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基于PLC和变频器控制的毛条生产线 刘彦鹂 陈茂华 来源：www.shequ.shejis.com ,PLC,低压变频器

广东某厂是国内较早建立起来的毛条生产厂之一。十多年前从法国引进一条二手毛条生产线，该生产线由型号为GC12-CPA的头针机（Automatic Threading）和型号为GC 12 Type 91的尾针机（Automatic Ball Doffing）组成。整条生产线长50多米，宽4米多。它是毛纺、毛织行业必备的生产设备。原设备是由继电接触器控制的。经过十多年的运行，设备已经老化，生产效率低，有些元件已无备品，特别是继电控制板的双路继电器损坏更多，这些元件在国内已无替代品。一旦设备出现故障，往往停产几天，严重影响生产。为此，必须对该生产线进行技术改造。

1 头针机和尾针机的工作流程和技术改造的思维
头针机是一条将毛、涤纶丝等粗纤维梳理成初级毛条胚料、螺旋形地落在料桶中的机组；尾针机是将6～12根毛条胚料纺成毛条并自动落球的机组。头针机和尾针机的工作流程分别如图1、图2所示。

从图1、图2的工作流程我们发现有几个技术问题是必须考虑的。
（1）毛或涤纶等丝状物质在纺纱过程中受拉力。起动时拉力要小，匀速时拉力可大，减速时拉力又要小。这种变速控制在原继电接触电路中是通过对主轴电机的快速和慢速控制来实现的。
由于毛条经历起动→加速→匀速→减速→停止→落球（或落桶）的运动，如用变频器控制电机，很容易实现。而且通过变频器可以改变电机电源的频率，从而改变电机的输出速度和输出力矩，使毛条能在适当的拉力下运动。因此，决定采用变频器控制。

（2）毛或涤纶在纺制成毛条的过程中，故障保护相当重要。原电路图的各种保护设计独特且合理。其中包括断纱保护、罗拉搭接保护、出条器故障保护、搭接区故障保护等。当出现任一故障，都会导致保护而使全线停车。这些故障保护如果用PLC编程很容易实现。
图3为使用PLC和变频器控制的主电路示意图。由于生产线的头针机和尾针机是分离的，各自独立控制，其主电路基本相同，但控制的输人/输出点和具体控制的内容不同。故此头针机采用三菱FX2N-64MR型PLC和韩国LG的STARERT-iS5型变频器，尾针机采用三菱FX2N-80MR型PLC和韩国LG的STARERT-iS5型变频器。图3中部分触点没有标注文字符号，这是由于头针机和尾针机使用的控制触点不同的缘故。
（3）头针机和尾针机的落料都采用了限位开关、电磁阀、气动控制，但其机构有很大的不同。从头针机输出的毛条胚料螺旋形地落在落料器的料桶中。落料器是一个直径为3米的旋转平台，内置4个大料桶。平台由电动机驱动有进出滑道和定位机构。
尾针机的落料过程比较复杂。机器启动后，毛条自动搭接卷缠在绕纱针棒上，当毛条的长度达到设定值（例如420米），计数器P1到达（如图2所示），快车停止，交换过程开始。机器转到低速，到接近开关BQ10，延时。再到接近开关BQ20，机器停止，驱动压臂（arm）压下，触动行程开关SQ45，钳板（silver locker）动作。到触动行程开关SQ46，驱动推出器（ejector）向前，将毛条球推出落下。之后触动行程开关SQ47，驱动推出器向后。碰行程开关SQ48，压臂复位合上，到触及行程开关SQ49，计数器复位预置为0，延时后搭接器（silver overlapper）向上，将毛条纱搭接在绕纱针棒上，延时后触动行程开关SQ55、SQ56，机器低速运行，延时后搭接器复位，交换过程结束。机器快速，开始另一循环。

以上的交换过程，以及机器运动中的循环控制，都可通过PLC编程实现。

2 对毛条生产线进行技术改造的一些原则
用PLC和变频器技术来改造旧的生产线，与新建一个PLC变频器控制的生产线不同，做起来并不大容易。因为操作工人都已熟悉原生产流程和生产工序，已熟悉各种操作按钮、开关及各监视的视听设备。因此改造过程必须满足：
（1）保证维持原生产线的电路控制逻辑，且要便于操作；
（2）尽量使用原电动机、电磁阀、行程开关，接近开关和电源变压器等，做到控制线路的接线编号与原编号一致；
（3）使用原操作主令元件，例如起动按钮，转换开关，停止按钮，急停按钮，暂停按钮等；
（4）保证各种监视机器运作的指示灯动作不变，例如正常工作指示、故障指示、缓行指示、交换指示、复位指示等；
（5）对生产线的各种故障停机，例如压力保护停机、出条断纱停机、毛条绕上下针棒停机、纱架无纱停机、马达保护停机等，要能保证实现，且有较高的灵敏度；
（6）保证电源频率可调。

