汇川变频器在高速多功能复合机控制系统中的应用

　　摘要：本文主要阐述采用SIEMENS S7300，S7200组成MPI网络，以及S7300 DP主站和汇川变频器DP从站系统组成PROFIBUS-DP网络设计的多功能高速复合机系统。由于该系统采用了汇川MD320通用/ MD330张力控制专用变频器来完成系统的恒张力控制。网络主要完成数据交换和传递。因此整个控制系统构成简洁，调试，维护方便，性能稳定，具有良好的数据接口，给制造厂和带来了极大的便利性和高性价比。
　　一：概述:复合机是指通过某种工艺方法，将两种或者两种以上的材料，层合在一起，形成新的一体材料的设备。经过复合之后的材料，一方面可以保持原有材料的优点，另一方面可以弥补各自的缺点。
　　 常见的复合方法有干式复合，湿式复合，热熔复合，挤出复合，和无溶剂复合法。干式复合式复合工艺的常见方法之一，它是在复合基材上均匀涂布一层溶剂型粘和剂，通过烘箱除去粘和剂后干燥，在热压状态下与其它复合基材复合后形成复合材料。常用材料是塑料薄膜，纸张以及铝箔等。
　　 而无溶剂复合则指粘和剂中无溶剂，是一种环保型的材料，因此，无需对溶剂所谓的干燥，即可直接进行粘和。
　　 很多的设备仅适用其中的一种工艺，多功能复合机则可以提供以上的两种工艺过程，因此，适用范围和材料的能力更强，但系统的结构也会变得复杂，造价也会显得更高。同时由于功能的复杂性和控制单元的增多，对系统复合速度，复合效果要求更高，因此，对于选择一种合理的控制方式，综合技术经济性方面提出了更高的要求。　　
　　二：一种典型的多功能复合机传动系统分析
　　（一）：传动系统简图
　　 比较典型的多功能高速复合机系统的传动系统和工艺过程如示意图如附图1所示。
　　 该系统一般由两套相对独立的复合装置组成，这两套装置完成干式有溶剂复合和无溶剂复合从图中可以看出，基本上电机的配置达13台或14台更多。
　　

　　 附图一：多功能复合机传动系统示意图
　　（二）：系统功能的分析：
　　A：模拟信号输入通道数
　　 从上图中可以看出，系统中至少需要考虑7段张力，这几段张力控制可以根据机械的空间结构，来确定是安装张力传感器还是安装浮动辊，对于汇川变频传动装置而言，无论是浮动辊模式还是张力传感器模式，其信号的性质都是一样，采集标准的0-10V信号或4-20MA 的电流信号。
　　 则本系统总共需要7通道模拟输入来接受张力反馈信号。
　　B：模拟输出信号通道数
　　 根据系统中电机的分布，每台电机需要一个张力给定或速度给定信号，因此，需要占用的AO通道数为14路，对于收卷装置而言，锥度控制信号需要至少占用的AO通道为1路。考虑上胶电机和风机的驱动，则需要再增加至少2路的AO通道；
　　 综合以上的要求，则需要17个模拟信号通道（其中一路备用）。
　　C：普通逻辑I/O：
　　 系统中共有收卷/放卷架共4个，每个放卷架自动测量新料卷的直径，然后将这个直径以通讯方式给到待换卷的变频器，供卷曲张力变频器使用，同时，每个放卷架完成本地的自动换卷逻辑。这样，总计的DI/DO点数大约120个。考虑收卷/放卷功能相对独立，因此，将收放卷独立作成一个MPI子站，而基本框架程序可以通用，这样，显著提高了编程工作效率，适合现代模块化，通用化编程思想。
　　D：汇川变频器张力控制思路：
　　 MD320内置性能优良的PID控制器，加入前馈控制可使扰动最小，PID幅度可以自由调节，具有多种速度给定方式，模拟输入通道可以0-10V任意标定； 同时多种速度给定通道可以自由切换（压辊压下和离开需要投入/切除PID控制）。因此，全部夹辊采用MD320+PG卡实现闭环矢量的张力控制；
　　 MD330是中心卷曲专用变频器，支持速度模式/转矩模式的中心卷曲，内置性能优良的卷径计算模块，多种卷径计算方法，内置多曲线锥度控制器，可以适应各种材料的卷曲锥度，尤其值得一提的是预驱动功能，我们只要在适当的时候发出驱驱动命令，待换卷的变频器即自动适应当前线速度运转。
　　
　　三：控制系统的方案：
　　（一）：方案纲要：（方案框图见附图二）
　　综上所述，我们可以求得性价比最好的控制系统方案。即：
　　1：系统划分为两层网络-------MPI网络和PROFIBUS-DP网络；
　　2：MPI网络中，将SIEMENS TP270，TP170B，CPU314-2DP，三个S7200子站连接在一起，MPI的网络速度最高187.5K BAUD，完全可以满足数据交换的要求；
　　 MPI网络主要完成各子站间的控制命令和自动直径数据的交换；每站交换最多12 个字节；
　　3：PROFIBUS-DP网络用于连接除烘箱，风机以外的所有变频器，张力传感信号全部进入汇川MD320/MD330变频器，去除所有PLC的AI/AO。至于张力控制的相关参数，变频器控制命令（如启动/停止/预驱动/当前卷径）等，全部由DP总线通讯完成。
　　（二）方案实施：
　　1：建立MPI网络，先单独赋予CPU314C-2DP，TP270-10，TP170B，及其它三个PLC以不同的站地址。地址依次为2，3，4，5，6，7。并允许TP270-10，TP170B从MPI口下载；这样的主要目的是为了提高工作效率，采用一条PC ADAPTER，即实现一个地方全部下载和调试，无须拨插调试电缆到HMI和各PLC站；
　　2：建立PROFIBUS-DP网络；配置各变频器站地址和通讯速度，以及PPO类型。
　　 汇川变频器的MD32PFS卡内置于变频器，支持PPO1，PPO2，PPO3，PPO5这5种报文类型。
　　特别值得一提的是：MD32PFS的PPO5，是一个客户自定义的报文类型，其结构如下：
　　其中的PZD3-PZD12是一个自由地址映射区，可以访问到变频器的任何一个参数，这无疑加快了访问速度，同时，增加了用户的自由度。因此，我们决定采用PPO5。
　　3：调试各个变频器张力控制系统：
　　 对于汇川MD320/MD330而言，这是一件很轻松的事情，配置AI属性，PID属性，卷曲模块的输入输出，卷径计算模块，预驱动换卷模块。
　　 MD330是可以实现零速度张力保持的，这是相当不错的一个功能，这样可以尽可能减小启动/停止时的张力冲击。
　　4：建立各个子站的控制逻辑，这个过程比较简单，主要完成一些诸如自动卷径测量，预驱动逻辑等，关键部分在于子站和S7300站之间的数据传递，即可以采用TP270的VB脚本来完成，也可以在S7300侧采用X-PUT，X-GET函数完成。
　　5：报警和诊断模块；
　　 这个模块也是非常重要的，DP从站掉站，DP故障，I/O访问错误等，可以为用户提供维修定位指南。依赖S7300的功能功能（使用OB85/0B86/OB122），可以方便的诊断到具体是哪个DP 子站退出循环，已经发生了何种类型的故障代码。
　　

