西门子PLC模块6ES7511-1TK01-0AB0

1 .引言

　　海宁某太阳能机械配件生产企业，原来主要生产太阳能热水器的配件为主，由于国内近年来太阳能热水器产业的迅猛发展，带动了其配件行业的壮大，但是其装备业还停留在原有基础上，以通用冲床设备加简易工装来实现，无法满足大批量、高质量产品的需求，迫切需要专用的自动冲床来满足日益扩大的生产需要。应客户请求，配套开发应用于太阳能热水器行业专用的自动冲床控制系统。

（图1） 自动冲床

2 .自动冲床简介

　　本系统采用台达新一代高性能PLC---DVP28SV11T，作为该控制系统的控制器，该PLC是台达针对市场多轴传动控制开发的PLC产品，可以轻松实现4轴200K高速脉冲输出，支持两轴圆弧和直线插补。

　　考虑到行业产品多规格、多品种的要求，该系统采用台达DOPAE57BSTD触摸屏作为人机数据交换的平台，大大方便了用户进行参数修改、监控系统状态、故障查询和运行操作。

　　进给送料的定位精度和重复定位精度是冲床系统的重要指标，也是生产高质量产品和高生产效率的保证。送料系统采用台达新一代伺服产品ASD-B系列，满足控制和高响应性的要求。

　　冲床的冲压部采用台达VFD-M迷你型矢量变频器控制，满足用户冲压速度无级可调的要求，可以根据生产要求调节冲压速度。

2.1基本架构

　　自动冲床系统包括冲压部、物料夹钳、X轴送料机构、Y轴送料机构、变频调速控制、伺服传动机构和操作台等组成。

2.2 动作流程

手动方式：冲床的动作以步进的方式工作，每完成一个动作，按一下“启动”按钮，执行下一步动作，直至冲压整个动作完成，并停在原点位置，等待下次任务。

在手动模式下，不考虑冲头和X轴送料的配合，屏蔽安装在冲压部大飞轮上的进料检测用接近开关。该模式主要用于调试和新产品试产。

自动方式：

　　自动模式就是通过程序进行控制送料和冲压的整个过程，X轴进给的控制通过安装在冲压部飞轮上的两个接近开关，来检测冲压部运行的位置，其中一个接近开关作为冲压完成，开始送料信号，另一个接近开关作为停止送料信号，如果X轴在此信号到来前还没有完成送料，系统报警并停机，确保不产生次品，保证产品质量。

　　自动模式流程见上图，在执行自动流程时，冲压部是一直在工作的，X轴的送料是在冲压部冲压完成离开工件到下一次到达工件之间完成的，送料启动信号是安装在冲压部飞轮上接近开关信号。

3.系统设计及选型

3.1冲压部传动系统

　　冲压部采用台达VFD-M变频器拖动三相异步电机，功率为5.5KW，额定转速1440转/min。PLC通过MODBUS RS485通讯方式控制变频器的启动/停止和调速，参数设置和操作在HMI上实现。

