基于S7-PLC和M4變頻器的繞線機(jī)自適應(yīng)控制

丁斗章

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

基于S7-PLC和M4變頻器的繞線機(jī)自適應(yīng)控制

丁斗章

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

研究了一種由可編程控制器(PLC)和M4變頻器驅(qū)動的繞線機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)在繞制時，線速度保持恒定，角速度自適應(yīng)繞制半徑的調(diào)整。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置了變頻器的控制參數(shù)，描述了自適應(yīng)控制關(guān)系和相應(yīng)的控制流程；設(shè)計了自適應(yīng)控制程序并下載到PLC中，輸出給M4變頻器的自適應(yīng)模擬控制輸入由程序完成計算。仿真研究驗證了由PLC和M4變頻器驅(qū)動的繞線機(jī)自適應(yīng)控制方法的有效性。

繞線機(jī)； 現(xiàn)代控制器； 自適應(yīng)控制； 程序設(shè)計

PLC繞線機(jī)在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，繞線機(jī)的控制不斷改進(jìn)，文獻(xiàn)[1]中描述了OMRON柔性控制器在高速繞線機(jī)上的應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]中設(shè)計了基于ARM處理器和可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)的繞線機(jī)控制系統(tǒng)來滿足電動機(jī)精確繞制的技術(shù)要求。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計了基于PLC的繞線機(jī)自動控制系統(tǒng)，使用高速脈沖來控制步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行繞制。文獻(xiàn)[4]中給出了基于交流伺服控制的DSP TMS320LF2407、運動控制芯片JRMCK201和步進(jìn)驅(qū)動的繞線機(jī)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]中研究了基于PLC DVP14SS11T2和變頻器VFD015M21的繞線機(jī)控制，但是未討論輸入至變頻器的模擬信號對繞制角速度的控制。文獻(xiàn)[6]中討論了最大基頻時分層控制的優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[7]中采用電子感應(yīng)器和單片機(jī)來調(diào)節(jié)阻尼力矩，結(jié)合簡單的強直結(jié)構(gòu)設(shè)計，繞線機(jī)可以實現(xiàn)自適應(yīng)的張力調(diào)整。文獻(xiàn)[8]中采用了脈沖組合算法來解決特定情況下的繞制同步問題。文獻(xiàn)[9]中介紹了高速繞線機(jī)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]中研究了線性感應(yīng)電動機(jī)考慮主要邊緣效應(yīng)的魯棒非線性控制；文獻(xiàn)[11]中研究了線性電動機(jī)在機(jī)械彈性情況下的自適應(yīng)非線性速度控制。文獻(xiàn)[12]中采用內(nèi)、外拉桿同步往復(fù)和交錯變換漆包線頭裝夾位置的方法，解決了扼流圈主要依靠人工繞制的問題。文獻(xiàn)[13]中研究了細(xì)微線空心繞線機(jī)，并闡述了復(fù)合排線的原理。文獻(xiàn)[14]中研制了一種基于矢量變頻技術(shù)的專用恒張力繞線機(jī)，用于超導(dǎo)線圈的繞制。文獻(xiàn)[15]中利用S7-200 PLC和觸摸屏在普通車床上完成了繞線機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，使繞制質(zhì)量和精度得以提高。文獻(xiàn)[16]中對轉(zhuǎn)子繞線機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和Simulink仿真，從而確定了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)。

本文利用S7-PLC和M4控制器設(shè)定繞制的線速度、最大角速度、每層的匝數(shù)、繞制的層數(shù)、初始繞制半徑和繞線的直徑等參數(shù)，體現(xiàn)了對不同繞制情況的柔性以及由此而來的應(yīng)用的寬泛性，繞制的角速度自適應(yīng)于繞制半徑的改變，繞制進(jìn)程更加平滑和穩(wěn)定，具有更好的繞制質(zhì)量。

1 繞線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

繞線機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見，該系統(tǒng)由繞制輪及其驅(qū)動電動機(jī)、M4變頻器、核心的PLC控制器、成形支架和相關(guān)的步進(jìn)電動機(jī)等組成。

圖1 繞線機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Construction scheme of winding machine control system

繞線機(jī)運行時由交流電動機(jī)驅(qū)動繞制輪盤，交流電動機(jī)由M4變頻器控制。為使繞制過程平穩(wěn)進(jìn)行，繞線的線速度需保持恒定，每一層繞線的角速度的變化遵循如下原則：

v=rω

(1)

