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一、 引言
隨著電力電子技術和控制技術的飛速發展，交流調速性能的持續不斷的改進已經使之可以與直流調速相媲美，由于交流調速較直流調速維護簡單、成本低廉，因此變頻器調速技術已逐步替代直流調速廣泛應用于機械、冶金、化工等各個領域。本文將介紹艾默生公司EV1000變頻器在彈力絲機控制系統中的應用并著重介紹該系列變頻器在閉環控制上的實現。該系統是根據化纖行業彈力絲機的工藝要求，采用PLC和數臺艾默生公司生產的EV1000變頻器組成RS485通訊網絡，實現多個變頻器的閉環控制和PLC集中監控。
二、 彈力絲機工藝要求和工作原理
彈力絲機的彈力絲機傳動結構如圖1，該系統左右完全對稱共有七臺變頻器，每個羅拉、黑輥均由一臺變頻器拖動，假捻器由一臺變頻器拖動。其主要工作過程為：絲從紗錠經一羅拉牽引，經上溫箱加熱后，再由二羅拉牽引經假捻后通過下溫箱定型，最后由黑輥牽引經油箱并最后卷繞到紗筒上。工藝上設定二羅拉的線速度為基準速度，并按一定的牽伸比設定給一羅拉、黑輥、假捻器。因為牽伸比的不同使得一羅拉和二羅拉，二羅拉和黑輥之間存在著彈力。該系統線速度控制要求高，僅靠開環控制不能達到控制要求，因此需要采用變頻器的PI閉環控制功能。
圖1 彈力絲機傳動示意圖
圖2 彈力絲機控制系統結構圖
我們根據該設備工藝要求組成如圖2所示的傳動控制系統，可編程控制器通過RS485轉換器與EV1000自帶的RS485接口組成通訊鏈路，文本顯示器通過RS232和PLC連接。
在系統設計中，可編程控制器為整個系統的核心，執行各種系統操作及計算。文本顯示器為整個系統的操作設置顯示單元。在文本顯示器上可以實現整個系統的控制，如變頻器的啟動、停止，工藝參數的設定。并且可以實時監控全機的工作運行狀態、動作過程及全機的故障查詢等。系統中有關的參數設定和各種操作都通過文本顯示器實現人機對話和操作。
在變頻器設計方面，EV1000系列變頻器自帶RS485接口的通訊單元，符合RS485通訊規范，用于實現PLC與多臺變頻器的聯網。根據一定的通訊協議，我們可以通過RS485網絡輕松實現對變頻器的運行控制。由于RS485通訊鏈路傳輸距離遠、配線簡單、抗干擾能力強、可靠性高，因此在設計中，我們省略了變頻器的外部起停控制線路，對變頻器的所有控制都通過RS485通訊鏈路來完成。
在轉速控制方面，我們利用EV1000系列變頻器的閉環控制功能，用霍爾傳感器測量電機的實際轉速并反饋給變頻器，這樣就組成了速度閉環。EV1000系列變頻器內置的PI閉環控制的動態響應好、控制精度高、使用簡單靈活。現場試驗表明，采用這個方案可以使電機的轉速穩定在1轉范圍內，能有效防止因負載的變化而引起的電機轉速的變化，滿足了彈力絲機的控制要求。對于單回路PI控制對象而言，EV1000優異的控制性能是采用PLC程序控制來完成回路調節所無法比擬的。
四、 PLC與EV1000系列變頻器的通訊
1．通訊鏈路的構成
如圖3所示，在系統中，主機PLC和EV1000系列變頻器RS485總線構成一個通訊鏈路，在協議層次采用廣播式主—從協議，所有的通訊發起都從主站開始，從站響應主站的各項通訊指令。
圖3 EV1000 RS485網絡通訊示意圖
2．通訊協議簡述
在網絡中，PLC為主站，EV1000變頻器分別設定為地址互不相同的從站，設定范圍為1—31，這樣各站點由唯一的標志碼識別。EV1000變頻器采用主機“輪詢”，從機“應答”方式。其通信方式為RS-485；數據格式為1位起始位、8位數據位、1位停止位、無校驗；波特率為9.6Kbps。變頻器接收控制的通訊協議如下：
格式解釋：
1）幀頭： 7EH “ ~ ”
2）從機地址 ： 1 ~126 7FH 127號地址為廣播通信地址
3)主機命令/從機響應： 主機發送的命令從機對命令的應答
4）索引區：
數據含義包括輔助索引字節和命令索引字節
對于主機輔助索引預留命令索引用于配合主機命令實現具體功能
對于從機輔助索引用于從機上報故障狀態碼命令索引不作改動直接上報
5）設定數據據/運行數據：
數據含義配合具體的命令響應碼提供主機設定或從機響應數據
6）校驗和：
計算方法從“從機地址”到“運行數據”已經轉換為ASCII碼的全部字節連續累加和。
7）幀尾 ：0DH
3．系統的通訊實現方法概述
根據彈力絲機的功能要求，本系統主要使用以下通訊指令：
● 從機開機
● 從機停機
● 速度閉環給定
● 無單位顯示量
其中需要注意的是從機的地址及相應的校驗和。速度閉環給定指的就是工藝更改時，我們根據基準速度和各軸的牽伸比算出各軸的目標轉速并發給相應的變頻器。無單位顯示量指的是讀相應地址變頻器的實際反饋轉速。
設計中需用到具體操作命令的通訊協議如下表：
五、 控制系統中變頻器參數的設定
變頻器的參數設定是系統實現中的一個重要環節，本文針對與本系統重要相關的參數作一個簡介。下表給出了這些參數的工作特性：
需要注意的是：對于速度閉環參數P（比例）、I（積分時間）、T（采樣周期）及偏差極限的設定需要在實際的現場中調整。
六、 實際應用效果
通過用戶一年多的長期使用表明，彈力絲生產線上采用EV1000變頻器加轉速傳感器構成轉速閉環控制并通過RS485通訊介質構成一個由PLC和多個變頻器組成的通訊鏈路來實現彈力絲生產線控制是一種十分經濟、可靠和理想的控制方案，該技術有許多值得借鑒的優點：
1） 采用通訊控制變頻器，具有硬件結構簡單，抗干擾能力強的特點。
2） 采用變頻器自帶的閉環PI調節功能，減少了系統的硬件成本及編程量。而且動態響應快，轉速控制精度高，可以控制速度在±1轉/分左右，完全滿足工藝控制要求，使產品質量明顯提高。
3） 操作簡單，速度的設定調整只需在文本顯示器上設置基準速度和牽伸比即可，系統的開機、關機也只需按文本顯示器上相應的按鈕即可。
4） 實時監控性能高，可以在文本顯示器上清楚地看到實時的各軸速度及各種報警事件。使用戶能夠快速、及時地掌握系統設備的運行狀態。
總之將此技術運用到彈力絲控制系統上，可以使整個系統精度高、響應快，故障很少且易于排除，產品質量也有了顯著提高，得到用戶的好評，應用效果十分明顯。
作者信息：
蘇州創捷工業控制技術有限公司 耿敬宏
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號