　1、边缘控制的电气原理和原系统存在的问题

　　边缘控制的原理是以动程杆的起点为原点，通过动程杆离原点位移量的不同，后使丝饼的成型发生变化。其机械工作过程如下：链轮转动通过动程杆转动并使动程杆发生位移去推动摆杆来改变限位开关的状态，其中限位开关断开的位置就是动程杆的原点，链轮的转动是由边缘控制电机通过链子来传动的，以上的机械动作是通过时间继电器、中间继电器、交流接触器和限位开关等器件来完成的。原来的边缘控制是一级动程其控制过程如下：若边缘控制回路启动，这时动程杆在原点位置，限位开关断开，电机开始正转，此时动程杆开始离开摆杆，限位开关也有断开状态变成闭合状态，随着电机正转时间的增加，动程杆离原点的位移量也在增加，电机正转结束动程杆的位移变化量也结束。接着电机开始反转，电机反转时间的长短是由动程杆离开原点移位量的多少来决定的，电机一开始反转动程杆便向原点靠近，后动程杆顶到限位开关使限位开关断开，这时动程杆回到原点，电机反转也停止了。边缘控制电机的正转、反转、停止一次称为一级动程。边缘控制电机正转时间的长短，反映在动程杆上是位移量的大小，调节时间继电器设定时间的长短，也就改变了边缘电机正转时间的长短。从上分析由于在电气控制上采用了继电器、限位开关这些jingque度不高的器件，在机械上由于采用了动程杆不仅没有把反映动程时间的位移量放大，相反把它缩小了，根据机械和电气控制存在的一些问题，边缘控制系统在使用中主要存在以下问题，其一是边缘控制的精度不高，不能满足短的动程时间，其二是利用接触器频繁进行正反转不仅使用寿命短而且故障率也高使工作不够可靠，调试困难。

　　2.、改进方案

根据以上问题的提出，针对问题，在原来的控制系统中寻找原因所在，经分析原因是动程杆、摆杆和限位开关使用的不合理而引起。因为链轮转一圈，动程杆移动的位移量是毫米级，且动程杆、摆杆和限位开关间隙较大。这样就形成了在较短的时间内，边缘控制系统不能正常运行的原因。为了解决能在较小的动程时间内，边缘控制系统能正常运行。决定在原边缘控制中去掉动程杆、摆杆和限位开关，直接用链子和接近开关传感器来取代原来的动程原点（链子的长度足以满足电机正转时间的需要），具体解决的方法是：接近开关作为定点，固定不动，在链子上装感应铁片。这样当链子通过链轮作上下移动时感应铁片也作上下移动，设定某一点感应铁片与接近开关重合，这点来取代原来的动程原点。对于原系统中第二个问题利用接触器频繁进行正反转，决定去掉接触器，用变频器来实现电机的正、反转功能，为了预防电机在很短的时间从正转到反转所以在变频器上加装制动电阻。这样，由接近开关传感器，通过PLC软件处理后的开关信号作为控制变频器的输入信号，后驱动交流电机。为了使操作简单，把不同的产品所要的正转、停止时间放入不同的存储器内，通过选择开关选取不同的输入点，就能改变不同动程所需要的时间。

　　3、控制系统的实现

　　3.1主要硬件及 I/O端口的定义

　　对设备的改造首先要考虑到改造后设备的稳定运行，其次也考虑到设备改造的成本和今后改动的余量，根据以上二点我们选用的PLC是西门子S7—200系列的可编程控制器 （CPU224），输入14个点，输出点10个点。该产品抗干扰能力强。在该PLC输入的14个点中现用9个；还有5个作新产品的输入和其它备用，在输出的10个点中现用4个点其它也作备用。本系统在器材的选择上采用抗干扰较强的产品外，还在PLC的电源上加隔离变压器，来加强系统的抗干扰能力。

　　根据控制对象和PLC的I/O点数进行分配如表(1)。表中外部输入端I，外部输出端Q，用来控制各指示灯和变频器。

　3.2软件系统

　　软件设计是整个电气控制部分的关键，软件的设计应根据设备要求，确定正确的控制方法，确保动作的顺利完成。在正确无误完成动作的同时还必须做到必要的保护和连锁。根据设备现场的需要，确定所有的控制参数，按输入、输出进行分类；每一类型设备按顺序分配输入、输出地址，列出PLC的I/O地址分配表，每一个输入信号占用一个输入地址，每一个输出地址驱动一个外部负载；然后再根据上述规划来绘制系统的程序流程图，本系统的程序流程图如图（1）。
　　