　　冲压部速度设定值，决定X轴送料的小速度。因为X轴每次送料时间必须小于冲压部上下往返一次的时间，否则就会拉坏工件或者冲错位置，造成次品。

X轴送料时间（t）和冲压部变频器设定频率(f)关系如下：

t = f / 50 *（60/1440） （单位：秒）

假设变频器设定频率为50HZ，则X轴每次送料的大时间为0.0417秒。

3.2送料传动系统

　　送料传动部分采用台达ASD-B系列交流伺服系统，通过1：1传动比的带动滚珠丝杆，驱动送料工作台前进和后退。

X轴采用台达小惯量1KW伺服电机，型号：驱动器ASD-B1021-A，电机ECMA-C31010ES。

Y轴采用台达小惯量0.4KW伺服电机，型号：驱动器ASD-B0421-A，电机ECMA-C30804E7。

X轴丝杆导程：20mm；

Y轴丝杆导程：10mm；

设计要求：送料精度要求：>0.01mm；

X轴送料速度：>20米/min；

Y轴送料速度：>10米/min；

控制精度计算如下：

通过以下计算得出单个脉冲对应的送料长度，即为控制精度。

X轴小送料距离=20mm/10000*1=0.002mm

Y轴小送料距离=10mm/10000*1=0.001mm

以上计算，X轴和Y轴的小送料距离均小于0.01mm，满足设计要求。

速度要求计算如下：

X轴大速度=200K/=24000mm/min=24m/min>15m/min,满足速度设计要求。

Y轴大速度=200K/=12000mm/min=12m/min>10m/min,满足速度设计要求。

　　以上是不采取电子齿轮比的情况下计算所得，如果采用电子齿轮比，伺服马达工作在大转速（3000rpm/min）情况下，大速度：X轴可以达到60米/min，Y轴可以达到30米/min，但是，如果采用电子齿轮比，会降低送料的控制精度。

4.PLC与HMI选型

4.1输入信号统计：

X轴送料手动操作按钮：手动向左和手动向右（2点）

Y轴送料手动操作按钮：手动向前和手动向后（2点）

X轴和Y轴原点信号：2点（接近开关）

自动操作按钮：自动启动和自动停止（2点）

冲头位置信号：上位和下位（2点）---接近开关信号（NPN）

手动夹钳按钮：1点

紧急停止按钮：1点

手动/自动切换：1点（切换开关）

以上总计输入点数：13点。

　　考虑到DVP28SV机种输入点数有限（16点输入），把X轴左右极限开关（2点）和Y轴前后极限信号（2点）直接接到伺服驱动器上，减少硬件的扩充，降低成本，同时，也提高了系统的安全可靠性。

4.2输出信号统计：

脉冲输出（Pulse+Sign）：4点（Y0，Y1）（Y2，Y3）

夹钳电磁阀：1点

冲头电磁铁接触器：1点

冲头控制接触器：1点

共7点

　　基于以上考虑，PLC选择DVP-28SV11T。具体功能参数为：200Kpps脉冲输出，16点输入/12点输出。台达PLC和变频器标准配置的RS485通讯口，满足变频器通讯控制的要求，也减少控制点数。

5.HMI画面与PLC程序设计

6.1部分画面示例：

6.2 PLC程序

　　主程序采用步进指令实现，减少误动作的发生，简单明了，逻辑清晰。在控制精度保证上，整个程序的运算全部采用浮点数运算，减少计算误差，如：孔间距、Y轴进给距离、手动速度、自动送料的速度等的设定，在换算成脉冲数或者脉冲频率的过程中，全部采用浮点运算。经过实际验证，计算误差小于0.001mm。

　　其次，考虑到丝杠在正反运行中的背隙问题，本程序提供背隙的补偿参数，根据实际情况进行调整。

　　考虑到操作的便利性，根据现场操作习惯，在手动模式下，在任何阶段都可以切换到自动运行，大大方便操作。

7.结束语

　　本控制系统虽说达到预期的设计要求，但是自动化程度不是高，用户考虑到成本问题，上料和下料全部采用人工手动的方式。如果在上料和下料工位，分别采用气动吸盘取料，伺服控制来控制物料的左右和上下移位，将大大提高设备的自动化程度，完全可以做到无人操作。

　　本系统主要控制元件全部采用台达机电产品，一体化的整合方案，既降低了设备的制造成本，也大大提高了系统的安全可靠性，充分体现了台达机电产品高性能和高性价比的特点，为客户赢得可观的经济效益。

粗纱机是将并条后的熟条加工成不同号数和捻度的粗纱，供细纱机纺制细纱的设备，适用普梳和精梳棉型纤维、60mm以下的化学纤维及其它混纺纤维。

我国粗纱机的技术进步，在过去几十年中相对于传统纺纱的其他设备发展较为滞后．这其中有多道粗纱机改单程粗纱机，并受细纱技术进步的影响和超大牵伸细纱机研制开发争论的干扰。20世纪90年以来，随着**的粗纱机机械结构和控制理论的成熟，适应客户要求的高速、高质、大卷装、人机友好型粗纱机得到快速发展．

