三菱变频器在磁棒平网印花机定位控制中的应用
2006/5/14 11:30:00
1概述
磁棒平网印花机(简称平网印花机)是纺织印染行业特别是毛巾（含浴巾、沙滩巾、装饰巾、毛巾挂毯等）制造企业的重要生产设备。平网印花机由橡胶输送带（简称导带）输送毛巾运动，多个平网在毛巾上套印不同的颜色，其印花及套色的准确性直接影响毛巾成品的美观和质量等级，因而要求拖动系统定位准确；为了提高生产效率，降低成本，又必须保持一定的印染速度。若速度过快，惯性太大，导带难以停稳，定位套色必然不准，这是一个不可回避的矛盾。在湖南某毛巾厂，我们以三菱工控产品为主体，设计了一个印花机自控系统，发掘了变频器的功能，巧妙地利用它进行定位控制，以较少的投资平衡了上述矛盾，技术改造方案达到了预定的目标。
2 平网印花机的工作原理
首先在导带的预定位置用乳白胶粘贴白色毛巾坯，然后启动变频器驱动三相笼型交流异步电机，电机经蜗轮减速机减速后拖动导带，当导带上的毛巾对准印花平网的位置停稳后，平网网框下压贴紧毛巾，网框内放置的细圆磁性钢棒在输送带下方的磁场控制器驱动下往复滚动，将平网内放置的颜料透过镂空的图案印染到毛巾上。第一个颜色的图案印完了，网框抬起，导带将毛巾送到下一个网框位置停稳，开始第二个颜色图案的印染………，直到多个颜色（一般8~10个颜色）依次套准印完，一条彩色毛巾才告完成，而第二条毛巾紧接着第一条毛巾不间隔地套色印染………周而复始，连续作业。每条毛巾印染完成后，随即送到隧道式蒸汽烘房内烘干，然后绞边、整理、质检、包装，直至入库出厂。
３ 平网印花机自控系统主要配置
·三菱多功能矢量控制变频器：ＦＲ－Ａ５４０－７.５Ｋ－ＣＨ（内置制动单元） 1台
·上海稳达RXLG铝合金外壳变频器制动电阻 75Ω/ 780W 1只
·三相笼型交流异步电动机：Y系列，4极，7.5kW 1台
·三菱可编程控制器：FX2N-48MR-001（继电器输出、I/0=24/24、内置高速计数功能） 1台
·台达旋转编码器：ES520CB8942（增量式、集电极开路输出、解析度2000ppr） 1台
·三菱4.4英寸触摸屏：F930GOT-BWD-C（STN蓝白两色） 1台
·明纬开关电源：S-25-24（220VAC / +24VDC；对编码器和触摸屏供电） 1台
4 平网印花机负载的机械特性和变频器的选型
平网印花机的电气拖动主要是驱动橡胶导带运动，其阻力矩TL取决于导带和传输辊之间的摩擦力FL与传输辊半径r的乘积，即TL=FL×r。在这里，传输辊的半径r是恒定不变的，摩擦力FL的大小也与转速无关。这是典型的恒转矩负载机械特性。因此，初步选用三菱A540系列变频器。
三菱A540系列变频器具有如下特性：
·采用先进的磁通矢量控制。由于采用了精简指令集计算机RISC微处理芯片，使之具有全新的在线自动调整功能，使电机在不影响启动速度的情况下迅速得到调整，从而在不安装编码器反馈PLG板低速运行时，达到高精度运行和高转矩输出。
·具有多段速度选择功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/减速时间选择RT、漏型公共输入端SD等端子，可以通过PLC的输出点直接控制输入端子的ON/OFF状态来实现变频器速度的上升、下降和精确停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。
·运用了三菱首创“柔性脉宽调制”（Soft-PWM）开关方式，实现更低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的PLC、旋转编码器的可靠运行。
·调速范围：1：120（0.5Hz~60Hz运行时），采用自动调整后,可以在不同的品牌的电机上实现高精度运行。
·11kW以下的规格型号内置制动单元，外配制动电阻即可实行直流制动（能耗制动），实现快速停车。
