西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8规格参数

西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8规格参数

中丝热处理作业线是子午线轮胎钢丝热处理生产工艺中重要的一环，对机电设备的性能和可靠性都有极高的要求。本文介绍了该生产工艺对变频器和PLC产品的要求以及艾默生公司针对该生产工艺提出的创新型解决方案。

一 概述

钢帘线主要用于汽车轮胎生产，随着汽车工业的迅速发展，钢帘线市场前景被看好。02年至今，江苏、山东、辽宁以及湖北等地一直在兴建和扩建钢帘线生产基地。通过对前期引进设备的消化和吸收以及国内机电技术水平的提升，目前钢帘线的生产设备如直线式拉丝机、中丝热处理设备、水箱拉丝机、合股成绳机以及外绕机都在逐渐国产化。为适应日益激烈的市场竞争，提升设备性能，降低设备成本，寻求创新型解决方案就成为设备商和终生产厂家的重要关注点。

二 工艺要求及控制系统组成

中丝热处理是对半成品钢丝通过热处理正火,消除钢丝在拉拔过程中产生的加工硬化，它是一种连续加工工艺，示意图如下：

工艺要求：

1、 对于一定直径（d）的半成品丝，牵引速度（V）要保持恒定，即d/V值恒定。
2、 牵引轮和收线轮之间的半成品丝的张力（F）要保持恒定。同时因为收线轮采用中心收卷方式，应该进行张力锥度控制。

厂家条件：

1、 为控制成本，厂家只提供时序逻辑控制信号，不提供如张力反馈、电机编码器等信号。
2、 供应商产品必须有在国内拉丝机企业两年以上成熟应用经验并提供解决方案。

分析：如果不考虑上述限制条件，上述工艺通过一个非常普通的中心收卷方案就可以解决。因为艾默生有专门针对此类工艺的TD3300张力控制专用变频器，可是TD3300变频器三种张力控制方式所要求的条件（张力反馈信号或张力开环闭环矢量转矩模式）均不具备。为此，我们为厂家提供了如下的解决方案，并得到了厂家认可。

如上图，根据驱动轮稳速精度要求，选择了EV1000变频器。整个工艺的难点在于收线轮的张力控制。根据收卷轮运行频率范围（60Hz~5Hz）以及半成品丝的张力控制精度要求（±20%），决定采用TD3000变频器直接进行转矩控制，转矩设定指令由PLC根据用户的设定进行一系列计算之后给出。而根据工艺要求的PLC点数以及程序容量与计算速度，决定选用艾默生新推出的EC20-BRA2012 PLC。

三 控制原理

1、半成品钢丝收线速度控制

由于EV1000变频器运行稳速精度<±1%的额定同步转速,完全满足工艺对速度控制精度的要求，因此只需要根据线径就可以计算出所需设定的变频器频率。

2、半成品钢丝收卷张力控制

张力控制是通过变频器与PLC配合来完成的，其控制思路如下：

卷径计算

由于有排线器装置，排线器从一边运行到另一边时会产生一个换向信号，我们将此信号传递给PLC，一但PLC检测到此信号，则认为卷径发生变化，具体计算关系如下式所示。

式中n表示收到第n个排线换向信号，Dn表示第n圈时的卷径，D0表示空卷时的卷径，d表示线径，而k表示卷径校正系数，一般由经验获得，和线径相关。上述公司经过实际验证，和实际情况比较吻合。

张力计算

处于成本考虑，我们没有为PLC配置模拟输入和输出模块，而是巧妙地借用了变频器的模拟输入输出口以及PLC标配的RS485通行串口来实现张力的设定。首先用户将张力设定电位器连接到变频器模拟输入AI1，变频器自身只是采集该模拟量值，但并不对该模拟量进行任何处理，然后PLC利用内置的标准通信函数与变频器通信，读取模拟量输入值，转化为张力设定值。在此处需要注意的是根据变频器串口通信协议，PLC读入值0~2000代表变频器AI1口电压输入值为-10V~+10V。

根据工艺要求，随着卷径增加（满卷与空卷之比可达4：1），收线张力必须按一定规律减小，否则会发生外层丝勒到里层中去，导致缠丝现象。PLC根据下面公式来进行张力锥度公式进行计算：

