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    摘要：在分析碳纖維原絲生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，在基于 PC 控制的 TwinCAT 平臺(tái)上采用高速以太網(wǎng) EtherCAT 開發(fā)了一套新型碳纖維原絲生產(chǎn)控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)在溫度、壓力、速度控制上都極為精確，性能穩(wěn)定。

    關(guān)鍵詞：碳纖維；PAN原絲；TwinCAT；EtherCAT計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

    碳纖維是指化學(xué)組成中碳元素占總質(zhì)量 90% 以上的纖維。碳纖維具有比強(qiáng)度、比模量高等優(yōu)異性能，在尖端科技領(lǐng)域備受青睞，如宇宙飛船、人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈等；同時(shí)，在一般工業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，如體育器材、建材、運(yùn)輸車輛等，其中 PAN（聚丙烯腈）基碳纖維占有市場(chǎng)主導(dǎo)地位。PAN 基碳纖維的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，主要分為 PAN 原絲制備和 PAN 原絲碳化兩大部分。優(yōu)質(zhì) PAN 原絲是制造高性能碳纖維原絲的必要條件。  PAN 基碳纖維原絲生產(chǎn)流程示意圖如圖 1 所示。

圖1 PAN 基碳纖維原絲生產(chǎn)流程

    碳纖維原絲生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)如溫度、壓力和速度等需要精確的控制，一般控制系統(tǒng)難以滿足這種工藝要求。為了開發(fā)高性能碳纖維用原絲，我們將 Beckhoff 基于 PC 的 控制系統(tǒng)引入到高性能 PAN 基碳纖維原絲的生產(chǎn)中。

    1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

    1.1 總體要求

    根據(jù)工藝要求，本碳纖維用原絲生產(chǎn)線共有 24 個(gè)溫度點(diǎn)、2 個(gè)壓力點(diǎn)、2 臺(tái)三相異步電機(jī)和 19 臺(tái)伺服電機(jī)構(gòu)成。系統(tǒng)功能要求：（1）可自由設(shè)置溫控溫度，具有外部手動(dòng)輸入和自整定 PID 參數(shù)功能；（2）可自由設(shè)置所需的壓力功能；（3）各溫控點(diǎn)和壓力點(diǎn)要求有越上下限報(bào)警功能；（4）伺服電機(jī)具有獨(dú)立啟停、獨(dú)立測(cè)速、獨(dú)立正反轉(zhuǎn)、整體啟停、整體調(diào)速和異常報(bào)警功能。

    1.2 硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)根據(jù)碳纖維原絲生產(chǎn)工藝要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境將硬件設(shè)計(jì)分為 6 個(gè)控制柜，分別是低壓控制柜、主控制柜、泵控制柜、伺服控制柜一、伺服控制柜二和伺服控制柜三，各控制柜連接示意圖如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制柜連接示意圖

    在主控柜中安裝有 Beckhoff 12 英寸 DVI/USB 型控制面板 CP6901、CPU 模塊CX1020 及各種 I/O 模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)的監(jiān)測(cè)和控制。泵控制柜中安裝有 10 套泵控制系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)泵的啟動(dòng)和停止控制；此外還有 5 臺(tái)固態(tài)繼電器，用以實(shí)現(xiàn)對(duì) 5  個(gè)水箱的電加熱溫度控制。伺服控制柜一中安裝有 2 臺(tái)西門子 MM440 變頻器，用以控制  2 臺(tái)三相異步電機(jī)；以及 3 臺(tái)基于 EtherCAT 的高性能  AX5000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器，用以控制伺服電機(jī)。伺服控制柜二、伺服控制柜三中分別安裝了 4 /3 臺(tái) AX5000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器，用以控制伺服電機(jī)。

    系統(tǒng)模塊均采用 Beckhoff 產(chǎn)品，包括 CPU 模塊 CX1020、CPU 電源模塊 CX1100、藕合器 BK1120、EtherCAT（Beckhoff 用于控制和自動(dòng)化技術(shù)的以太網(wǎng)）擴(kuò)展端子模塊 EK1110、總線末端端子模塊 KL9010、數(shù)字量輸入端子模塊EL1008、數(shù)字量輸出端子模塊 EL2008、模擬量輸入端子模塊 KL3458、模擬量輸出端子模塊 EL4028 和溫度端子模塊 KL3314。