综合多种因素，我们选定了三菱FR-A540-7.5kW-CH变频器。因三菱原装制动电阻价格较贵，技术含量不高，故外配上海稳达RXLG型铝合金外壳制动电阻。另外，我们曾经在变频器上安装编码器反馈PLG选件板FR-A5AP，使变频器、电机和编码器组成一个速度闭环，能使电机速度变动率达到±0.02%（万分之二）。经试验证明：变频器安装PLG板的方法更适合于高精度转速控制，而我们在这里是要利用变频器的多段速度选择和A540的高性能来进行定位控制，采用PGL板反而与控制要求有冲突，出现较大的定位误差，因此取消了PLG板。
5 其他主要自控设备的选型
5．1 PLC的选型 三菱FX2N型PLC是目前市场占有量较大的机型，具有很高的性价比。它内置多个高速计数器。经过试验，我们采用两相两计数输入、频率为30kHz的C251计数器，将编码器的A、B输出端与PLC的X0、X1输入点相连，可以稳定地捕捉、记录编码器的脉冲信号。根据系统输入输出点统计结果，我们选用24点输入/24点输出、继电器输出型的FX2N-48MR，I/O点留有一些裕量。
FX2N-48MR的输出点的外部接线方式为分组式，有COM0~COM5共6个COM点与24个输出点对应，可以灵活地选择输出点的电源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3直接与变频器的STF（正转启动）、RH、RL、RT端相连，PLC的4个输出点公用的COM1点与变频器SD端相连，可以直接控制变频器，提高系统的响应速度，并节省了有触点闭合行程、响应较慢的电磁式继电器或接触器。PLC其他输出点与对应的COM点组成回路，可以采用220VAC电源吸合接触器线圈或其他类型的电源驱动其他器件。
5．2 旋转编码器的选型及安装 台达光学式旋转编码器具有轻惯量、高性能的特性，它的解析度为100ppr~5000ppr，响应频率高达500kHz。根据具体情况，型号选定为ES520CB8942，型号含义如下：
E S 5 20 C B 8 9 4 2
电缆长度：2000mm
操作环境：IP40＆70℃
输入电压：7~24VDC
轴/孔径： 8mm
输出信号：A、B（无Z输出）
输出形态：集电极开路输出
解析度：2000ppr
外径：50mm
轴形态：轴心式
应用形态：增量式
编码器初始安装在传输辊的同心位置，但试验结果脉冲计数误差较大。后来将编码器安装在与电机主轴的平行位置，通过橡胶齿带传动与电机同步，脉冲计数和定位控制达到了要求。这个安装位置与交流伺服电机的旋转编码器安装在尾部类似，记录的是电机的即时位置。
5．3 触摸屏的选型 三菱F930GOT-BWD-C触摸屏是一款高质量的STN单色蓝白液晶显示屏，具有非常出色的视觉性能。它触键反应迅速，与FX2N型PLC连接时，触键反应时间小于0.163s。它的有效显示尺寸为对角线4.4英寸，显示5行×30个字符，足够应付一个小型自控系统的人机对话要求。产品有很高的性价比。
6 系统调试、变频器参数设置和运行效果
6．1 计算平网间隔的脉冲总数和分段脉冲数 8色平网的相互间隔是一个定值；减速机的减速比、传输辊的周长等也是定值；而编码器每转为2000个脉冲；根据以上已知数据，可以推算出理论上的脉冲数。用PLC编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令DHSZ，用触摸屏对PLC数据寄存器D赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与C251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，PLC指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到精确的编码器脉冲总数。然后按照速度控制规律的各段分配脉冲数，以指导PLC适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数以实际记录为准。（参见图2）
