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    摘要：在分析碳纖維原絲生產工藝的基礎上，在基于 PC 控制的 TwinCAT 平臺上采用高速以太網 EtherCAT 開發了一套新型碳纖維原絲生產控制系統。現場運行表明，該系統在溫度、壓力、速度控制上都極為精確，性能穩定。

    關鍵詞：碳纖維；PAN原絲；TwinCAT；EtherCAT計算機控制系統

    碳纖維是指化學組成中碳元素占總質量 90% 以上的纖維。碳纖維具有比強度、比模量高等優異性能，在尖端科技領域備受青睞，如宇宙飛船、人造衛星、導彈等；同時，在一般工業領域也得到了廣泛應用，如體育器材、建材、運輸車輛等，其中 PAN（聚丙烯腈）基碳纖維占有市場主導地位。PAN 基碳纖維的生產是一個復雜的工藝過程，主要分為 PAN 原絲制備和 PAN 原絲碳化兩大部分。優質 PAN 原絲是制造高性能碳纖維原絲的必要條件。  PAN 基碳纖維原絲生產流程示意圖如圖 1 所示。

圖1 PAN 基碳纖維原絲生產流程

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

    1 系統設計開發

    1.1 總體要求

    根據工藝要求，本碳纖維用原絲生產線共有 24 個溫度點、2 個壓力點、2 臺三相異步電機和 19 臺伺服電機構成。系統功能要求：（1）可自由設置溫控溫度，具有外部手動輸入和自整定 PID 參數功能；（2）可自由設置所需的壓力功能；（3）各溫控點和壓力點要求有越上下限報警功能；（4）伺服電機具有獨立啟停、獨立測速、獨立正反轉、整體啟停、整體調速和異常報警功能。

    1.2 硬件設計

    系統根據碳纖維原絲生產工藝要求及現場環境將硬件設計分為 6 個控制柜，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，以實現對現場各種信號的監測和控制。泵控制柜中安裝有 10 套泵控制系統，用以實現泵的啟動和停止控制；此外還有 5 臺固態繼電器，用以實現對 5  個水箱的電加熱溫度控制。伺服控制柜一中安裝有 2 臺西門子 MM440 變頻器，用以控制  2 臺三相異步電機；以及 3 臺基于 EtherCAT 的高性能  AX5000 系列伺服驅動器，用以控制伺服電機。伺服控制柜二、伺服控制柜三中分別安裝了 4 /3 臺 AX5000 系列伺服驅動器，用以控制伺服電機。

    系統模塊均采用 Beckhoff 產品，包括 CPU 模塊 CX1020、CPU 電源模塊 CX1100、藕合器 BK1120、EtherCAT（Beckhoff 用于控制和自動化技術的以太網）擴展端子模塊 EK1110、總線末端端子模塊 KL9010、數字量輸入端子模塊EL1008、數字量輸出端子模塊 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，預安裝有 Beckhoff 自動化軟件 TwinCAT NC 的實時核。耦合器 BK1120 通過集成的 EtherCAT 接口（X1 IN）與 EtherCAT 總線擴展端子模塊 EK1110 相連，下端的 EtherCAT接口（X2 OUT）用于連接基于 EtherCAT 總線的 10 臺伺服驅動器和 19 臺 AM 3000 系列伺服電機。 

圖3 EtheCAT 伺服驅動器

    1.3 軟件設計

    系統采用 Beckhoff 的 TwinCAT 自動化軟件進行程序開發，TwinCA T將軟 NC 與 PLC 結合在一起，形成一個功能強大的控制器，兩個軟件包之間的通訊是實時核內部的通訊，幾乎沒有延遲時間。

    TwinCAT PLC 作為實 PLC，允許在一臺 PC 上實現 4 個“PLC”，每個PLC最多可運行  4 個任務（可以包括快速任務，最短循環時間為 85 微妙。PLC 程序可使用以下一種或多種符合 IEC 61131-3標準的語言編程：IL（指令表）、LD（梯形圖）、FBD（功能塊）、SFC（順序功能圖）、ST（結構化文本）和CFC（流程功能圖）。TwinCAT PLC Control Visualization 用于上位機界面的開發，TwinCAT System Manager 負責管理 TwinCAT 軟硬件系統，是 TwinCAT 系統的配置中心。PLC 系統的個數、PLC 項目的個數、軸的配置、I/O 通道的連接以及他們之間的映射等都在 TwinCAT 系統管理器中完成。

