梁文宏，李明鑒，高超佳

（1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710028；2.長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750001）

0 引 言

送料機(jī)構(gòu)、開(kāi)卷機(jī)構(gòu)是連續(xù)型自動(dòng)化設(shè)備常見(jiàn)的輔助設(shè)備之一，在軋鋼機(jī)、剪切機(jī)、卷曲機(jī)和分切機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。常見(jiàn)的送料機(jī)構(gòu)包括開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種模式：開(kāi)環(huán)送料機(jī)構(gòu)通常是電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定、送料的速度由上下兩個(gè)限位光點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制，上限位光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到料帶時(shí)，送料電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，下限位光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到料帶時(shí)，送料電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)[1-2]。閉環(huán)送料機(jī)構(gòu)通常送料電機(jī)由變頻器控制轉(zhuǎn)速，采用PID 算法，反饋檢測(cè)包括張力檢測(cè)[3]、線速度檢測(cè)[4]和卷徑檢測(cè)[5]三種主要方式，涉及壓力、速度、距離等不同的物理量。

針對(duì)送料電機(jī)的PID 閉環(huán)控制技術(shù)，傳統(tǒng)控制方案使用模擬量輸出功能的傳感器配合主控PLC 或變頻器實(shí)現(xiàn)其功能[6]，但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，中高頻干擾多，線槽走線時(shí)動(dòng)力線和控制線不好分離，因此傳感器輸出模擬量信號(hào)和變頻器速度輸入模擬量信號(hào)在傳送中存在擾動(dòng)問(wèn)題，嚴(yán)重影響了中高速PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

近年來(lái)，隨著通信數(shù)字和數(shù)字抗干擾技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)的使用推廣迅速，很多傳感器和工業(yè)設(shè)備具備了工業(yè)總線通信控制的能力，其中ModBus 通信、CANOpen 通信以及ProfiBus 通信使用較多。本文采用ModBus 通信方式完成傳感器采樣和變頻器PID 閉環(huán)控制的工作，性能良好[7]。

1 緩沖送料傳動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

本文涉及的緩沖送料系統(tǒng)是特大型變壓器橫剪線無(wú)地坑緩沖送料系統(tǒng)的一部分，包括換料機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)和送料機(jī)構(gòu)三個(gè)功能組件，其中送料系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)原理圖如圖1 所示。送料速度不大于100 m/min，片長(zhǎng)范圍為100～500 mm，料帶寬度為50～500 mm，料帶質(zhì)量為15～350 kg。采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，估算張緊系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)角加速度、摩擦系數(shù)等計(jì)算加速轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩，選擇電機(jī)后根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和技術(shù)指標(biāo)確定減速比，計(jì)算齒輪模數(shù)齒數(shù)、軸頸尺寸、軸承壽命等。

圖1 送料系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理圖Fig.1 Principle diagram of motion of feeding system

送料機(jī)構(gòu)：電機(jī)經(jīng)過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)，張緊機(jī)構(gòu)外套料卷，送料電機(jī)旋轉(zhuǎn)，料帶同步旋轉(zhuǎn)，送料機(jī)構(gòu)保證剪切時(shí)料帶能充分供應(yīng)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)選型

常見(jiàn)控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、PLC、工控機(jī)三種主要控制核心，綜合考慮適用性、經(jīng)濟(jì)性、抗干擾、維修保養(yǎng)方便和節(jié)能環(huán)保性等方面的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用PLC 作為控制核心設(shè)計(jì)送料電控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of design of control system

控制系統(tǒng)采用永宏FBS 系列PLC FBS-20MA 為控制核心，配備FBS-CB55 擴(kuò)展2 路RS 485 通信模塊，PLC編程口與維綸MT6071IE 觸摸屏通過(guò)RS 232 通信方式完成人機(jī)交互。送料系統(tǒng)采用安川E1000 系列變頻器控制普通三相異步電機(jī)，變頻器實(shí)現(xiàn)送料速度的無(wú)極調(diào)速，安川E1000 系列變頻器內(nèi)置ModBus 通信協(xié)議，與PLC 通過(guò)RS 485 總線連接，實(shí)現(xiàn)通信控制。配備一只超聲波測(cè)距傳感器，檢測(cè)鋼帶與傳感器安裝面之間的距離，檢測(cè)信號(hào)通過(guò)RS 485 總線連接，使用ModBus 通信模式輸入PLC 并完成閉環(huán)PID 控制?？刂葡到y(tǒng)主要器件型號(hào)如表1 所示。

表1 控制系統(tǒng)主要器件型號(hào)Table 1 Models of main devices in control system

PLC 閉環(huán)控制理論采用常規(guī)的PID 控制，控制框圖如圖3 所示，式（1）為傳遞函數(shù)，包括比例Kp、積分Ki和微分Kd三個(gè)參數(shù)[8]。

2.2 Modbus 通信

Modbus 協(xié)議是一種已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的通信協(xié)議。使用主從通信技術(shù)，由主控設(shè)備方（Master）主動(dòng)查詢(xún)和操作從設(shè)備（Slave）[9]。典型的主從設(shè)備包括工控機(jī)、工業(yè)控制器、PLC 可編程控制器等。Modbus通信物理接口多選用串口RS 485 或以太網(wǎng)口[10]。

