MD-11型毛巾印花機(jī)是毛巾織造行業(yè)的主要設(shè)備，由于采用了很多機(jī)械渦輪渦桿傳動(dòng)和落后的繼電器控制，致使整機(jī)噪聲大、效率低、機(jī)件損壞嚴(yán)重，且操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量差。現(xiàn)配合機(jī)械傳動(dòng)部分的改造，采用變頻器和PLC對其電氣部分進(jìn)行了全面改造，重新設(shè)計(jì)制作了電氣控制系統(tǒng)。

一、工藝要求及設(shè)計(jì)思路

    印花機(jī)的正常工藝流程共有6步，周而復(fù)始的循環(huán)，如圖1所示：

    其工作過程為：開始時(shí)印花網(wǎng)框上升，升到位后導(dǎo)帶帶動(dòng)毛巾前進(jìn)，到位后導(dǎo)帶再慢速運(yùn)行并定位停車，然后印花網(wǎng)框下降壓在毛巾上面，接著刮板帶著顏料正刮一次對毛巾印花，正刮到位后再反刮一次，如此完成一個(gè)印花周期6個(gè)工步的循環(huán)，再返回開始處進(jìn)入第二個(gè)周期的運(yùn)行。

    除了以上自動(dòng)運(yùn)行的流程外，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到為了調(diào)試及檢修的方便，還要系統(tǒng)能分別對每一工步單獨(dú)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)、單步和正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，或只運(yùn)行某幾步程序。綜合以上工藝流程要求和控制設(shè)想，我們對系統(tǒng)設(shè)計(jì)了調(diào)試、手動(dòng)、單步、周期及自動(dòng)等五種操作方式：

    1.調(diào)試：各工步都可單獨(dú)分別運(yùn)行，運(yùn)行到位后即停止;

    2.手動(dòng)：各工步都可單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)，按鈕釋放即停止運(yùn)行;

    3.單步：按下啟動(dòng)按鈕，運(yùn)行一個(gè)工步，到位即停。再按啟動(dòng)，則進(jìn)入下一工步運(yùn)行;

    4.周期：從初始位置開始，按啟動(dòng)按鈕，程序自動(dòng)完成一個(gè)周期的6步動(dòng)作后返回到第一步開始位置停止。

    5.自動(dòng)：按啟動(dòng)按鈕，程序完成一個(gè)周期的6步動(dòng)作后又接著從第一步開始運(yùn)行，自動(dòng)循環(huán)。在自動(dòng)方式下，中途若按下復(fù)位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運(yùn)行到第一步開始位置才停止;若按下停止按鈕，則運(yùn)行立即停止，此時(shí)若再按啟動(dòng)，系統(tǒng)即從該位置運(yùn)行到第一步開始處停止。

    整個(gè)印花機(jī)組采用三臺交流電機(jī)拖動(dòng)，其中網(wǎng)框電機(jī)M1為1.5KW，正轉(zhuǎn);導(dǎo)帶電機(jī)M2為3.5KW，需快、慢速運(yùn)行及正反轉(zhuǎn);刮板電機(jī)M3為2.5KW，正反轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)帶電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)工藝要求隨時(shí)調(diào)節(jié)，故考慮M2采用變頻器來拖動(dòng)。

    毛巾印花工序的濕度較大，同時(shí)為了保證印花機(jī)定位準(zhǔn)確，提高產(chǎn)品質(zhì)量，各工步到位檢測擬采用密封無觸點(diǎn)的傳感器。

二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    如圖2所示為PLC控制電路外部接線圖。

    為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制核心部分的PLC及變頻器均選用進(jìn)口器件。

    根據(jù)工藝流程和控制要求，系統(tǒng)中設(shè)有8個(gè)位置傳感器，15個(gè)按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)，1個(gè)變頻器故障信號，計(jì)24個(gè)輸入信號;輸出控制5 個(gè)接觸器和電磁閥、9個(gè)指示燈，控制變頻器4點(diǎn)，計(jì)數(shù)器1點(diǎn)，需19個(gè)輸出信號，共計(jì)43個(gè)I/O 點(diǎn)?？紤]預(yù)留部分余量，所以PLC采用富士的NB1—P56型。該機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是每一個(gè)I/O點(diǎn)都可由用戶程序任意設(shè)定，且I/O繼電器全部做成超小型可拔插的模塊型式，每一點(diǎn)都可根據(jù)需要拔插更換不同類型的I/O繼電器，維修簡單;同時(shí)該機(jī)型擴(kuò)展靈活，存貯器后備電池為可充電的鋰電池。

    為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，PLC的輸入繼電器我們選用無觸點(diǎn)的光電耦合輸入模塊，用以隔離現(xiàn)場干擾，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

    變頻器選用富士的FRN3.7G11S—4CX型。富士產(chǎn)品在國內(nèi)應(yīng)用很廣，2002年度的中國變頻器市場調(diào)查富士變頻器在國內(nèi)市場占有率排名　　第二，足見其影響之大。

