三菱變頻器在磁棒平網(wǎng)印花機定位控制中的應用

1概述
磁棒平網(wǎng)印花機(簡稱平網(wǎng)印花機)是紡織印染行業(yè)特別是毛巾（含浴巾、沙灘巾、裝飾巾、毛巾掛毯等）制造企業(yè)的重要生產(chǎn)設備。平網(wǎng)印花機由橡膠輸送帶（簡稱導帶）輸送毛巾運動，多個平網(wǎng)在毛巾上套印不同的顏色，其印花及套色的準確性直接影響毛巾成品的美觀和質(zhì)量等級，因而要求拖動系統(tǒng)定位準確；為了提高生產(chǎn)效率，降低成本，又必須保持一定的印染速度。若速度過快，慣性太大，導帶難以停穩(wěn)，定位套色必然不準，這是一個不可回避的矛盾。在湖南某毛巾廠，我們以三菱工控產(chǎn)品為主體，設計了一個印花機自控系統(tǒng)，發(fā)掘了變頻器的功能，巧妙地利用它進行定位控制，以較少的投資平衡了上述矛盾，技術(shù)改造方案達到了預定的目標。

2 平網(wǎng)印花機的工作原理
首先在導帶的預定位置用乳白膠粘貼白色毛巾坯，然后啟動變頻器驅(qū)動三相籠型交流異步電機，電機經(jīng)蝸輪減速機減速后拖動導帶，當導帶上的毛巾對準印花平網(wǎng)的位置停穩(wěn)后，平網(wǎng)網(wǎng)框下壓貼緊毛巾，網(wǎng)框內(nèi)放置的細圓磁性鋼棒在輸送帶下方的磁場控制器驅(qū)動下往復滾動，將平網(wǎng)內(nèi)放置的顏料透過鏤空的圖案印染到毛巾上。第一個顏色的圖案印完了，網(wǎng)框抬起，導帶將毛巾送到下一個網(wǎng)框位置停穩(wěn)，開始第二個顏色圖案的印染………，直到多個顏色（一般8~10個顏色）依次套準印完，一條彩色毛巾才告完成，而第二條毛巾緊接著第一條毛巾不間隔地套色印染………周而復始，連續(xù)作業(yè)。每條毛巾印染完成后，隨即送到隧道式蒸汽烘房內(nèi)烘干，然后絞邊、整理、質(zhì)檢、包裝，直至入庫出廠。

３　平網(wǎng)印花機自控系統(tǒng)主要配置
·三菱多功能矢量控制變頻器：ＦＲ－Ａ５４０－７.５Ｋ－ＣＨ（內(nèi)置制動單元） 　 　1臺
·上海穩(wěn)達RXLG鋁合金外殼變頻器制動電阻 75Ω/ 780W 1只
·三相籠型交流異步電動機：Y系列，4極，7.5kW 1臺
·三菱可編程控制器：FX2N-48MR-001（繼電器輸出、I/0=24/24、內(nèi)置高速計數(shù)功能） 1臺
·臺達旋轉(zhuǎn)編碼器：ES520CB8942（增量式、集電極開路輸出、解析度2000ppr） 1臺
·三菱4.4英寸觸摸屏：F930GOT-BWD-C（STN藍白兩色） 1臺
·明緯開關(guān)電源：S-25-24（220VAC / +24VDC；對編碼器和觸摸屏供電） 1臺