式中，v為繞線的速度；r為繞制的半徑；ω為繞制輪盤的角速度。

步進(jìn)電動機(jī)用于控制成形支架的高度，隨著繞制的進(jìn)行，繞制半徑不斷增加；為保持線的張力的恒定，成形支架同步升高。繞制的方向由安裝在成形支架上的繞線導(dǎo)向器引導(dǎo)，當(dāng)一層繞制完成、進(jìn)入下一層時，導(dǎo)向器實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，該時間點和成形方向由PLC計算并控制。

2 自適應(yīng)控制設(shè)計

2.1M4變頻器的參數(shù)選用與設(shè)置

繞線機(jī)在運行時，要求線速度保持恒定，故每一層繞線的角速度則必須發(fā)生變化。由于驅(qū)動繞制輪盤的M4變頻器的控制輸入是模擬量，故該模擬量在每一層是不同的。本文實現(xiàn)設(shè)計控制的M4變頻器的參數(shù)設(shè)定如表1所示。同時，將選用電動機(jī)的各額定參數(shù)寫入M4變頻器的P0300～P0314參數(shù)中。

2.2基于S7-PLC的自適應(yīng)控制設(shè)計

設(shè)繞制進(jìn)程包括m層，每層有n匝，繞制線的直徑為d，繞制輪盤的初始半徑為r0。繞制進(jìn)程如下：

對第1層，r=r0。由于繞線速度v保持恒定，故繞制輪盤的角速度為

ω=ω0=v/r0

當(dāng)?shù)?層的n匝繞制完成時，成形方向必須改變。一般地，繞制半徑為

r=rf+d

(2)

式中，rf為上一層的繞制半徑。

表1M4變頻器參數(shù)的設(shè)置
Tab.1 Parameter settings of M4 inverter

則下一層的繞制半徑為

r=r0+d

根據(jù)式(1)，則其角速度較第1層有所下降。

隨著繞制半徑的增加，每一層的繞制時間t也自適應(yīng)地發(fā)生變化，為

t=2πr·n/v

(3)

在繞制進(jìn)程中，繞制半徑的調(diào)整發(fā)生于繞制的換層時刻，這是自適應(yīng)控制的條件。當(dāng)該自適應(yīng)控制條件發(fā)生時，自適應(yīng)控制函數(shù)，即繞制每一層的定時器定時值和PLC輸出給M4變頻器的模擬量必須在同一時刻進(jìn)行更新。當(dāng)新的繞制半徑確定后，時間值進(jìn)行更新，表明自適應(yīng)控制條件的發(fā)生基于時間的預(yù)測。圖2給出了繞制進(jìn)程流程圖。

圖2 繞制進(jìn)程的流程圖Fig.2 Flow diagram of winding progress

S7-PLC模擬量模塊和M4變頻器參數(shù)之間存在一定的關(guān)系，如PLC模擬量模塊的最大數(shù)值必須與通常設(shè)置在M4變頻器參數(shù)P1082和PLC撥碼開關(guān)選擇的最大模擬電壓相對應(yīng)；計算出的PLC模擬量模塊的輸出電壓即為M4變頻器的輸入電壓，該控制輸入決定了M4變頻器的輸出頻率和電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。M4變頻器的各實際工作頻率值與最大頻率值之間符合線性關(guān)系。

PLC的模擬輸出量ω通過PLC作為自適應(yīng)控制器計算得到，即

ω=r0ω0/r

(4)

計算結(jié)果ω與r成反比，ω值決定了PLC模擬量模塊的數(shù)字值以及模擬輸出量。

當(dāng)一層繞制結(jié)束時，PLC控制繞制電動機(jī)自適應(yīng)地隨繞制半徑的變化而調(diào)整繞制的角速度，同時，控制成形支架的步進(jìn)電動機(jī)實現(xiàn)步進(jìn)運動，使成形支架與繞制電動機(jī)之間的繞線保持恒定的張力，獲得較好的繞制效果。

3 PLC程序設(shè)計

在實驗室中，使用S7-300 PLC進(jìn)行程序設(shè)計和調(diào)試。CPU為314C-2 DP，具有數(shù)字輸入和輸出、模擬輸入和輸出功能。本文設(shè)定繞線機(jī)參數(shù)如下：m=200，n=300，d=1mm，r0=50mm，fmax=30Hz。