   富士變頻器有如下特點(diǎn)：

    1.接線簡單，噪聲低，安裝使用維護(hù)方便。

    2.啟動(dòng)或制動(dòng)的轉(zhuǎn)速、時(shí)間、轉(zhuǎn)矩都可以人為設(shè)定，電機(jī)可在低速下以大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，加速或減速過程更平穩(wěn)迅速，沖擊小。

    3.可通過面板編程設(shè)定各種功能，來控制電機(jī)運(yùn)行。還可通過編程設(shè)置多步頻率，最多可達(dá)15步的不同頻率值，以適應(yīng)各種復(fù)雜的調(diào)速要求。

    4.完善的保護(hù)功能。變頻器運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、頻率、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)都可以在線監(jiān)視，若超過設(shè)定值就會自動(dòng)報(bào)警或保護(hù)停機(jī)。對地短路、過熱及內(nèi)部電路故障等也都會使保護(hù)功能動(dòng)作而強(qiáng)制性停機(jī)，有效的保護(hù)了電機(jī)和變頻器本身的安全。

    各工步到位傳感器采用NJK-5002螺栓型霍爾開關(guān)，其安裝調(diào)試簡單方便，靈敏度高。8個(gè)霍爾開關(guān)傳感器的直流電源取自PLC的+24V直流輸出。

    對系統(tǒng)五種操作方式的轉(zhuǎn)換我們采用的是5檔萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，這樣既減少了軟件程序編制的麻煩，又使得操作方式轉(zhuǎn)換更加直觀，穩(wěn)定可靠。

    為了便于統(tǒng)計(jì)毛巾產(chǎn)量，控制箱面板上還裝置了電子數(shù)顯式計(jì)數(shù)器，由反刮到位信號(也就是一周期第6個(gè)工步的結(jié)束信號，它表示印刷完一條毛巾)驅(qū)動(dòng)其計(jì)數(shù)。每班上班時(shí)先將其顯示數(shù)據(jù)復(fù)零，再開始統(tǒng)計(jì)本班產(chǎn)量。

    在控制箱面板上設(shè)置了各工步到位及電源、故障等相應(yīng)的指示燈，給值車工一個(gè)醒目的提示，以避免錯(cuò)誤操作。由于主要操作按鈕都在控制箱面板上，為方便使用，在機(jī)臺操作位置上還增設(shè)了啟動(dòng)和急停兩個(gè)按鈕。

    考慮到工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，干擾較大，我們對PLC 交流供電采用380/220V的隔離變壓器(變壓器級間屏蔽層接地)，對其進(jìn)行懸浮供電，以隔離由電網(wǎng)引入的干擾。

    在 PLC的每個(gè)輸出端都要并聯(lián)上RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，以吸收抑制接觸器、電磁閥等感性負(fù)載開斷時(shí)所產(chǎn)生的過電壓;線路敷設(shè)時(shí)，將PLC控制信號線與交流電源線分開布線，最大限度的降低靜電和電磁感應(yīng)干擾。從圖2中可見，我們把PLC的上部I/O端口000—01B分配為輸入端，把下部I/O端口01C—037 分配為輸出端，這樣做的好處是把輸入和輸出、強(qiáng)電和弱電明顯隔離分開，進(jìn)一步減小干擾，同時(shí)也避免了接線錯(cuò)誤。

    在控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分注意到變頻器的散熱問題，對此我們采取了如下措施：一是變頻器四周留有足夠的空間以利于散熱，同時(shí)因熱量向上散發(fā)，變頻器應(yīng)安裝在控制箱上部，且其上方不再安裝其它設(shè)備;二是由于變頻器運(yùn)行時(shí)，底部散熱板的溫度可達(dá)900C，所以要把變頻器安裝在耐高溫的金屬底版上;三是因考慮防塵問題，控制箱體需要密閉，如若周圍環(huán)境溫度較高，影響變頻器散熱的話，在控制箱體上還應(yīng)設(shè)置散熱風(fēng)扇。本系統(tǒng)控制箱由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元件排列時(shí)考慮了設(shè)備散熱的影響，所以未設(shè)置散熱風(fēng)扇。

三、軟件程序設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的主要控制功能都是由PLC來實(shí)現(xiàn)的，圖3為PLC主程序流程框圖，整個(gè)程序用富士PLC的梯形圖編制。系統(tǒng)中的5種操作方式由兩部分程序控制，其中的調(diào)試和手動(dòng)操作方式由手動(dòng)部分程序完成，單步、周期及自動(dòng)操作方式由自動(dòng)部分程序完成。

    系統(tǒng)上電后，程序進(jìn)行初始設(shè)置，移位寄存器清零，同時(shí)啟動(dòng)變頻器，然后根據(jù)選定的操作方式運(yùn)行程序。

