系统中可直接使用的设备，如可编程控制器是 MITSUBISHI 的 FX2N，变频器是 MITSUBISHI 的 A540，采用 RS-485 通讯方式。监控及界面采用触摸屏是MITSUBISHI 的 A970GOT，采用 RS-422 通讯方式与 PLC 通讯。 1.4.2 主要创新 （ 1）利用光电传感器，采集现场张力变化信号，在加工对象的工艺参数或系统参数变化后，使各电机比例同步速按工艺要求实现自动调整，始终保证整个系统动态过程满足式 (1-1)的比例同步驱动； （ 2）采用 RS-485通讯方式，实现 PLC与变频器的实时通讯，通过变频器控制各个电机的运行。实现基于转速反馈控制的调速系统，各驱动单元的稳态无差和动 态快速响应； （ 3）利用触摸屏与 PLC 通信功能来实现系统的参数设定和系统的实时监控。 2 方案的比较和选择 本章主要针对直线式拉丝机，叙述了直线式拉丝机的三种多单元同步控制系统，即：传统的多单元同步驱动控制系统、 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统、 全数字式的多单元同步控制系统。然后，确定了本论文的设计方案，采用全数字式多单元同步控制系统。 2.1 传统的多单元同步驱动控制系统 在传统的多电机同步驱动系统中，各电机的速度调节器多采用比例积分 (PI)调 节器。其控制方案原理图如图 2.1 示： naaa1PIV F 1 V F 2PI PIVF VFPIM1 G1 M2 G2 M G M Gi i n ni n. . . . . . . . . . . .i n- 1 图 2.1 传统多电机同步控制结构 而且 PID控制器对非线性系统的控制性能较差，并且在系统参数或结构发生变化时，需要对 PID控制器参数重新调整。此外，如果生产工艺的要求变化，如被加工对象的材质或线经、规格变化，必须人工调整比例同步系数。因此，用传统的 PID方法进行控制的效果往往很不理想。 2.2 带张力补偿控制的多电机同步驱动系统 采用这种方式的多电机同步驱动系统的组成结构如图 2.2 所示。取张力辊的实际张力值与张力给定值的偏差经比例放大后作为前馈补偿调节信号，即前 N-1 道电机的控制是以比例同步速控制为主，张力补偿为辅的控制原则。如果需要调整工艺参数，则可以通过改变张力的设定值和前 N-1 道电机的同步比例系数实现。 一般取最后一台卷筒电机的转速为基准，前 N-1 道电机的转速按工艺要求以一定比例与其同步，比例同步转速由各电位器选择，在稳态时满足各道卷筒的出口的秒流量相等的原则。 卷筒 1 卷筒 2 卷筒 i 卷筒 nV VV F1 V VV F2 V VV Fi V VV Fnv+cc同步比例 1 同步比例 2 同步比例 iM1 M2 Mi Mn主给定张力信号张力信号张力信号 图 2.2 拉丝机比例值同步控制结构图 由图 2.2可知，采用带张力补偿的转速开环控制的多电机同步驱动系统，由于引入了张力信号，在动态性能方面有了较大提高。但由于采用的是转速开环控制，在系统稳态运行时存 在静态误差 :如果生产工艺参数变化后 (如钢丝直径改变 )，要求人工调整比例同步系数，系统自动化程度较低。 2.3 全数字式的多单元同步控制系统 目前较为先进的拉丝机的同步控制器大都采用单片机、 PLC 或者工控 PC 机来实现。全数字式同步控制系统框图如图 1.5 所示。人机界面 (或者监控计算机 )、变频器均通过RS-422 接口和 RS-485 接口与 PLC 的通信模块连接。由人机界面实现发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态的作用。数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器 PG，由 PG分别测量各单元的实际速度，送至 PLC 的高速脉冲 计数输入单元， PLC 将采集到的各单元实时转速与设定运行参数综合，按既定的同步控制策略进行运算和控制，得到各单元电机的运行速度设定值，再通过 RS-485 总线写入变频器执行。 2.4 设计方案的确定 通过对拉丝机的三种不同控制方式的的叙述，综合各个控制方式的特点，本次设计同样采用先进的全数字化控制方式，同时加以改创新。