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印花機PLC控制系統(tǒng)及設(shè)計
印花機PLC控制系統(tǒng)及設(shè)計
MD-11型毛巾印花機是毛巾織造行業(yè)的主要設(shè)備，由于采用了很多機械渦輪渦桿傳動和落后的繼電器控制，致使整機噪聲大、效率低、機件損壞嚴(yán)重，且操作工人勞動強度大、產(chǎn)品質(zhì)量差?，F(xiàn)配合機械傳動部分的改造，采用變頻器和PLC對其電氣部分進行了全面改造，重新設(shè)計制作了電氣控制系統(tǒng)。
一、工藝要求及設(shè)計思路
印花機的正常工藝流程共有6步，周而復(fù)始的循環(huán)
其工作過程為：開始時印花網(wǎng)框上升，升到位后導(dǎo)帶帶動毛巾前進，到位后導(dǎo)帶再慢速運行并定位停車，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，如此完成一個印花周期6個工步的循環(huán)，再返回開始處進入第二個周期的運行。
除了以上自動運行的流程外，設(shè)計時考慮到為了調(diào)試及檢修的方便，還要系統(tǒng)能分別對每一工步單獨進行點動、單步和正反轉(zhuǎn)運行，或只運行某幾步程序。綜合以上工藝流程要求和控制設(shè)想，我們對系統(tǒng)設(shè)計了調(diào)試、手動、單步、周期及自動等五種操作方式：
1．調(diào)試：各工步都可單獨分別運行，運行到位后即停止；
2．手動：各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行；
3．單步：按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工步運行；
4．周期：從初始位置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的6步動作后返回到第一步開始位置停止。
5．自動：按啟動按鈕，程序完成一個周期的6步動作后又接著從第一步開始運行，自動循環(huán)。在自動方式下，中途若按下復(fù)位按鈕，則系統(tǒng)要繼續(xù)運行到第一步開始位置才停止；若按下停止按鈕，則運行立即停止，此時若再按啟動，系統(tǒng)即從該位置運行到第一步開始處停止。
整個印花機組采用三臺交流電機拖動，其中網(wǎng)框電機M1為1.5KW，正轉(zhuǎn)；導(dǎo)帶電機M2為3.5KW，需快、慢速運行及正反轉(zhuǎn)；刮板電機M3為2.5KW，正反轉(zhuǎn)。由于導(dǎo)帶電機轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)工藝要求隨時調(diào)節(jié)，故考慮M2采用變頻器來拖動。
毛巾印花工序的濕度較大，同時為了保證印花機定位準(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的傳感器。
二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，控制核心部分的PLC及變頻器均選用進口器件。
根據(jù)工藝流程和控制要求，系統(tǒng)中設(shè)有8個位置傳感器，15個按鈕和轉(zhuǎn)換開關(guān)，1個變頻器故障信號，計24個輸入信號；輸出控制5 個接觸器和電磁閥、9個指示燈，控制變頻器4點，計數(shù)器1點，需19個輸出信號，共計43個I/O 點。考慮預(yù)留部分余量，所以PLC采用富士的NB1—P56型。該機的是每一個I/O點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；同時該機型擴展靈活，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。
富士變頻器有如下特點：
1．接線簡單，噪聲低，安裝使用維護方便。
2．啟動或制動的轉(zhuǎn)速、時間、轉(zhuǎn)矩都可以人為設(shè)定，電機可在低速下以大轉(zhuǎn)矩啟動，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，來控制電機運行。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．完善的保護功能。變頻器運行時的電流、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)定值就會自動報警或保護停機。對地短路、過熱及內(nèi)部電路故障等也都會使保護功能動作而強制性停機，有效的保護了電機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)計毛巾產(chǎn)量，控制箱面板上還裝置了電子數(shù)顯式計數(shù)器，由反刮到位信號（也就是一周期第6個工步的結(jié)束信號，它表示印刷完一條毛巾）驅(qū)動其計數(shù)。每班上班時先將其顯示數(shù)據(jù)復(fù)零，再開始統(tǒng)計本班產(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，給值車工一個醒目的提示，以避免錯誤操作。由于主要操作按鈕都在控制箱面板上，為方便使用，在機臺操作位置上還增設(shè)了啟動和急停兩個按鈕。
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），對其進行懸浮供電，以隔離由電網(wǎng)引入的干擾。
在PLC的每個輸出端都要并聯(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)載開斷時所產(chǎn)生的過電壓；線路敷設(shè)時，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、強電和弱電明顯隔離分開，進一步減小干擾，同時也避免了接線錯誤。
在控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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；二是由于變頻器運行時，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、元件排列時考慮了設(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
本系統(tǒng)的主要控制功能都是由PLC來實現(xiàn)的，圖3為PLC主程序流程框圖，整個程序用富士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)試和手動操作方式由手動部分程序完成，單步、周期及自動操作方式由自動部分程序完成。
系統(tǒng)上電后，程序進行初始設(shè)置，移位寄存器清零，同時啟動變頻器，然后根據(jù)選定的操作方式運行程序。
手動部分程序較簡單，類似于繼電器控制方式，只是需要考慮好各動作之間的聯(lián)鎖互鎖關(guān)系。
自動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，開機初始設(shè)置完成后，按下啟動按鈕，移位寄存器被置1，運行第一步程序。接著移位寄存器由啟動按鈕信號或各工步到位傳感器信號驅(qū)動移位。單步、周期、自動這3種操作方式在程序流程中的區(qū)別是：單步操作時寄存器移位受啟動按鈕信號控制，每按一次啟動按鈕寄存器移位一步，運行一步程序，到位即停止。若再按啟動按鈕寄存器又移位運行下一步程序；周期操作時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)在初始位置停止運行，等待下一次操作；自動操作時寄存器移位方式與周期操作時相同，只是第6步到位后寄存器清零的同時又置1，重新開始下一周期的移位及程序運行。
輔助部分程序主要有：根據(jù)工藝要求進行刮板上跳控制、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)工作計時器等。
導(dǎo)帶電機（3.5KW）由變頻器拖動，由于其運轉(zhuǎn)速度較低，啟動轉(zhuǎn)矩也不大，對變頻器的啟動頻率和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)就按默認(rèn)設(shè)置。因印花機工藝對導(dǎo)帶電機調(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)置來實現(xiàn)，具體設(shè)置C05為40HZ、C06為5HZ。導(dǎo)帶電機工作運行時間較短（每一個循環(huán)周期中導(dǎo)帶快速運行4—5秒，接著再慢速運行1—2秒后停止），因此變頻器的加速和減速時間也相應(yīng)的設(shè)得較短，設(shè)置加速時間為1秒, 減速時間為0.5秒, 在實際調(diào)試時再根據(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)計時采取了多種措施，提高了容錯能力，但有時變頻器和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性停機外，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)實際需要購買合適極性的霍爾開關(guān)，在現(xiàn)場連接時也應(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，避免超載運行而影響系統(tǒng)的安全。
PLC的運行速度很快，其控制輸出的時間不超過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互鎖；二是在某些接觸器無常閉觸點的特殊場合，可考慮在PLC程序中正、反轉(zhuǎn)動作切換之間設(shè)置0.5秒左右的延時，即正、反轉(zhuǎn)切換時要延時0.5秒再進入反向運行，確保轉(zhuǎn)換安全可靠。