基于HMI的纸管机控制系统变频控制设计

1 引言

　   纸管机是一种纸料加工机械，它以单光面牛皮纸为原料，经过切刀成片，将其卷成纸卷的设备。生产的纸管主要用于穿在的横粱上，代替塑料外皮，符合环保的标准。将纸管用作衣架横梁的外壳，就可根据需要调整直径，而衣架的重量不变，克服了传统金属和塑料衣架弊端。此外，经过喷漆的纸管外形美观。还可起到滑轮的作用。该种纸管衣架主要大批量向国外出口，专门生产该种纸管的机械，在国内几乎是空白。

　　国内相似的纸类产品加工机多为半自动机型，主要采用机械传动的方式实现纸的切片，之后由人工将纸片送到卷纸机内进行卷管，生产效率比较低，不能适应时代的要求。设计开发的是全自动机，无需人工送纸，实现了送纸、切纸、卷纸全自动化生产，有效的提高了生产效率，为企业创造的效益。

       全自动纸管机的电气控制系统设计具有如下的特点：

　　(1)采用先进的PLC和数字通讯技术实现生产过程。PLC的灵活性编程，利于程序的阅读、修改和维护。系统中通讯用到的自由口协议，编程简单，不需要另购模块，开发成本低。

　　(2)变频器控制电机传动平稳、维护工作量小、现场环境清洁。通过自由口协议对变频器进行控制，极大地减少了线路连接的复杂性，避免了现场可能的各种电磁干扰对控制设备的影响。

　　(3)自动化程度较高，通过人机界面实现计数、计时计算产能、系统监控、故障自动识别，自动报警等功能，使机械安全性提高。系统维护简单，有效的降低了工人劳动强度，提高了生产效率，产能大大提高。

　　2 纸管机控制系统分析

　　纸管机要求实现自动化生产，在生产过程中实现自动送纸，自动抹胶，自动卷纸等功能，生产速度可实时调节，在整个工艺过程中，要求系统高速运行时稳定，并且废品率低。

　　根据客户提出的的要求，依据以下原则进行方案设计：

　　(1)实用性;以解决实际问题为主，坚持为客户的生产服务的原则。以往人工生产为每分钟8个.客户要求自动化生产能达到每分钟60个左右，有效的提高生产效率。并且要兼顾未来的发展趋势，采用成熟的技术。

　　(2)易用性：系统操作简便、直观，以利于各个层次的人员使用。

　　(3)经济性：以节约成本为基本出发点，设计成一个运行可靠、满足客户实际需求的全自动卷管设备。

　　(4)可靠性：是评价系统安全最重要的因素。为确保系统可靠运行，在关键部分应有安全报警和保护措施。

　　(5)可维护性：系统从设计、元件、设备等的选型都必须考虑到系统的可管理性和可维护性。

　　根据以下设计原则，并综合考虑纸管机工作现场的环境因素，采用触摸屏作为人机界面进行交互式操作。利用可视化的操作界面可以实现运行速度设定，系统控制，产能计算，调试维护，报警显示等功能。触摸屏安放在操作台上，便于员工操作;控制柜放置在台下，既节省了电缆和空间，又方便运行、操作和管理。

　　结构设计是本课题的基础。在借鉴相关领域成熟卷管设备的基础上，机械部分运用机构学和力学原理进行分析和改进，提出了模块化设计的思路，使本课题在实现功能的基础上进一步提高机构运行的稳定性和精度。

　　通过对制造工艺的研究，初步拟定了设备的结构方案。主要由四大模块组成：磨边机构、送料机构、导纸机构、卷纸机构，如图1所示。

　　图1 结构方案

　　3 设计方案

　　纸管机控制系统选用艾默生EC 10-2416BTA PLC作为控制器，eView的MT4400触摸屏作为人机界面进行参数设置，相关信息读取等，完成变频器运行频率参数设置，产品计数，生产计时，系统监控，参数修改等功能。艾默生EV1000变频器做驱动，控制主轴电机的运行，给整个生产线传动，并且频率实时可调，控制生产效率。磨边电机和吸风电机主要是用来将纸的一边打磨薄(便于涂胶和卷卷)并将其碎末吸走，通过PLC输出到热继电器控制其输出，防止电机在运行过程中因电流过大烧毁电机，有效的保障系统设备的安全运行。
 

　　输入电源380V空气开关(总开关)控制，分别引入到磨边电机、变频器各自独立的空气开关上。220V接入PLC、吸风电机、直流电源、变压器，变频器逆变为110V接Kinco伺服驱动器。PLC的输入输出以及传感器的驱动电路由24V直流电源供给。

　　3.1 变频器与HMI的通讯

　　把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行。该设备中使用的为50Hz的电机，但当频率达到30Hz时，已经满足系统生产要求，频率过高会导致系统不稳定，并且成品率低。开机时需要缓慢上升到设定频率，故需要变频器来调节主电机运行频率来满足生产线需求。由于没计中为了生产线的安全可靠性，将变频器放在了控制柜中，这样变频器上的调节频率的旋钮不能起到作用，这就需要我们用另外一种方式通讯，我们选定了触摸屏作为上位机，通过触摸屏上的旋钮来调节频率，这就需要在触摸屏，变频器和PLC之问建立起一种可靠的通讯方式，EV1000支持Modbus协议，但是需要添加模块才能实现此功能。在默认的情况下支持自由口协议。所谓自由口协议，就是可以由用户定义的通讯协议，将CPU与任意通讯协议公开的设备联网，如上位机，变频器等。用户可以设置特殊寄存器的参数改变通讯口的波特率、数据格式(数据位、停止位、校验位)，以适应不同的通讯协议。此协议需要用户在PLC内编程实现通讯功能。