    手動(dòng)部分程序較簡單，類似于繼電器控制方式，只是需要考慮好各動(dòng)作之間的聯(lián)鎖互鎖關(guān)系。

    自動(dòng)部分程序中采用移位寄存器輸出作為各工步程序的轉(zhuǎn)換信號，開機(jī)初始設(shè)置完成后，按下啟動(dòng)按鈕，移位寄存器被置1，運(yùn)行第一步程序。接著移位寄存器由啟動(dòng)按鈕信號或各工步到位傳感器信號驅(qū)動(dòng)移位。單步、周期、自動(dòng)這3種操作方式在程序流程中的區(qū)別是：單步操作時(shí)寄存器移位受啟動(dòng)按鈕信號控制，每按一次啟動(dòng)按鈕寄存器移位一步，運(yùn)行一步程序，到位即停止。若再按啟動(dòng)按鈕寄存器又移位運(yùn)行下一步程序;周期操作時(shí)寄存器的移位由各工步到位信號控制，每一工步到位寄存器就移位一步，并運(yùn)行下一步程序，第6步到位后寄存器清零并保持，系統(tǒng)在初始位置停止運(yùn)行，等待下一次操作;自動(dòng)操作時(shí)寄存器移位方式與周期操作時(shí)相同，只是第6步到位后寄存器清零的同時(shí)又置1，重新開始下一周期的移位及程序運(yùn)行。

    輔助部分程序主要有：根據(jù)工藝要求進(jìn)行刮板上跳控制、變頻器及PLC故障指示、各工步到位指示、各程序步指示以及系統(tǒng)工作計(jì)時(shí)器等。

    導(dǎo)帶電機(jī)(3.5KW)由變頻器拖動(dòng)，由于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不大，對變頻器的啟動(dòng)頻率和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)就按默認(rèn)設(shè)置。因印花機(jī)工藝對導(dǎo)帶電機(jī)調(diào)速要求不高，慢速只是為使毛巾準(zhǔn)確定位而已，所以變頻器就只設(shè)計(jì)了快、慢兩種速度，并通過對變頻器的多步頻率1和多步頻率2(即C05、C06)兩參數(shù)的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，具體設(shè)置C05為40HZ、C06為5HZ。導(dǎo)帶電機(jī)工作運(yùn)行時(shí)間較短(每一個(gè)循環(huán)周期中導(dǎo)帶快速運(yùn)行4—5秒，接著再慢速運(yùn)行1—2秒后停止)，因此變頻器的加速和減速時(shí)間也相應(yīng)的設(shè)得較短，設(shè)置加速時(shí)間為1秒, 減速時(shí)間為0.5秒, 在實(shí)際調(diào)試時(shí)再根據(jù)毛巾產(chǎn)品工藝要求作適當(dāng)調(diào)整，能準(zhǔn)確定位停車即可。

四、其它應(yīng)考慮的問題

    盡管系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取了多種措施，提高了容錯(cuò)能力，但有時(shí)變頻器和PLC發(fā)生故障也是在所難免的。我們除了設(shè)置使變頻器故障保護(hù)性停機(jī)外，還將變頻器故障和PLC故障信號引入到PLC初始設(shè)置程序中，若發(fā)生故障就立即停止所有輸出，避免故障范圍擴(kuò)大。

    值得注意的是，NJK-5002型霍爾開關(guān)內(nèi)部是晶體管輸出，輸出有NPN和PNP型兩種方式，也就是分為集電極輸出和發(fā)射極輸出，PLC的輸入光耦模塊也有正負(fù)極性之分，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要購買合適極性的霍爾開關(guān)，在現(xiàn)場連接時(shí)也應(yīng)注意正確接線，以避免帶來不必要的損失。還有PLC的+24V直流電源輸出容量有限，當(dāng)傳感器較多所用電流較大時(shí)應(yīng)考慮另設(shè)直流電源。

    由于PLC及傳感器的電源最終都取自于隔離變壓器，所以應(yīng)合理選擇其容量，避免超載運(yùn)行而影響系統(tǒng)的安全。

    PLC的運(yùn)行速度很快，其控制輸出的時(shí)間不超過1毫秒，而交流接觸器等電磁器件的反應(yīng)速度在10毫秒以上，所以在如電機(jī)正、反轉(zhuǎn)連鎖互鎖控制等場合應(yīng)充分注意到二者的速度差異所帶來的影響，避免因后者反映速度慢造成正、反轉(zhuǎn)接觸器同時(shí)吸合而產(chǎn)生電源短路的故障。解決的辦法一是除在PLC程序中設(shè)置互鎖外，還要利用接觸器的常閉觸點(diǎn)互鎖;二是在某些接觸器無常閉觸點(diǎn)的特殊場合，可考慮在PLC程序中正、反轉(zhuǎn)動(dòng)作切換之間設(shè)置0.5秒左右的延時(shí)，即正、反轉(zhuǎn)切換時(shí)要延時(shí)0.5秒再進(jìn)入反向運(yùn)行，確保轉(zhuǎn)換安全可靠。