    CPU 模塊 CX1020 采用 Windows CE 5.0 操作系統(tǒng)，預(yù)安裝有 Beckhoff 自動(dòng)化軟件 TwinCAT NC 的實(shí)時(shí)核。耦合器 BK1120 通過集成的 EtherCAT 接口（X1 IN）與 EtherCAT 總線擴(kuò)展端子模塊 EK1110 相連，下端的 EtherCAT接口（X2 OUT）用于連接基于 EtherCAT 總線的 10 臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器和 19 臺(tái) AM 3000 系列伺服電機(jī)。 

圖3 EtheCAT 伺服驅(qū)動(dòng)器

    1.3 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用 Beckhoff 的 TwinCAT 自動(dòng)化軟件進(jìn)行程序開發(fā)，TwinCA T將軟 NC 與 PLC 結(jié)合在一起，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的控制器，兩個(gè)軟件包之間的通訊是實(shí)時(shí)核內(nèi)部的通訊，幾乎沒有延遲時(shí)間。

    TwinCAT PLC 作為實(shí) PLC，允許在一臺(tái) PC 上實(shí)現(xiàn) 4 個(gè)“PLC”，每個(gè)PLC最多可運(yùn)行  4 個(gè)任務(wù)（可以包括快速任務(wù)，最短循環(huán)時(shí)間為 85 微妙。PLC 程序可使用以下一種或多種符合 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的語言編程：IL（指令表）、LD（梯形圖）、FBD（功能塊）、SFC（順序功能圖）、ST（結(jié)構(gòu)化文本）和CFC（流程功能圖）。TwinCAT PLC Control Visualization 用于上位機(jī)界面的開發(fā)，TwinCAT System Manager 負(fù)責(zé)管理 TwinCAT 軟硬件系統(tǒng)，是 TwinCAT 系統(tǒng)的配置中心。PLC 系統(tǒng)的個(gè)數(shù)、PLC 項(xiàng)目的個(gè)數(shù)、軸的配置、I/O 通道的連接以及他們之間的映射等都在 TwinCAT 系統(tǒng)管理器中完成。

    該系統(tǒng)軟件功能框圖如圖 4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能框圖

    1.3.1 系統(tǒng)登錄

    電源模塊 CX1100 送電后，啟動(dòng)操作系統(tǒng)和 TwinCAT 平臺(tái)并加載 PLC 程序，PLC 程序加載完成后將顯示【系統(tǒng)登錄】頁面。在【系統(tǒng)登錄】頁面中輸入密碼，然后點(diǎn)擊【登錄】，如果密碼輸入正確，則進(jìn)入【系統(tǒng)總覽】頁面；如果密碼輸入錯(cuò)誤，則重新輸入。

    1.3.2 蒸汽控制

    在【蒸汽控制】頁面中，包括蒸汽加熱控制和蒸汽壓力控制兩部分。蒸汽加熱控制在【設(shè)定值】中輸入所需溫度后，點(diǎn)擊【啟動(dòng)】，系統(tǒng)快速升溫，達(dá)到設(shè)定溫度的 80% 后轉(zhuǎn)入 PID 閉環(huán)控制，然后緩慢升高至設(shè)定溫度。蒸汽控制界面如圖 5 所示。

 
圖5 蒸汽控制界面

    1.3.3變頻 水箱 泵控制

    在【變頻 水箱 泵】頁面中，分為變頻電機(jī)控制、水箱加熱控制和泵控制三部分。變頻電機(jī)控制部分，在【設(shè)定值】中輸入需要的參數(shù)后，點(diǎn)擊【啟動(dòng)】即可啟動(dòng)電機(jī)。此外，還設(shè)有多個(gè)狀態(tài)指示燈，以實(shí)時(shí)監(jiān)視變頻器運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)，狀態(tài)燈會(huì)變?yōu)榧t色。