4 平網(wǎng)印花機負載的機械特性和變頻器的選型
平網(wǎng)印花機的電氣拖動主要是驅(qū)動橡膠導帶運動，其阻力矩TL取決于導帶和傳輸輥之間的摩擦力FL與傳輸輥半徑r的乘積，即TL=FL×r。在這里，傳輸輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小也與轉(zhuǎn)速無關(guān)。這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負載機械特性。因此，初步選用三菱A540系列變頻器。
三菱A540系列變頻器具有如下特性：
·采用先進的磁通矢量控制。由于采用了精簡指令集計算機RISC微處理芯片，使之具有全新的在線自動調(diào)整功能，使電機在不影響啟動速度的情況下迅速得到調(diào)整，從而在不安裝編碼器反饋PLG板低速運行時，達到高精度運行和高轉(zhuǎn)矩輸出。
·具有多段速度選擇功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時間選擇RT、漏型公共輸入端SD等端子，可以通過PLC的輸出點直接控制輸入端子的ON/OFF狀態(tài)來實現(xiàn)變頻器速度的上升、下降和精確停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預置來設定。
·運用了三菱首創(chuàng)“柔性脈寬調(diào)制”（Soft-PWM）開關(guān)方式，實現(xiàn)更低噪音運行，并能減少對外射頻干擾，有利于鄰近的PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠運行。
·調(diào)速范圍：1：120（0.5Hz~60Hz運行時），采用自動調(diào)整后,可以在不同的品牌的電機上實現(xiàn)高精度運行。
·11kW以下的規(guī)格型號內(nèi)置制動單元，外配制動電阻即可實行直流制動（能耗制動），實現(xiàn)快速停車。
綜合多種因素，我們選定了三菱FR-A540-7.5kW-CH變頻器。因三菱原裝制動電阻價格較貴，技術(shù)含量不高，故外配上海穩(wěn)達RXLG型鋁合金外殼制動電阻。另外，我們曾經(jīng)在變頻器上安裝編碼器反饋PLG選件板FR-A5AP，使變頻器、電機和編碼器組成一個速度閉環(huán)，能使電機速度變動率達到±0.02%（萬分之二）。經(jīng)試驗證明：變頻器安裝PLG板的方法更適合于高精度轉(zhuǎn)速控制，而我們在這里是要利用變頻器的多段速度選擇和A540的高性能來進行定位控制，采用PGL板反而與控制要求有沖突，出現(xiàn)較大的定位誤差，因此取消了PLG板。

5 其他主要自控設備的選型
5．1 PLC的選型 三菱FX2N型PLC是目前市場占有量較大的機型，具有很高的性價比。它內(nèi)置多個高速計數(shù)器。經(jīng)過試驗，我們采用兩相兩計數(shù)輸入、頻率為30kHz的C251計數(shù)器，將編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連，可以穩(wěn)定地捕捉、記錄編碼器的脈沖信號。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點統(tǒng)計結(jié)果，我們選用24點輸入/24點輸出、繼電器輸出型的FX2N-48MR，I/O點留有一些裕量。
FX2N-48MR的輸出點的外部接線方式為分組式，有COM0~COM5共6個COM點與24個輸出點對應，可以靈活地選擇輸出點的電源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3直接與變頻器的STF（正轉(zhuǎn)啟動）、RH、RL、RT端相連，PLC的4個輸出點公用的COM1點與變頻器SD端相連，可以直接控制變頻器，提高系統(tǒng)的響應速度，并節(jié)省了有觸點閉合行程、響應較慢的電磁式繼電器或接觸器。PLC其他輸出點與對應的COM點組成回路，可以采用220VAC電源吸合接觸器線圈或其他類型的電源驅(qū)動其他器件。
5．2 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型及安裝 臺達光學式旋轉(zhuǎn)編碼器具有輕慣量、高性能的特性，它的解析度為100ppr~5000ppr，響應頻率高達500kHz。根據(jù)具體情況，型號選定為ES520CB8942，型號含義如下：


E S 5 20 C B 8 9 4 2
電纜長度：2000mm
操作環(huán)境：IP40＆70℃
輸入電壓：7~24VDC
軸/孔徑： 8mm
輸出信號：A、B（無Z輸出）
輸出形態(tài)：集電極開路輸出
解析度：2000ppr
外徑：50mm
軸形態(tài)：軸心式
應用形態(tài)：增量式

編碼器初始安裝在傳輸輥的同心位置，但試驗結(jié)果脈沖計數(shù)誤差較大。后來將編碼器安裝在與電機主軸的平行位置，通過橡膠齒帶傳動與電機同步，脈沖計數(shù)和定位控制達到了要求。這個安裝位置與交流伺服電機的旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在尾部類似，記錄的是電機的即時位置。
5．3 觸摸屏的選型 三菱F930GOT-BWD-C觸摸屏是一款高質(zhì)量的STN單色藍白液晶顯示屏，具有非常出色的視覺性能。它觸鍵反應迅速，與FX2N型PLC連接時，觸鍵反應時間小于0.163s。它的有效顯示尺寸為對角線4.4英寸，顯示5行×30個字符，足夠應付一個小型自控系統(tǒng)的人機對話要求。產(chǎn)品有很高的性價比。