6．2 变频器参数设置 起初，我们采用三段速控制，拟高速段Pr.4设为60Hz，中速段Pr.5设为30Hz，低速段Pr.6设为0.8Hz。经试验，发现在中段速转折处，导带有些抖动，影响稳定均匀降速，最后设置两段速：高速60Hz，低速设为0.8Hz。上限频率Pr.1与高速段速度参数Pr.4数值相同；下限频率Pr.2设为0。
加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。印花机“加速—运行—减速—低速运行—停止”为一个运行周期，每一周期中的间隔是磁棒的滚动印染时间。系统最终调试的结果是小于4秒钟为一个运行周期：加速时间Pr.7、高速段60Hz运行时间、减速时间Pr.8、低速段0.8Hz的运行时间大约都设为1秒钟。变频器和电机是在0.8Hz的极低速度下运行到终点，即第二减速时间Pr.45为0。在降速和停止过程中，制动单元及电阻的直流制动（能耗制动）功不可没。直流制动的相关参数有Pr.10直流制动动作频率、Pr.11直流制动动作时间、Pr.12直流制动电压等3个参数。合理设置这些参数，可以调整定位运行的停止精度或直流制动的运行时间，使它适合负荷的要求。总之，变频器参数的设定始终要兼顾定位的准确性、稳定性和印染速度。
6．3 运行效果 我们在PLC程序设计时，对每一个运行周期进行编码器计数清零，使之没有误差；变频器参数的精细调整使导带运行快速稳定，定位准确；验收时的试验结果是：连续13个周期的积累误差小于0.5mm，满足了毛巾印花机的速度和精度的要求。现在已运行了三个多月，情况良好。这套系统我们是采用普通三相笼型电机来作动力来源的，若改用变频器专用的恒转矩电机，效果会更加理想。
7 印花机控制系统发展趋势
7．1 平网印花机控制系统发展趋势 印花机分为平网和圆网两个大类。在经济发达国家和我国沿海发达地区，普遍采用交流伺服系统来驱动平网印花机。交流伺服系统比变频器系统效率更高、定位更准，技术更为先进，是目前的发展趋势。如本文所叙述的系统，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服电机和MR-J2S-700A型伺服放大器组成伺服系统，可以提高印染精度并较大幅度地提高生产效率。但是，它的投资大约是变频器系统的5~8倍。
7．2 圆网印花机控制系统发展趋势 传统的机械式圆网印花机是由主电机通过机械传动链使8~20只圆网与传输导带同步运转，连续印染无限长的纺织品。它的机械结构复杂、速度慢、效率低、对花次布多，不能适应高档精细花型的生产。圆网印花机的发展趋势是以荷兰STORK毕加索产品为代表，采用多电机独立传动、同步运
磁棒平网印花机(简称平网印花机)是纺织印染行业特别是毛巾（含浴巾、沙滩巾、装饰巾、毛巾挂毯等）制造企业的重要生产设备。平网印花机由橡胶输送带（简称导带）输送毛巾运动，多个平网在毛巾上套印不同的颜色，其印花及套色的准确性直接影响毛巾成品的美观和质量等级，因而要求拖动系统定位准确；为了提高生产效率，降低成本，又必须保持一定的印染速度。若速度过快，惯性太大，导带难以停稳，定位套色必然不准，这是一个不可回避的矛盾。在湖南某毛巾厂，我们以三菱工控产品为主体，设计了一个印花机自控系统，发掘了变频器的功能，巧妙地利用它进行定位控制，以较少的投资平衡了上述矛盾，技术改造方案达到了预定的目标。
2 平网印花机的工作原理
首先在导带的预定位置用乳白胶粘贴白色毛巾坯，然后启动变频器驱动三相笼型交流异步电机，电机经蜗轮减速机减速后拖动导带，当导带上的毛巾对准印花平网的位置停稳后，平网网框下压贴紧毛巾，网框内放置的细圆磁性钢棒在输送带下方的磁场控制器驱动下往复滚动，将平网内放置的颜料透过镂空的图案印染到毛巾上。第一个颜色的图案印完了，网框抬起，导带将毛巾送到下一个网框位置停稳，开始第二个颜色图案的印染………，直到多个颜色（一般8~10个颜色）依次套准印完，一条彩色毛巾才告完成，而第二条毛巾紧接着第一条毛巾不间隔地套色印染………周而复始，连续作业。每条毛巾印染完成后，随即送到隧道式蒸汽烘房内烘干，然后绞边、整理、质检、包装，直至入库出厂。