　　 附图二：双总线的控制系统方框图
　　

　　 附图三：MD32PFS的PPO5（自由参数映射区）
　　 因为采用汇川变频器MD330，可以直接接受张力反馈信号，并自动处理，则所有的模拟信号可以全部取消，本身DP的速度最高达到12M的波特率（要求电磁干扰防护做的非常好），DP本身的速度只要达到1.5M就已经具备了比模拟信号更快的速度。而且，模拟信号直接在变频器内部进行转换和运算，内部本身采用TI公司的32位DSP，具有比PLC更快的处理和运算速度。如果模拟信号经过PLC进行变换，处理（PID运算尤其占用PLC的CPU更多的扫描时间），再输出给变频器。如采用常规数据处理模式，一则对CPU的运算速度提出更高的要求，而需要使用更快，更昂贵的CPU和大量的AI/AO模块，二则处理过程已经明显比变频器处理速度慢。
　　三: 双总线的方案优势
　　 PROFIBUS是一种开放的总线，由SIEMENS倡导，13家企业和5家研究机构支持，80年代末已经发展成为国际标准，并在92年被中国采纳为行业标准。2006年11月正式被采纳为中国的国家标准。
　　本系统中，我们可以明显地看到以下优势：
　　1：开放性：任何支持DP标准的第三方设备，均可被挂到总线上，这样，使工厂的自动化孤岛，有可能通过这个总线被全部连接到一起（参见附图四）。
　　2：实时性：PROFIBUS-DP由于采用高速芯片封装协议，具有最高12M BPS的通讯速度，与普通的通讯最高38.4K相比，具有无可比拟的优势；
　　3：极高的可靠性：PROFIBUS DP采用的令牌传递方式，即使有网络站点出现故障，故障机站退出令牌循环，网络仍然可以可靠运行，并报告错误。普通的通讯需要自己诊断通讯错误。
　　4：省配线：简化维护工作：DP总线采用2芯5类电缆，所有的站点只需依赖这两条线，即可得到完全的控制，使得很多的I/O信号不需要再连接到现场设备，使控制柜变得简洁，并额外省去复杂的接线
　　5：可以去除所有的AI/AO模块，去掉这一大块成本；
　　 而MPI总线，我们可以省去昂贵的ET200M子站系统。同样达到数据交换的目的。
　　

　　 附图四:采用总线系统的高速涂布机网络拓扑图（SIEMENS主站系统）
　　五：结束语：
　　 该系统采用了MD320/MD330的张力控制系统（电流闭环矢量），在性能上完全可以和国外知名品牌相媲美，各张力段的控制非常稳定，换卷过程非常平稳，采用MPI和DP总线系统，在这种设备上是一种全新的尝试，工艺上由于采用了国际领先的无溶涂布技术，整机的档次，效果是非常理想的。该机器出口至东南亚某发达国家，完全符合当地环保，控制网络化的要求。