控制系统工作程序借助计算机辅助设计而成，所采用的是专为SIMATIC S7-200可编程控制器PLC设计的STEP7-Micro/编程软件包。通过使用该编程软件，可简化编制应用程序的过程，本程序用梯形图编制。

　　4、新方案工作可靠性能稳定

　　本设计的方案是选取用了S7-200系列可编程控制器（CPU224）及丹佛斯VLT2800型0.75KW变频器和接近开关，取代了传统的机械式继电器控制回路，本系统自2004年7月使用至今，工作可靠、性能稳定、故障率低，同时由于在设置上采用了选择开关，使不同的产品可以通过选择开关选择，使系统操作简单方便，丝饼的成形明显好转。

绪论
用于关键过程控制和安全仪表系统的设备的软件数量持续增长。这是因为在安全仪表系统中，使用灵活的安全PLC代替继电器或DCS有强大的趋势。安全PLC是基于微型计算机的控制器，设计用于高安全和高可靠性的应用。安全PLC提供应用灵活性、自诊断、到其他工厂自动化系统的通讯接口、帮助阻止人为错误的自动应用工具以及在常规PLC/DCS设备中不能得到的可靠性等级和安全等级。
当通过一系列由第三方认证机构（例如，德国TUV或美国FMRC）提供的测试时，PLC才具有安全PLC的资格。安全PLC通过每个认证，主要是IEC61508 [2]和VDE0801/A1[3]。这些标准要求广泛的软硬件的安全分析。分析的关键部分是PLC的诊断能力。在VDE0801/A1标准中，定性规则是“未知危险不能检测故障”的应用。在IEC61508标准中，必须完成硬件故障的详细量化分析[4，5]。那个分析决定了“诊断覆盖率”，在0%到之间。根据目标安全完整性等级以及安全冗余的量，期望的诊断覆盖率是90%。安全PLC也被评估从而确保电气安全、用户手册完整性、容错架构和软件完整性。软件完整性是常规PLC/DCS设备和安全PLC的另一个关键区别。
高完整性的软件
当在某些地理区域，一些调整机构仍不允许基于软件的设备应用到关键过程控制或安全保护应用中，大部分已经认识到在安全认证的基于软件的控制器中可以得到加强的诊断值。这些调整机构不允许软件引用复杂软件和软件故障历史[6]的非预测性。
也许有理由怀疑一些类型的客户级软件的可靠性和安全，但是安全PLC的设计人员使用的有严格的要求从而增加软件的完整性。标准强调根据生命周期模型进行产品开发的过程。当一些模型仍可用时，由于在产品开发过程中设计和测试规范之间的联系，“V-模型”是推荐的选择（见图1）。兼容这些要求的软件技术会在以后讨论。

标准覆盖从产品的功能要求到终测试的整个开发过程，不只是软件实施。要求一整套设计用于确保好的软件质量，避免故障以及故障控制的开发活动。这些活动包括程序执行诊断、数据校验测试、数据存储完整性、简化复杂性以及一套广泛的软件开发过程要求。通过认证机构的帮助，紧密遵守这些方针，从而实现“高完整性软件。”
安全标准要求许多类型的产品（带软件或不带软件）所没有的质量和鲁棒性。VDE0801/A1 和 IEC61508规则是否在被应用，它们规定更严格的产品开发成就。这些产品的软件开发必须包括许多技术，这些技术对普通的软件供应商来说极端昂贵（在时间和资金）的。

关键软件过程
Juran 和 Deming开发的以工厂运行为质量原则而闻名与世。这些质量原则要求估计过程，然后按照过程进行。当按照过程进行时，也许看到明显之处，很容易把软件质量认为是理所当然的，以及在初始设计完成后，简化过程。这意味着有时是“软件文化”的一部分，特别是当一个项目延期时。
关键安全软件开发过程强调V-模型，该模型从产品要求出发。要求回顾决定所有安全相关的要求是否存档。如V-模型所示，产品校验测试和产品要求同时开发。当产品要求完成时，测试计划能完成，也应该完成。测试计划回顾提供好的任何特定要求的可测试性（要求合理性的测试）的交叉校验。测试计划回顾也在很多设计发生前揭示缺少的要求。
要求考虑整个工程的基础，并应严肃对待。每个要求必须在可量化的术语（“模拟量通道应能在一秒内检测任何引起一个值大于量程的+/- 2%的故障”）中陈述安全功能。过程的一个重要方面是要求测试的可追踪性。当核对这个步骤容易时，它也帮助开发人员识别缺少的和重复的要求。测试努力必须显示满足产品要求的正确性和完整性。正确性意味着软件运行平台严格地按设计进行，满足匹配的要求以及为故障检测采取恰当的行动。完整性意味着所有要求必须满足。