本设计采用触摸屏来实现发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态。通过参数的设定来实现 PLC 实时控制变频器和交流电机的运行。放弃了在 2.4 节中讲述的数字测速部件采用高分辨率的旋转编码器 PG，采用 光电位移传感器，通过张力辊的位移来调节张力的恒定。 第 3章 系统的设计 本章主要介绍直线式拉丝机的的同步原理，拉丝参数的计算，系统框图和器件的选择。 3.1 直线式拉丝机转速同步原理 3.1.1 卷筒同步运行原理 目前的直进式拉丝机并非是完全 “直进 ”的 ,它在每两卷筒之间 ,都设置有测速反馈装置 ,如图 3.1。 2834上输出17下65 图 3.1传感装置示意图 1. 拉丝模 2. 卷筒 3. 张力辊 4. 传感器 5. 气缸 6. 滑轮 7. 卷筒 8. 钢丝 钢丝由卷筒 2拉拔收卷 ,经张力辊 3搭在滑轮 6上 ,再经拉丝模 1进入下一卷筒 7拉拔。气缸5通过杠杆 ,使张力辊 3紧靠着钢丝。在此杠杆转轴上 ,则安装着角度传感器 4,该传感器随着转轴的旋转 ,改变转角从而改变其电气参数。 3.1.2 确定合适的转速比 在运行中 ,气缸 5 提供一个弹力 ,使钢丝保持一定的张力。张力辊由于气缸行程及钢 的位置 ,其可变行程 DT 极其有限 ,如图 3.2。 卷筒DT 图 3.2 张力辊活动示意图 要在有限的空间里 ,做出灵敏的反应 ,及时给出信号 ， 除了具备功能强大的驱动装置之外 ,相邻两卷筒保持相应的基 本转速非常重要。各卷筒均由各自的电机驱动 ,只有各卷筒具备相对匹配的基本转速 ,才能使转速变动的调节量尽量小 ,易实现拉丝机的联动。电机是通过减速箱带动卷筒的 ,各电机转速基本相同 ,各卷筒在联动拉丝时 ,转速并不相同 ,而保持着一定的比例。只有确定各卷筒与电机的转速比 i ,才能据此定出各减速箱有关机械 (齿轮、皮带轮等 ) 参数 ,其转速比为 : /Mi n n （ 3-1） 式 (3.1) 中 :nM电机转速 ,1500r/min； n卷筒转速 ,r/min。 3.2 LZ-8/600直线式拉丝机参数的确定 LZ-8/600直线式拉丝机设有 8个 600mm卷筒，分别由 8台电机驱动。各电机功率为45KW，转速为 1500r/min。电机均为三相交流电机，调速设备采用 MITSUBISHI的 A540型，该拉丝机成品卷筒（ 8#卷筒）额定输出线速度为 10m/s。其它数据参照表 3-1。 表 3-1 项目数据 项目 单位 型号 卷筒直径 mm 600 拉拔道次 time 8 材料抗拉强度 Mpa 1250 最大进线直径 mm 5.0-2.8 最小出线直径 mm 1.8-1.0 总压缩率 % 87 平均部分压缩率 % 22.51 拉拔速度 m/s 10 电机功率 kw 变频 45 3.2.1 卷筒转速比的确定 钢丝在拉拔时，其压缩比为： 201/u d d (3-2) 式（ 3-2）中： d拉拔后的钢丝直径； d0拉拔钢丝前钢丝直径。 钢丝在拉拔后，延伸系数 0/ll ，其中 l 、 0l 分别为拉拔前、后的钢丝长度。 忽略损耗，根据拉拔前后等体积原则，有： 20 /dd (3-3) 比较 (3-2)(3-3)两式，得： 11/ (3-4) 根据经验， LZ-8/600拉丝机各级拉拔压缩比确定为： 1 =20%， 2 =23%， 3 =26%，4 =25%， 5 =24%， 6 =22%， 7 =21%， 8 =20%。配模曲线概略 如图 3.3。 0 1 2 3 4 5 6 7 8192021222324252627 图 3.3 8/600拉丝配模曲线 将各压缩比值代入 (3-4)式，得 1 =1.25， 2 =1.3， 3 =1.35， 4 =1.33， 5 =1.32，6 =1.28， 7 =1.27， 8 =1.25。 各卷筒转速（当各卷筒直径相等时）应有： 2 2 1nn， 3 3 2nn， 4 4 3nn， 5 5 4nn， 6 6 5nn， 7 7 6nn， 8 8 7nn (3-5) 式（ 3-5）中， 1 2 3