永宏FBS 主機(jī)默認(rèn)的編程口為RS 232，但通過(guò)擴(kuò)展板FBS-CB55 在主機(jī)上很容易擴(kuò)展出2 個(gè)RS 485 通信端口，分別對(duì)應(yīng)Port1 和Port2 兩個(gè)通信口。本次設(shè)計(jì)的PLC 作為主控設(shè)備，使用PLC 專(zhuān)用編程軟件WinProLadder 進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，在PLC-設(shè)定中選擇對(duì)應(yīng)的通信口，彈出通信口設(shè)定對(duì)話框，依次選擇波特率、資料位數(shù)、停止位數(shù)和同位檢查，具體設(shè)定參數(shù)如表2 所示。

除PLC 的設(shè)定外，安川變頻器也要設(shè)定與PLC 相應(yīng)的通信參數(shù)，包括站號(hào)（從站）、波特率和校驗(yàn)位，另外必須將頻率給定控制對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定為通信給定，具體參數(shù)設(shè)定內(nèi)容如表3 所示，其余變頻器參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)用途進(jìn)行規(guī)劃。

完成變頻器和PLC 的設(shè)定后進(jìn)行程序的編寫(xiě)，永宏P(guān)LC 提供了人性化的編程方案，首先在專(zhuān)案中增加Modbus 表格，表格名稱(chēng)任取，表格起始地址一般放到R5000 寄存器之后，不能和其他表格地址沖突，其次直接確定需要讀取或?qū)懭氲膯卧刂贰D4 所示為PLC從變頻器讀取數(shù)據(jù)，變頻器站號(hào)4，讀取從0024H～0027H 單元的4 個(gè)數(shù)據(jù)，放入PLC 寄存器D40～D42 單元中，數(shù)據(jù)起始位置的特點(diǎn)是要將變頻器的16 進(jìn)制單元地址轉(zhuǎn)化為10 進(jìn)制地址，同時(shí)地址數(shù)加1，如16 進(jìn)制0024H 轉(zhuǎn)化為10 進(jìn)制為36，再加1 為37，所以仆站數(shù)據(jù)起始地址為0037。

圖4 PLC 向變頻器寫(xiě)入數(shù)據(jù)設(shè)定圖Fig.4 Diagram of setting of read-in data to inverter by PLC

圖5 所示為PLC 向變頻器寫(xiě)入頻率的設(shè)定，4 為變頻器的站號(hào)，寫(xiě)入1 個(gè)字，將PLC 的寄存器D0 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入變頻器0002 單元，此時(shí)注意仆站數(shù)據(jù)起始左側(cè)要填入數(shù)40 表明寫(xiě)入的是字型數(shù)據(jù)。

通信程序如圖6 所示，編寫(xiě)好通信表格后，只需在PLC 程序中增加150 號(hào)指令就可以完成通信功能，其通信功能相對(duì)獨(dú)立，不影響其他任何處理程序。

2.3 通信故障及解決

通信設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中一樣會(huì)遇到干擾問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)廠區(qū)高壓電干擾、動(dòng)力線纜干擾、環(huán)境腐蝕、雷擊、瞬時(shí)斷電等各種問(wèn)題。

圖5 PLC 讀取安川變頻器數(shù)據(jù)設(shè)定圖Fig.5 Diagram of setting of reading data of Yaskawa frequency inverter by PLC

圖6 PLC 通信程序Fig.6 Communication program of PLC

為保證通信質(zhì)量，應(yīng)做好以下防護(hù)和措施：通信電纜選擇質(zhì)量較好的雙絞屏蔽線，且連接中不要有拼接；電纜盡量不要和動(dòng)力線布置在一個(gè)線槽或地溝中，不要直接鋪設(shè)在地溝底部以防止電纜在地溝內(nèi)泡水及低溫凍裂；PLC 和變頻器都自帶終端電阻，在使用串接方式連接通信線時(shí)，只在通信線首尾節(jié)點(diǎn)連接終端電阻；PLC 和變頻器良好接地能有效減少通信干擾；最后，供電電源應(yīng)具備穩(wěn)壓裝置和防雷擊設(shè)備，否則有可能出現(xiàn)損壞通信設(shè)備的問(wèn)題。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)特大型變壓器剪切線采用的無(wú)地坑緩沖送料系統(tǒng)，提出一種數(shù)字化解決方案，即PLC 采用ModBus 通信方式從傳感器讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID 閉環(huán)控制后又通過(guò)ModBus 通信方式控制變頻器的頻率，調(diào)節(jié)送料電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到實(shí)時(shí)和精確調(diào)整的目的。

數(shù)字化ModBus 通信的使用解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：解決了原來(lái)PID 中模擬量傳輸干擾和零漂大的問(wèn)題；通信模塊替代了A/D，D/A 模塊，送料電機(jī)的電流、頻率、功率都得到了監(jiān)控，系統(tǒng)性?xún)r(jià)比有明顯提升；機(jī)柜內(nèi)部和現(xiàn)場(chǎng)的配線、施工工作量有明顯減小。