    水箱加熱控制采用固態(tài)繼電器控制的電加熱方式，控制原理與蒸汽加熱相同。【變頻 水箱 泵】控制界面如圖6所示。

圖6 變頻 水箱 泵控制界面

    1.3.4 參數(shù)配置

    蒸汽加熱、水箱加熱和蒸汽壓力控制的報(bào)警上下限及 PID 控制參數(shù)均可在【參數(shù)配置】頁面中進(jìn)行設(shè)置。蒸汽加熱和水箱加熱的 PID 控制參數(shù)既可外部手動(dòng)輸入，也可通過系統(tǒng)自動(dòng)整定獲取。蒸汽壓力 PID 控制參數(shù)只能外部手動(dòng)輸入。

    1.3.5 伺服電機(jī)控制

    伺服系統(tǒng)由 10 臺(tái)基于高速以太網(wǎng) EtherCAT 的 AX5000 系列單軸和雙軸伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng) 19 臺(tái) AM3000 系列同步伺服電機(jī)。在進(jìn)行伺服電機(jī)啟動(dòng)操作前，必須保證【伺服配置】中【伺服狀態(tài)】和【軸狀態(tài)】處于正常狀態(tài)（正常狀態(tài)下【伺服狀態(tài)】為“16#D012”或“16#D013”，【軸狀態(tài)】為“16#0”），若狀態(tài)異常，則點(diǎn)擊相應(yīng)的復(fù)位按鈕（【伺服復(fù)位】或【軸復(fù)位】）以消除異常。在【伺服監(jiān)控】中先點(diǎn)擊【軸激活】，使軸處于可用狀態(tài)，然后再點(diǎn)擊【啟動(dòng)】，來啟動(dòng)伺服電機(jī)。為了保證伺服電機(jī)的安全，現(xiàn)場(chǎng)安裝有 5 個(gè)急停開關(guān)，用于故障時(shí)伺服電機(jī)的整體急停。伺服電機(jī)控制示意圖如圖7所示，伺服配置示意圖如圖8所示。

圖7 伺服電機(jī)控制示意圖



圖8 伺服電機(jī)配置示意圖

    1.3.6 報(bào)警輸出

    系統(tǒng)對(duì)碳纖維生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，若生產(chǎn)過程中出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，相應(yīng)的狀態(tài)燈變?yōu)榧t色，且主控柜上的報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警。報(bào)警輸出包括蒸汽加熱溫度越上下限、水箱加熱溫度越上下限、蒸汽壓力越上下限、伺服電機(jī)故障和急停開關(guān)報(bào)警。

    1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

    整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，卸掛方便，擴(kuò)展能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠。系統(tǒng)以 Windows CE 5.0 為操作系統(tǒng)，界面為用戶所熟悉，以功能強(qiáng)大的 TwinCAT 為自動(dòng)化軟件，編程語言符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，程序可移植性強(qiáng)，并且采用了可視化編程，具有良好的人機(jī)界面。

    CX1020 的強(qiáng)大處理能力，使得將 HMI、運(yùn)動(dòng)控制、溫度控制、邏輯控制等功能集成在一個(gè)平臺(tái)成為可能，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性得到保障。高速工業(yè)以太網(wǎng) EtherCAT 總線和基于 EtherCAT 總線的伺服驅(qū)動(dòng)器 AX5000 系列和高速伺服電機(jī) AM3000 系列的應(yīng)用，可以為設(shè)備進(jìn)一步擴(kuò)展留下足夠空間。Ethernet 接口和 Windows 操作系統(tǒng)也為遠(yuǎn)程維護(hù)帶來了極大的方便。

    2．現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

    本系統(tǒng)已在山東大學(xué)碳纖維工程技術(shù)中心的合作單位投入使用。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明：溫度壓力控制響應(yīng)速度快，控制精度高；電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，牽伸比控制精確；具有友好的人機(jī)界面，調(diào)節(jié)靈活方便；系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、可擴(kuò)展性好、穩(wěn)定性高，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并制備出了高性能原絲。

    3．結(jié)語

    基于 PC 的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化了工廠自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)，將控制、通信、人機(jī)界面全部整合為一體，運(yùn)行于嵌入式 PC 中，與傳統(tǒng)的 PLC 系統(tǒng)相比，在靈活性和開放性方面占有更大的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的碳纖維生產(chǎn)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性更好、控制精度更高，更適宜于高性能碳纖維的生產(chǎn)。