粗纱机就落纱过程的不同，分托锭式和悬锭式；其中悬锭式粗纱机依据电机轴数量又分： 两轴式、三轴式、四轴式和七轴式粗纱机；四轴悬锭式粗纱机为本轮技术发展的重点．四轴悬锭式粗纱机又分带差速箱式和四轴独立式；本文基于台达机电产品，就变频和伺服构成的四轴独立式悬锭粗纱机阐述其技术要点．

二．机械结构及相关工艺

1.四轴独立悬锭式粗纱机整体结构　如图1

图1　整机图

2.　传动结构和工艺

传动结构　如图2

图2　传动结构

图中 1.卷绕伺服电机　2 .罗拉伺服电机　3. 锭翼变频电机　4 .龙筋升降电机　

　　　　5 .罗拉装置（其牵伸原理如图3） 6 .锭翼装置　 7 .卷绕装置　　　

　　　　8 .龙筋　 9 .万向节　　　　

图3　罗拉牵伸原理

根据纺纱工艺的要求，粗纱机将棉条熟条经罗拉牵伸后，由前罗拉出纱，锭翼恒速旋转进行加捻；同时卷绕系统带动筒管旋转，按照卷装成型的要求，将加捻后的纱卷绕在筒管上．由于前罗拉出纱速度是恒定的，卷绕速度随着卷绕直径的增大而降速．同时龙筋缓慢升降，托动其上纱管上下往复动作，配合卷绕装置使纱线逐层缠绕在纱管上，直到到达预设层数或纱线长度．

事实上，完整的悬锭粗纱机还应包含清洁装置：悬锭粗纱机普遍采用积极回转式上下清洁器．由于其结构独立，工作方式较为简单，本文不再赘述．

三．基于台达机电产品的电气系统构架

1.　电气系统的构架考量

四轴独立悬锭式粗纱机，控制系统的关键在于四轴的同步比例联动，来模拟两轴粗纱机差速箱合成各轴速度的过程；四轴独立悬锭式粗纱机系统动作过程中，各轴速度要求有高的响应性和稳定性。同时，电机对外部负载的合理变化要求有快速而有效的应变能力。

基于设备的以上技术特征和客户高品质要求，结合台达完整、全面的产品线，我们选用台达EH2系列PLC作为主控，选用台达VE系列高性能矢量变频器控制锭翼轴；台达A+系列大功率伺服系统控制卷绕轴；罗拉轴和龙筋轴分别选用台达AB系列伺服系统控制；触摸屏为台达A系列真彩界面。

2. 电气系统的整体构架

　 构建的电气系统 如图4；

图4　电气系统构架

3.　主要控制器件功能

　A．触摸屏：　四轴悬锭式粗纱机参数设定量大，本屏可直观、便捷的设定和监控各种参数；

　B．PLC：　　 EH2系列型，运算速度快，支持4路高速脉冲输出，稳定可靠，可依据控制工艺扩展I/O点数；

C．罗拉伺服：提供罗拉轴动力，速度恒定，大小决定于锭翼转速和捻度；

　D．卷绕伺服：提供纱管卷绕动力，速度随纱的卷绕直径增大而降低；

E．龙筋伺服：提供龙筋升降动力，升降速度越小，纱线缠绕越密；

F．锭翼变频：提供锭翼旋转动力，速度恒定，由触摸屏设定；变频系统加装速度回授PG卡，电机加装台达编码器，实现闭环控制．考虑到粗纱机电控箱的配置离机头较远，应用现场电磁环境复杂，建议选用差动型编码器．

