MM 440變頻器PID功能在化纖設備中的應用

王韞凌

邯鄲宏大化纖機械有限公司(中國)

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MM 440變頻器PID功能在化纖設備中的應用

王韞凌

邯鄲宏大化纖機械有限公司(中國)

介紹了化纖設備中，利用西門子MM 440變頻器的PID功能保持絲束張力恒定的控制問題。

化纖設備； MM 440變頻器； 比例-積分-微分

在化纖機械行業中，涉及到許多需要保持絲束張力恒定的設備。例如，短纖生產線中，為確保纖維品質，張力機與切斷機之間的絲束或張力機與卷曲機之間的絲束必須具有一定的張力且張力需保持恒定不變。達到這一目的的方法很多，根據現有的硬件完成同樣的功能，則既可降低成本，又能方便維護。隨著變頻調速技術的不斷發展，變頻器廣泛應用于各種工業自動化設備中，機械設備對精度控制的要求和自動化程度的需求也越來越高，從而要求對現有自動化產品有較為深刻的了解。變頻器中PID(比例-積分-微分)功能應用較為廣泛，PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路組件，由比例單元P、積分單元I、微分單元D組成，PID控制的基礎是比例控制，積分控制可消除穩態誤差，但可能增加超調；微分控制可提高大慣性系統響應速度及減弱超調趨勢。PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容，是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間。PID功能應用的關鍵是如何在做出正確的測量和比較后對系統進行更好的糾正。熟練應用這一功能可解決很多實際生產中遇到的問題。本文介紹了利用西門子MM 440變頻器內置的PID功能，對絲束恒定張力的控制問題。

1 控制系統

以張力機與卷曲機間的張力控制為例。如圖1所示，為確保纖維卷曲度和品質達到一定的質量要求，張力機與卷曲機之間的絲束張力必須保持恒定，因此需在張力機與卷曲機之間增加一個檢測元件，即張力傳感器，以形成閉環控制系統。本例中必須配備以下基本硬件：可編程邏輯控制器(PLC)、1個模擬量輸入模塊、1個模擬量輸出模塊、觸摸屏和MM 440變頻器，1臺張力傳感器。

圖1 現場設備示意圖

2 控制方法

張力控制的連接方式如圖2所示。

圖2 張力控制的連接方式

因在化纖生產線中本例僅為全線的一個環節，為保持控制方式的一致性，兩臺分別控制張力機和卷曲機的MM 440變頻器可通過Profibus DP總線給定速度，由于張力機速度恒定，因此需通過對卷曲機速度的微調來實現卷曲過程中張力的恒定。卷曲機速度的微調是通過控制卷曲機變頻器中PID功能實現的。在本例中，由于兩臺變頻器的主給定速度是通過Profibus DP總線給定的，而微調速度是通過控制卷曲機的變頻器上的模擬量輸入端子給定的，所以要求變頻器必須有兩個模擬量輸入點，一個用于張力設定接入，另一個用于反饋接入。而若變頻器的主要同步速度通過模擬量給定，則變頻器就必須有3個模擬量輸入點。

主要控制方法如下：張力機和卷曲機的主速度通過

Profibus DP總線給定，利用張力傳感器測定兩臺設備之間絲束的張力反饋信號。變頻器方框圖如圖3所示。

張力傳感器輸出的0～10 V的直流電壓信號直接接入控制卷曲機的MM 440變頻器接線端子的模擬量輸入端2，即接線引腳26和27上，因本例中張力傳感器信號為電壓信號，需設定P0756[1]為1，并將DIP2開關撥至OFF。DIP開關設置方法如下：OFF=電壓輸入(0～10 V); ON=電流輸入(20 mA), DIP1對應模擬輸入1，DIP2對應模擬輸入2。模擬量輸入端2作為反饋通道。需要的實際張力可在現場操作臺上的人機界面(人機界面也通過Profibus DP總線與PLC進行通訊)中設定，從而將所設定張力的數值反饋到PLC中，并通過模擬量輸出模塊，將設定張力的數值轉化為0～10 V直流電壓信號，接入卷曲機變頻器接線端子的模擬量輸入端1，即接線引腳12與13上，需設定P0756[0]為1，并將DIP1開關撥至OFF。如圖3所示，設定變頻器參數P2251=1，即設置PID方式為PID作為微調，PID輸出作為微調與總線給定的主速度進行疊加，通過對卷曲機的速度改變達到對張力機與卷曲機之間張力的跟隨，即通過對卷曲機變頻器速度的控制實現絲束張力的恒定。

圖3 MM 440變頻器方框圖

可見，張力控制是通過變頻器中PID微調功能實現的，PID參數的設置直接影響系統的動態特性和穩定性。因此在保證系統穩定性的前提下，應將比例增益慢慢放大，積分時間逐漸放短，直至張力的穩定。

本例中，作為微調的反饋值上下限可根據總線給定的速度通過P2291和P2292設定，以使反饋值與主給定速度匹配。

若張力機與卷曲機之間絲束的張力太大，將引發張力機“倒拖”發電現象，即張力機電機不是依靠變頻器的控制而旋轉，而是被動地被卷曲機通過纖維強制拖拉。由此控制張力機的變頻器將發生過流報警，導致變頻器故障停止，因此需在控制張力機的變頻器上連接一個制動電阻，以解決這一問題。

4 變頻器主要參數設置

為實現上述功能，變頻器需設置以下參數。

4.1 張力機參數

4.2 卷曲機參數

5 診斷

變頻器如果不能自動調節至目標值，可以查詢卷曲機變頻器的以下參數進行診斷[1]。

r2262： 經過濾波的已激活的PID設定值，即為設定張力。檢查該值與設定轉化為電壓信號的值是否一致，如r2262=100%，相當于PLC從模擬量模塊讀數為4000(此為十六進制數),對應最大電壓10 V,即可檢查設定值通道是否與設定值一致。

r2272： PID標定的反饋信號。此為張力傳感器的反饋信號，如r2272=100%，相當于PLC從模擬量模塊讀數為4000(此為十六進制數)，此值對應最大電壓10 V,即可檢查反饋電壓值是否與實際一致。

r2273： PID偏差。顯示設定值與反饋信號之間的PID偏差，即r2262與r2272的差值，如果此值為正，卷曲機應加速；如果此值為負，卷曲機應減速；當差值為0時，即為設定張力值。

r2294：實際的PID輸出。若r2273為正，則r2294增加；若r2273為負，則r2294減少。

6 結語

充分利用變頻器自帶的PID功能，可避免或減少PLC編寫相關程序的工作量，同時仍能保持設備的控制精度，并能達到通過PID功能控制張力的目的。

[1] 西門子公司.MicroMaster 440標準變頻器使用大全[Z].2007:179-195.

Application of the PID function of MM 440 converter to chemical fiber equipments

WangYunling

HandanHongdaChemicalFibreMachineryCo.,Ltd.，Handan/China

Keeping tension of the screw constant by the PID function of MM 440 converter on equipments of chemical fiber was described.

chemical fiber equipment; MM 440 converter; proportion integration differentiation(PID)