式中，F为实际设定张力，F0为电位器设定张力，D0为空卷卷径，D为当前卷径，k为锥度校正系数。其趋势图如右边所示。

设置了相应的密码（PLC可提供3 级用户密码权限）。保护用户程序的私密性。

转矩计算

基于上述卷径与张力的处理，我们可知收卷处所需要的转矩为

可以计算出需要设定的转矩百分比，通过通信直接写入变频器功能码中就可以了。

四 运行调试

这种设备运行耗费大量的电能，而且调试会浪费昂贵的金属线材，因此用户一般不会给设备厂家提供较长的调试时间，这就需要我们在正式调试前做大量而仔细的工作，确保一次成功。

1、仔细检查线路图，确保强电与弱点接线正确，尽量遵循变频器与PLC用户手册给定的走线方式。
2、因为EV1000和TD3000都具备电机参数自学习功能，特别是TD3000，因为运行在开环矢量转矩方式，一定要进行自学习。
3、在正式调试前，将PLC与变频器通信程序调通，确保读取与写入参数正确。
4、验证PLC的脉冲记数功能。
5、对PLC各计算子程序进行验证，确保计算无误。
6、按照工艺要求，认真分析各时序逻辑信号，做出正确的程序。

经过上述仔细准备，调试起来非常顺利。

五 系统优点

在和用户充分沟通、了解工艺要求与原理的基础上，结合艾默生公司工控产品的功能和特点，实现了极高性价比的中丝收线系统，这套系统具有如下的优点：

1、 系统电气配置非常简洁

一般带张力控制的收放卷系统，不是设计成带张力反馈的张力闭环控制系统，这种情况下用户需要张力反馈信号，会增加机械和电气成本，就是让矢量控制变频器工作在转矩模式，这种方式对变频器性能要求比较高，而且必须加装电机编码器，也增加了设备成本，并且编码器安装也费工费时。通过对收线设备的技术要求进行分析，确认TD3000变频器开环矢量转矩模式的转矩控制精度完全可以满足设备要求。当然这和TD3000先进的矢量控制算法是分不开的。

此外，EC20 系列PLC的标准配置非常丰富，它标准配置了两个通信口，其中之一就是RS485接口。因此在无需增加额外成本的情况下可以和变频器建立高效的通信。由于标配的通信功能，为系统节省了一个模拟输入模块和一个模拟输出模块。

2、 系统调试简单易行

在小型电气控制系统中，设备间通信的调试都是一个难点和重点。但艾默生EC20-PLC自动集成了艾默生变频器通信协议，因此通信非常简单，只需一条指令就可解决问题。以设定变频器运行频率为例，步骤如下：首先在工程管理器中的通信设备连接项的变频器连接表中设定变频器地址，型号，厂家，协议。然后直接利用如下指令即可：

—[ FRQ 2 D0 M0 D2 ]

其中，2表示对当前地址为2的变频器进行通信，D0存放要设置的频率，M0和D2都是反映指令执行的饿状态。

3、系统的可靠性很高

艾默生变频器很早就进入钢帘线行业，并针对钢帘线行业变频器使用环境进行了专门的改进，有着很好的环境适应性。

一般钢帘线工厂都有自建的电厂，和标准电网质量相比，电厂发电质量不好，因此我们在变频器输入端设计了特殊的处理电路，能够有效容忍电网质量一定程度的下降。此外，变频器适应电网电压波动范围大，如TD3000电网电压波动范围在额定输入电压的±20%。

针对钢帘线多粉尘的潮湿环境，艾默生工控产品（变频器与PLC）的所有单板及器件引脚都进行三防漆的处理，而且采用独立的散热风道，更有效地降低金属粉尘的影响。

六：结束语

高性价比系统的设计必须建立在对生产工艺流程的了解之上，必须建立在对变频器和PLC性能与功能特点的熟悉之上，两者的紧密结合，才能为客户提供极具竞争力的解决方案。

TD3000变频器先进的算法，较好的开环矢量转矩控制精度是整个系统的关键所在。

艾默生推出的EC20 PLC经受住各种环境的考验，充分验证了艾默生工控产品高度的可靠性

一、 系统概述

艾默生PLC和变频器在浆纱机上的应用，此电气系统采用PLC集中管理，分散控制，系统集中化，简约化，易控性强，更好的降低故障率。

方案配置如下：

PLC系统由艾默生EC202416BAR主模块，16点的数字量输入模块和4路模拟量输出模块组成。

操作界面采用工业级液晶触摸屏，可动态修改控制参数，方便显示当前速度，当前匹长、 匹数及系统的动态运行状态。

边轴电机变频器采用高性能通用型的EV2000系列，织轴收卷TD3300 22KW张力变频器。此变频器是张力专用变频器，内置张力控制功能。采用独立变频模式，结构简单，维护方便，稳定度高，保证收卷的张力及线速度，在小卷到大卷的变化过程中稳定可靠。在加减速中的自动补偿控制，使加减速中张力更稳，更有上卷防断纱程序，使上卷起机时便于操作。