　4.　周边控制线路

　　根据工艺要求，粗纱机身上并联安装多组操作盒，每组操作盒上设启动、停止、点动按钮，均能启停点动整台机器，以方便档车工操作；

纺纱过程中，断纱断条均要求自动停车，故加装光电传感器，已检测纱条是否工作正常；纺纱成型完成，龙筋自动下降到落纱位置，方便挡车工快速取下纱锭；同时，纱锭取下完成一次纺粗纱后，再次安装新的纱管，操作触摸屏相关按钮，要求龙筋自动上升到初绕位置停止，将新穿过锭翼的纱线手工缠绕在纱管初绕位置，操作启动按钮，新的纺纱过程开始．这就要求，在龙筋上下升降的行程中，加装落纱位置检测开关、初绕位置检测开关．考虑到龙筋上下升降行程不能超过极限值，必须加装龙筋上下极限检测开关．

　　以上控制点，直接接入PLC输入点，控制逻辑由PLC运算处理；°

图5 触摸屏程序之参数设定界面

四．调试难点、要点及应对

1.　纱线张力控制

四轴悬锭式粗纱机，从罗拉牵伸出的纱线，需穿过锭翼形成捻度再缠绕在筒管上，整个过程是一个动态过程；由于捻度有限，纱线的极限张力较小，在整个纺纱过程，受传动机械比例联动同步性的波动、纱管时时直径理论值和实际值的误差，造成纱线出纱位置的上下波动（如图3箭头处所示），大的波动不仅影响纱锭成型质量，甚至超成断头，使整机停机，影响纺纱效率．

　目前行业内主要分两种途径解决上述问题：

种： 由张力CCD传感器在线检测粗纱张力，反馈到PLC运算。

这种方式，减低了核心运算难度，简化了缠绕和龙筋轴的控制计算量．但由于CCD检测在实际使用过程中，对环境要求较高，必须保持镜面清洁，且面对市场成本压力，此种解决方式普及度并不高，但值得关注．

第二种： 在标准理论计算公式下，增加张力补偿程序，进而微调纱管旋转速度和龙筋升降速度，达到调整粗纱张力的目的．同时针对不同的纱线要求自动调用不同的补偿系数．其普遍采用的是补偿微调卷绕轴速度．

此种方式，成本小，效果明显，不依赖于检测外部器件，柔性好．但调试时要反复测试，不断积累不同纱线在不同层数的修正系数值．本案采用此方式。

2．龙筋位置的断电记忆

在纺纱时，纱锭缠绕未完成时系统外部断电是经常存在的，重新上电后，要求粗纱机能继续断电前位置和参数继续纺纱．

由于市场大多伺服系统驱动器为增量式编码器，断电不能记忆轴当前位置；本案通过4N25光偶连接PLC与伺服驱动器编码器输出口，通过PLC断电记忆区来记忆断电前位置值。其连接方式 如图6　　

　　　　　　　图6　龙筋伺服编码器通过4N25转换后接入PLC

3． 整机启停的控制

在粗纱机纺纱处于初始阶段和将要完成时，纱锭半径对应较小或较大，此时若以屏设高速度运转，纱线在缠绕边缘的离心力与纺纱中段差别较大，不利于形成高质量纱锭．这就要求纺纱初始阶段和将要完成时整机速度降低运行，减少断头率，提高成纱质量．程序中必须设计各个纺纱阶段的自动速度转换程序．

图7　纺纱成型中段

五．结论

以上述方案为依托研发的四轴独立悬锭式粗纱机已在山东某纺织机械厂研发成功，锭翼速度高可达1350r/min,纱锭成型匀称，纱线排布一致性好，一次成型纱线长度可达3200m；捻度、纱锭成型角度、成型长度、纺纱长度等均可柔性设定。纺纱张力更为稳定，在锭速1100r／min条件下断头在0.5根／台·小时以内。具备自动落纱和自动找初绕位置功能，有效降低挡车工劳动强度，提高了劳动效率，市场前景广阔。

台达拥有变频器、PLC、伺服系统、人机界面、编码器等完整工业控制器件产品线，为客户提供**全面的解决方案．针对粗纱机行业，台达可提供两轴式、三轴式、四轴式变频或伺服系统整体解决方案，同时可满足客户个性化要求．基于纺织行业技术的不断进步，公司专门成立的纺织行业应用处，服务纺织行业。