3.1繞制半徑的增加

圖3給出了繞制半徑增加的PLC程序。根據(jù)繞制進(jìn)程，每繞制一層，即當(dāng)每一層定時器的時間達(dá)到設(shè)定值時，M1.1閉合。MD2存儲的數(shù)據(jù)為rf，MD42存儲的數(shù)據(jù)為繞線直徑d，而MD46存儲的數(shù)據(jù)為當(dāng)前繞制半徑。同時，MD46存儲的內(nèi)容(當(dāng)前繞制半徑)由MOVE指令傳輸給MD2，為繞制下一層做好準(zhǔn)備。

圖3 繞制半徑增加的PLC程序Fig.3 PLC network of winding radius addition

3.2定時器的自適應(yīng)

在繞制過程中，每一層的繞制時間是自適應(yīng)變化的，由定時器控制。圖4給出了定時器設(shè)定值的計算程序。圖中，M0.5存儲的是上一步的輸出，MD18存儲的數(shù)據(jù)為2π·n=600π，故MD18存儲的內(nèi)容乘以MD2存儲的內(nèi)容等于當(dāng)前層繞線的長度，存儲在MD26中；MD22存儲的內(nèi)容為繞線速度v=r0ω0=3000π。由此，MD30存儲的內(nèi)容等于該層的繞制時間，且該時間傳輸給通電延時接通定時器T1的TV端。每一層的繞制時間隨著繞制半徑的增加而改變。

圖4 定時器設(shè)定值的PLC計算程序Fig.4 PLC network of computation of timer setting value

3．3自適應(yīng)模擬量輸出

PLC的模擬量輸出是M4變頻器的控制輸入，來控制繞制輪盤的角速度。圖5給出了繞制角速度模擬量輸出計算程序。圖中，M0.1為程序開始工作時的啟動信號；PLC的最大數(shù)字量“27648”對應(yīng)最大模擬輸出，即MD74中存儲的數(shù)據(jù)ω0=60π；該兩數(shù)的比率存儲在MD34中。MD14存儲的數(shù)據(jù)為當(dāng)前角速度ω，該值等于MD2存儲的內(nèi)容除以MD22存儲的內(nèi)容；MD34存儲的內(nèi)容乘以MD14存儲的內(nèi)容成為模擬輸出的對應(yīng)數(shù)字量，存放在MD38中，最后該對應(yīng)值傳送至模擬輸出地址PQW752。

圖5 繞制角速度的模擬量輸出計算PLC程序Fig.5 PLC network of computation of analog output of the winding angular velocity

3.4控制程序仿真

將整個控制程序下載至PLC進(jìn)行仿真研究實驗。圖6給出了繞制角速度的模擬量輸出計算的仿真運行圖。程序在運行時，表示能量流的各線條和方框呈現(xiàn)綠色(見圖中虛線方框部分)，表明所設(shè)計的程序運行正常，說明了控制程序的合理、有效性。

圖6 控制程序仿真Fig.6 Simulation of the control program

4 結(jié) 語

針對繞線機(jī)的控制，本文研究了一種基于可編程控制器PLC和M4變頻器驅(qū)動的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)保持繞線的線速度不變，每一層的繞制角速度不變；換層時，繞制的半徑發(fā)生改變，角速度自適應(yīng)于繞制半徑的調(diào)整，輸出給M4變頻器的自適應(yīng)模擬控制輸入，由程序完成計算調(diào)整以控制角速度，同時，一層的繞制時間也隨之調(diào)整。依據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和自適應(yīng)控制的流程要求，設(shè)置了變頻器的控制參數(shù)，設(shè)計了自適應(yīng)控制程序并下載至S7-300 PLC進(jìn)行仿真調(diào)試，驗證了基于PLC和M4變頻器驅(qū)動的繞線機(jī)的自適應(yīng)控制方法是可行的。

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DINGDouzhang

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

Construction of a winding machine system with a programmable controller and an inverter is introduced. The line velocity keeps constant while winding, and the angular velocity adapts to the increase of winding radius. The system construction scheme is proposed. Control parameters of inverter are set up. Adaptive control relation is explained and the corresponding program flow diagram presented. The adaptive control program is designed, and the program downloaded from computer to the programmable controller. Adaptive analog control input to the inverter is computed by the program. Simulation shows that the adaptive control of the winding machine is workable.

winding machine; modern controller; adaptive control; program design

2014 - 09 - 24

上海市教育委員會重點學(xué)科資助(J51901)

丁斗章(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為控制理論與控制工程，E-mail： dingdz@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2014)06 -0329 - 05

TP 273

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