　关键参数设置

　　变频器设置

　　在通讯方式控制之前，需通过的控制面板进行下列参数设置：

　　F0.00=2 频率给定通道设置为串行口给定;

　　F0.03=2 频率给定通道设置为串行口给定;

　　FF.00 通讯参数设置(波特率、起始位擞据位、停止位、校验位)，确保与PLC串口一致;

　　FF.01 变频器地址设置0127，127为广播地址;

　　PLC设置

　　在ControlStar“系统块”的“通讯口”选项卡中设置相应的通讯参数，如表1所示。

　　表1 PLC通讯参数设置

　　通讯口协议编程启动方式，由于串口同一时刻必能被一个通讯占用，所以在调用多个通讯类程序时，要注意到程序间的互锁问题。实现方法主要是在程序中通过对SM122，SM123的复位，在实现命令的传送与接收功能。

　　开机后变频器的运行频率为0Hz，此时变频器已经启动，但是没有输出，电机不运行，直到触摸屏上的频率参数被修改(被修改的是PLC寄存器内的值)，触发了设定频率子程序，子程序将修改后的频率传给变频器执行并在液晶屏上显示，这就实现了自由口的修改变频器频率的通讯。

　　PLC、变频器之间采用主从方式进行通讯，PLC为主机，变频器为从机。采用半双工双向通讯，从机只有在收到主机的地读写命令后才发送数据，在程序中通过对SM122，SM123的复位，在实现命令的传送与接收。PLC控制软件编程上采用模块式结构各种功能的子程序模块通过主程序有机的结合起来，使系统运行可靠。PLC在第一次上电时，执行初始化，对端口及SM122，SM123进行初始化，为增加程序可靠性，在初始化完成后。如检测到端口空用时则执行RSTSM122指令接口处于接败状态，程序如下：

　　∥初始化

　　LDSM122

　　EV

　　RSTSM122

　　RSTSM123

　　程序中用到的几个帧实例如下：

　　变频器启动-010200000183r

　　设定频率-0102000103E80264r

　　带频率反向启动-0102000203E80265r

　　变频器停机-01020007018Ar

　　3.2 人机界面的设计

　　系统选用的是eView的MT4400系列，通过触摸屏要实现以下功能：变频器运行频率的设定;系统监控;产能计算;调试维护;报警信息。

　　在触摸屏上将给定频率的数值存储在PLC的寄存器D25中，界面上添加调节频率的加减按钮，就实现了频率的实时可调功能。

　　寄存器D25内的值通过急停按钮，系统开关按钮的上升沿复位，从而从程序上保证厂系统运行的安全性，减少了安全隐患。设计好的变频器运行频率的设定界面，如图2所示。

　　图2 变频器运行频率的设定界面

　　系统监控主要是将被控元件用运行灯表示在界面上，当系统运行时，被控元件被触发时就在监控界面上显示闪烁状态，表示该设备正在运行中。

　　产能计算主要适用于计算生产效率，通过宏代码来实现：

　　#include"maerotypedef.h"

　　int MaeroEntry()

　　{

　　If(D30_R!=O)

　　D134_W=D31_R-D132_R;

　　D135_W=(D31_R-D132_R)*600/D30_R;

　　return0：

　　}

　　D31_R内存储运行时间内生产的总数;D132_R内存储的是废品的数量;D134_W存储合格产品的数量，宏触发时计算出结果;D30_R是运行时间计时;单位为秒;D135_W为生产效率，取整数，单位个，分钟，宏触发时计算出结果。

　　在产能计算界面上还添加了清零按钮，可以随时将寄存器D31、D30内的值清零。保证了系统的频率有改动时可以准确地计算出当前的生产效率。智能操作界面，如图3所示。

　　图3 智能操作

　　调试界面用于系统的维护和调试，可实现各个电机的单独运行。调试界面的使用，减少了PLC的控制点数，降低成本;同时也简化了操作系统。省去传统机械上的众多按钮，简化了工人操作，实现智能操作。调试界面，如图3(b)所示。

3.3 伺服系统

　　该伺服系统由kinco伺服电机及其电源模块，编码器，卷纸传感器和定位传感器组成。充分利用了kinco伺服电机快速启停，适合大惯量，内部可编程，控制模式自由切换，丰富的原点模式等诸多功能，使系统的稳定性大幅提高，废品率降低，减少因电机失步或脉冲丢失造成的样品定位错位现象，减少了设备的损坏率，很好的满足了生产的工艺要求。

　　伺服控制成型纸卷管的难点在于如何确定传感器位置，使伺服系统在纸到位后立即精确卷管，且保持同其他工序在时间上的配合。伺服电机的原点定位是设计的难点，其中，两个传感器的定位是难点之一。既要保持控制方便.又要保证机械结构上的美观和易于实现。伺服电机卷管之后保持在原点位置，设计将反射片固定在伺服电机的主轴垂直方向上，当反射片随主轴转动触发定位传感器为“ON”状态时.标定为原点位置。开机运行时如果传感器不在“ON”状态，则执行回原点程序，从而保证系统的安全准确，减少了废品率。当成型纸片涂胶完毕送到位后，触发卷纸传感器，伺服电机接收到信号进行卷管。已成型的纸管由拨片送至成品箱内。

　　在系统正常运行后，每次卷管时还会触发回原点传感器为“ON”状态，这就与卷管程序相矛盾。因此在系统开始正常运行后将回原点伺服程序置为无效，以保证后续程序的正常运行。

　　4 结论

　　全自动纸管机最高每分钟可到60个，并且运行稳定，成品率高，维护成本低，达到了客户的需求。该系统在投入使用后，运行稳定，达到理想的效果。