6 系統(tǒng)調(diào)試、變頻器參數(shù)設置和運行效果
6．1 計算平網(wǎng)間隔的脈沖總數(shù)和分段脈沖數(shù) 8色平網(wǎng)的相互間隔是一個定值；減速機的減速比、傳輸輥的周長等也是定值；而編碼器每轉(zhuǎn)為2000個脈沖；根據(jù)以上已知數(shù)據(jù)，可以推算出理論上的脈沖數(shù)。用PLC編寫一條32位的高速計數(shù)器區(qū)間比較復位指令DHSZ，用觸摸屏對PLC數(shù)據(jù)寄存器D賦值，數(shù)值以理論脈沖數(shù)為基準增減，再與C251記錄的編碼器脈沖數(shù)進行比較，當兩個數(shù)據(jù)相等時，PLC指令變頻器和電機停機。經(jīng)反復賦值試驗，可以找到精確的編碼器脈沖總數(shù)。然后按照速度控制規(guī)律的各段分配脈沖數(shù)，以指導PLC適時向變頻器發(fā)出速度切換指令。試驗時電機采用低速運行，脈沖數(shù)以實際記錄為準。（參見圖2）
6．2 變頻器參數(shù)設置 起初，我們采用三段速控制，擬高速段Pr.4設為60Hz，中速段Pr.5設為30Hz，低速段Pr.6設為0.8Hz。經(jīng)試驗，發(fā)現(xiàn)在中段速轉(zhuǎn)折處，導帶有些抖動，影響穩(wěn)定均勻降速，最后設置兩段速：高速60Hz，低速設為0.8Hz。上限頻率Pr.1與高速段速度參數(shù)Pr.4數(shù)值相同；下限頻率Pr.2設為0。
加速/減速時間的設置是變頻器參數(shù)設置的關(guān)鍵。印花機“加速—運行—減速—低速運行—停止”為一個運行周期，每一周期中的間隔是磁棒的滾動印染時間。系統(tǒng)最終調(diào)試的結(jié)果是小于4秒鐘為一個運行周期：加速時間Pr.7、高速段60Hz運行時間、減速時間Pr.8、低速段0.8Hz的運行時間大約都設為1秒鐘。變頻器和電機是在0.8Hz的極低速度下運行到終點，即第二減速時間Pr.45為0。在降速和停止過程中，制動單元及電阻的直流制動（能耗制動）功不可沒。直流制動的相關(guān)參數(shù)有Pr.10直流制動動作頻率、Pr.11直流制動動作時間、Pr.12直流制動電壓等3個參數(shù)。合理設置這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運行的停止精度或直流制動的運行時間，使它適合負荷的要求?？傊冾l器參數(shù)的設定始終要兼顧定位的準確性、穩(wěn)定性和印染速度。


6．3 運行效果 我們在PLC程序設計時，對每一個運行周期進行編碼器計數(shù)清零，使之沒有誤差；變頻器參數(shù)的精細調(diào)整使導帶運行快速穩(wěn)定，定位準確；驗收時的試驗結(jié)果是：連續(xù)13個周期的積累誤差小于0.5mm，滿足了毛巾印花機的速度和精度的要求?，F(xiàn)在已運行了三個多月，情況良好。這套系統(tǒng)我們是采用普通三相籠型電機來作動力來源的，若改用變頻器專用的恒轉(zhuǎn)矩電機，效果會更加理想。

7 印花機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢
7．1 平網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 印花機分為平網(wǎng)和圓網(wǎng)兩個大類。在經(jīng)濟發(fā)達國家和我國沿海發(fā)達地區(qū)，普遍采用交流伺服系統(tǒng)來驅(qū)動平網(wǎng)印花機。交流伺服系統(tǒng)比變頻器系統(tǒng)效率更高、定位更準，技術(shù)更為先進，是目前的發(fā)展趨勢。如本文所敘述的系統(tǒng)，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服電機和MR-J2S-700A型伺服放大器組成伺服系統(tǒng)，可以提高印染精度并較大幅度地提高生產(chǎn)效率。但是，它的投資大約是變頻器系統(tǒng)的5~8倍。
7．2 圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)的機械式圓網(wǎng)印花機是由主電機通過機械傳動鏈使8~20只圓網(wǎng)與傳輸導帶同步運轉(zhuǎn)，連續(xù)印染無限長的紡織品。它的機械結(jié)構(gòu)復雜、速度慢、效率低、對花次布多，不能適應高檔精細花型的生產(chǎn)。圓網(wǎng)印花機的發(fā)展趨勢是以荷蘭STORK畢加索產(chǎn)品為代表，采用多電機獨立傳動、同步運