管理机会
对开发项目组来说，保持对变化要求的控制非常重要。应恰当地识别文件（包括版本历史）。以前的回顾应通过满足的细节保持，这些细节包括问题决议和达成一致的行动项目。如果决定影响要求，项目组必须返回过程，并判断对产品其他方面的影响。项目经理必须回顾和确保所有行动项目的完成。更重要的是，项目组必须把设计问题的非正式决议转换到设计文件。不是所有的设计决定都是通过正式的回顾做出的，许多决定能在、也应该在恰当地实施决定的级别上做出。当以这种方式做出决定时，应更新恰当的设计文件。文件跟踪通知所有项目股东已做出变更。

安全PLC软件技术
软件故障不会任意发生，也不能克服软件故障；所有软件故障都在系统里设计。当特定输入、定时、数据的结合在系统的正确条件下出现时，每次都会出现故障。由于这个原因，软件系统的故障以“系统”故障闻名。制造特定软件是以前打算完成的，软件必须校验自身从而确定软件已完成它必须完成的功能。软件诊断被编程到嵌入式编码中。一个有效的软件诊断是“流程控制”。程序流程校验确保以正确的顺序执行必需的功能。在程序的关键点，好用时间戳设置“标志”，（见图2）。在校验每个程序扫描的标志的结尾处，在标志设置之间的时间差异能用参考值比较，从而做出进一步的错误检测。

另一个软件诊断称为“合理化校验”。当计算的结果一直在已知范围内，能测试计算的结果从而发现它们是否超出这些已知范围。在这种方式下，能在错误系统动作发生前检测系统故障。除了计算结果之外，在软件控制下得到并存储许多状态和值。当值是互斥的，这个数据的另外的合理化校验能在错误状态发生时标志故障。相同的机制能被用于基于软件的系统的信息方案。
在安全PLC里使用的数据必须保护崩溃。关键数据通过分析关键软件功能的执行流程识别。通常用数据流程图来实现，这个分析识别在安全要求里完成的关键功能软件过程。这些功能包括诊断和用户安全程序的执行。和这些软件过程相关的数据被命名为关键数据。关键数据通过不能检测的方式利用系统软件故障或硬件故障以不能变成崩溃的方式存储。
图2显示带过程链和反向考虑校验的数据流程图。#8过程提供#1过程到#3过程的交叉校验，检测正常处理链的故障。当#1至#3过程也能提供高度准确的基于产品规范的结果时，#8过程提供一个在产品安全精度范围内的比较，它常常精度低，但能检测一个错误的软件条件。

关键功能的防火墙
当关键的安全功能必须与非安全软件功能结合时，设计必须为非干扰包括充分的安全措施。这意味着任何非安全的运行，例如从安全系统到工厂经理控制屏的数据采集，不能以任何方式妨碍或抑制安全系统的安全运行或故障检测机制。如果任何非安全功能有写数据到安全系统的可能性，写必须在可控环境下，并以允许的组态模式。系统设计必须拒系统的任何意外变更。
软件复杂性
安全PLC标准要求专用技术从而降低软件复杂性。操作系统仔细检查任务的相互作用。要避免实时相互作用，例如多任务和中断。这是因为许多阴险的软件故障已被跟踪软件程序和多软件任务使用的通用资源之间的非预期的相互作用。当使用多任务时，实时多任务的相互作用要求广泛的回顾和测试。在多任务环境中，通过异步任务，避免通用资源（例如I/O寄存器和内存）的使用是非常重要的。

测试
在软件开发过程中，安全PLC需要额外的软件测试技术。必须证实关键分析的发现和假设。必须运行一系列“强制软件故障”测试从而校对数据完整性校验。在测试中，程序被有意中断，从而确保可预测性以及对软件的安全响应。专用于微处理器的硬件仿真器，常设置断点，改变程序数据，然后程序允许连续发现是否检测到故障。另一个测试模式使用内嵌到程序的定制软件。这要求一个监视程序接收用户专用测试码的输入。这些测试码调用时间独立的故障强制功能，通过一个仿真器很难完成。这些测试必须完全归档以便第三方调查员能理解运行。当这个活动在大部分软件开发中没有被证明是正当时，大部分有害的和隐蔽的软件设计故障怎样被发现是jingque的。

故障和变更跟踪
当在软件设计和编码中发现可疑的问题时，它们必须记录以及使用正式系统[8]回顾。不是所有报告的问题都真正有缺陷，这些应该根据基本原理决定是否屏弃。不是所有发现的问题都是不可靠或与安全无关的。当问题被研究以及认为足够重要需要修复时，开发组应完成可疑缺陷的受影响分析。这些分析应包括：