    該系統軟件功能框圖如圖 4 所示。

圖4 系統軟件功能框圖

    1.3.1 系統登錄

    電源模塊 CX1100 送電后，啟動操作系統和 TwinCAT 平臺并加載 PLC 程序，PLC 程序加載完成后將顯示【系統登錄】頁面。在【系統登錄】頁面中輸入密碼，然后點擊【登錄】，如果密碼輸入正確，則進入【系統總覽】頁面；如果密碼輸入錯誤，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【設定值】中輸入所需溫度后，點擊【啟動】，系統快速升溫，達到設定溫度的 80% 后轉入 PID 閉環控制，然后緩慢升高至設定溫度。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，分為變頻電機控制、水箱加熱控制和泵控制三部分。變頻電機控制部分，在【設定值】中輸入需要的參數后，點擊【啟動】即可啟動電機。此外，還設有多個狀態指示燈，以實時監視變頻器運行狀態，出現故障時，狀態燈會變為紅色。

    水箱加熱控制采用固態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 參數配置

    蒸汽加熱、水箱加熱和蒸汽壓力控制的報警上下限及 PID 控制參數均可在【參數配置】頁面中進行設置。蒸汽加熱和水箱加熱的 PID 控制參數既可外部手動輸入，也可通過系統自動整定獲取。蒸汽壓力 PID 控制參數只能外部手動輸入。

    1.3.5 伺服電機控制

    伺服系統由 10 臺基于高速以太網 EtherCAT 的 AX5000 系列單軸和雙軸伺服驅動器來驅動 19 臺 AM3000 系列同步伺服電機。在進行伺服電機啟動操作前，必須保證【伺服配置】中【伺服狀態】和【軸狀態】處于正常狀態（正常狀態下【伺服狀態】為“16#D012”或“16#D013”，【軸狀態】為“16#0”），若狀態異常，則點擊相應的復位按鈕（【伺服復位】或【軸復位】）以消除異常。在【伺服監控】中先點擊【軸激活】，使軸處于可用狀態，然后再點擊【啟動】，來啟動伺服電機。為了保證伺服電機的安全，現場安裝有 5 個急停開關，用于故障時伺服電機的整體急停。伺服電機控制示意圖如圖7所示，伺服配置示意圖如圖8所示。

圖7 伺服電機控制示意圖



圖8 伺服電機配置示意圖

    1.3.6 報警輸出

    系統對碳纖維生產過程進行監控，若生產過程中出現故障，則系統自動報警，相應的狀態燈變為紅色，且主控柜上的報警裝置發出聲光報警。報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、伺服電機故障和急停開關報警。

    1.4 系統特點

    整個系統采用模塊化設計，卸掛方便，擴展能力強，運行可靠。系統以 Windows CE 5.0 為操作系統，界面為用戶所熟悉，以功能強大的 TwinCAT 為自動化軟件，編程語言符合 IEC 61131-3 標準，程序可移植性強，并且采用了可視化編程，具有良好的人機界面。

    CX1020 的強大處理能力，使得將 HMI、運動控制、溫度控制、邏輯控制等功能集成在一個平臺成為可能，系統的可靠性和穩定性得到保障。高速工業以太網 EtherCAT 總線和基于 EtherCAT 總線的伺服驅動器 AX5000 系列和高速伺服電機 AM3000 系列的應用，可以為設備進一步擴展留下足夠空間。Ethernet 接口和 Windows 操作系統也為遠程維護帶來了極大的方便。

    2．現場運行

    本系統已在山東大學碳纖維工程技術中心的合作單位投入使用。現場運行結果表明：溫度壓力控制響應速度快，控制精度高；電機運行平穩，噪聲小，牽伸比控制精確；具有友好的人機界面，調節靈活方便；系統設計合理、可擴展性好、穩定性高，達到設計要求，并制備出了高性能原絲。

    3．結語

    基于 PC 的控制系統簡化了工廠自動化的體系結構，將控制、通信、人機界面全部整合為一體，運行于嵌入式 PC 中，與傳統的 PLC 系統相比，在靈活性和開放性方面占有更大的優勢。在此基礎上開發的碳纖維生產控制系統穩定性更好、控制精度更高，更適宜于高性能碳纖維的生產。