本系统的优点：

·张力设定在人机上设定，人性化的操作;

·使用先进的控制算法:卷径的递归运算;空心卷径激活时张力的线性递加;张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等;

·卷径的实时计算，jingque度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值;

·因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。如果操作人员进行加速、减速、停车、再激活时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好;

·在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本上不需对原有机械进行改造。改造周期短，基本上两三天就能安装调试完成;

·克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。方便维护设备。

·机台上的所有操作部分全部采用36V以下的安全电，以保证操作中的使用安全。

二、 系统框图

三、 张力控制原理

所谓的张力控制，通俗点讲就是要能控制电机输出多大的力，即输出多少牛顿。反应到电机轴即能控制电机的输出转矩。真正的张力控制不同于靠前后两个动力点的速度差形成张力的系统，靠速度差来调节张力的实质是对张力的PID控制，要加张力传感器。而且在大小卷启动、停止、加速、减速、停车时的调节不可能做到像真正的张力控制的效果，张力不是很稳定。肯定会影响产品的质量。

变频收卷的实质是要完成张力控制，即能控制电机的运行电流，因为三相异步电机的输出转矩T=CmφmIa，与电流成正比。并且当负载有突变时能够保证电机的机械特性曲线比较硬。所以必须用矢量变频器，而且必须要加编码器闭环控制。用变频器做恒张力控制的实质是死循环矢量控制，即加编码器反馈。收卷的卷经是由小到大变化的，为了保证恒张力，所以要求电机的输出转距要由小到大变化。同时在不同的操作过程，要进行相应的转距补偿。即小卷启动的瞬间，加速，减速，停车，大卷启动时，要在不同卷经时进行不同的转距补偿，这样就能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大；大卷启动时松纱的现象。

·卷径的计算原理

根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1×R1, V2=ω2×Rx。因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt，Δn1×C1=Δn2×C2/i

(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比)

Δn1×π×D1=Δn2×π×D2/i
D2=Δn1×D1×i/Δn2，因为Δn2=ΔP2/P2

(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的圈数)。Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1，即测长辊转一圈，由编码器接到PLC。那么D2=D1×i×P2/ΔP2，这样收卷盘头的卷径就得到了

·收卷的动态过程分析

要能保证收卷过程的平稳性，不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定。需要进行转矩的补偿。整个系统要激活起来，首先要克服静摩擦力所产生的转矩，简称静摩擦转矩，静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩，滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在，并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿，系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量，也要进行相应的转矩补偿，补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系。在不同车速的时候，补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩;克服了这些因素，还要克服负载转矩，通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小，经过减速比折算到电机轴。这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。

总结:电机的输出转矩=静摩擦转矩(激活瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩。

·转矩的补偿标准

1) 静摩擦转矩的补偿

因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在，在系统激活后就消失了。因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿。

2) 滑动摩擦转矩的补偿

滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的。补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准。补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。

3) 加减速、停车转矩的补偿

补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。

·相关的计算公式

四、 调试过程

（1）先对电机进行自整定，将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器。

（2）将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的圈数。然后用面板给定频率和启停控制，观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用闭环矢量控制时，运行频率总是接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近波动的。

（3）在程序中设定空芯卷径和大卷径的数值。通过前面卷径计算的公式算出电机尾部所加编码器产生的大脉冲量(P2)和低脉冲量(P2)。通过算出的大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对高速进行限定，一旦出现断纱等情况，收卷电机会飞车的。低脉冲量是为了避免收卷变频器运行在2Hz以下，因为变频器在2Hz以下运行时，电机的转矩特性很差，会出现抖动的现象。

（4）通过前面分析的整个收卷的动态过程，在不同卷径和不同运行速度的各个阶段，进行一定的转矩补偿。补偿的大小，以电机额定转距的百分比来设定。

五、 参数简表

附表1：TD3300功能参数简表

结束语：技术更新越来越快，我们必须提高产品性能，使我们的产品能够适应我们的工艺要求