３ 平网印花机自控系统主要配置
·三菱多功能矢量控制变频器：ＦＲ－Ａ５４０－７.５Ｋ－ＣＨ（内置制动单元） 1台
·上海稳达RXLG铝合金外壳变频器制动电阻 75Ω/ 780W 1只
·三相笼型交流异步电动机：Y系列，4极，7.5kW 1台
·三菱可编程控制器：FX2N-48MR-001（继电器输出、I/0=24/24、内置高速计数功能） 1台
·台达旋转编码器：ES520CB8942（增量式、集电极开路输出、解析度2000ppr） 1台
·三菱4.4英寸触摸屏：F930GOT-BWD-C（STN蓝白两色） 1台
·明纬开关电源：S-25-24（220VAC / +24VDC；对编码器和触摸屏供电） 1台
4 平网印花机负载的机械特性和变频器的选型
平网印花机的电气拖动主要是驱动橡胶导带运动，其阻力矩TL取决于导带和传输辊之间的摩擦力FL与传输辊半径r的乘积，即TL=FL×r。在这里，传输辊的半径r是恒定不变的，摩擦力FL的大小也与转速无关。这是典型的恒转矩负载机械特性。因此，初步选用三菱A540系列变频器。
三菱A540系列变频器具有如下特性：
·采用先进的磁通矢量控制。由于采用了精简指令集计算机RISC微处理芯片，使之具有全新的在线自动调整功能，使电机在不影响启动速度的情况下迅速得到调整，从而在不安装编码器反馈PLG板低速运行时，达到高精度运行和高转矩输出。
·具有多段速度选择功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/减速时间选择RT、漏型公共输入端SD等端子，可以通过PLC的输出点直接控制输入端子的ON/OFF状态来实现变频器速度的上升、下降和精确停车。每档速度的大小可由变频器功能预置来设定。
·运用了三菱首创“柔性脉宽调制”（Soft-PWM）开关方式，实现更低噪音运行，并能减少对外射频干扰，有利于邻近的PLC、旋转编码器的可靠运行。
·调速范围：1：120（0.5Hz~60Hz运行时），采用自动调整后,可以在不同的品牌的电机上实现高精度运行。
·11kW以下的规格型号内置制动单元，外配制动电阻即可实行直流制动（能耗制动），实现快速停车。
综合多种因素，我们选定了三菱FR-A540-7.5kW-CH变频器。因三菱原装制动电阻价格较贵，技术含量不高，故外配上海稳达RXLG型铝合金外壳制动电阻。另外，我们曾经在变频器上安装编码器反馈PLG选件板FR-A5AP，使变频器、电机和编码器组成一个速度闭环，能使电机速度变动率达到±0.02%（万分之二）。经试验证明：变频器安装PLG板的方法更适合于高精度转速控制，而我们在这里是要利用变频器的多段速度选择和A540的高性能来进行定位控制，采用PGL板反而与控制要求有冲突，出现较大的定位误差，因此取消了PLG板。
5 其他主要自控设备的选型
5．1 PLC的选型 三菱FX2N型PLC是目前市场占有量较大的机型，具有很高的性价比。它内置多个高速计数器。经过试验，我们采用两相两计数输入、频率为30kHz的C251计数器，将编码器的A、B输出端与PLC的X0、X1输入点相连，可以稳定地捕捉、记录编码器的脉冲信号。根据系统输入输出点统计结果，我们选用24点输入/24点输出、继电器输出型的FX2N-48MR，I/O点留有一些裕量。
FX2N-48MR的输出点的外部接线方式为分组式，有COM0~COM5共6个COM点与24个输出点对应，可以灵活地选择输出点的电源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3直接与变频器的STF（正转启动）、RH、RL、RT端相连，PLC的4个输出点公用的COM1点与变频器SD端相连，可以直接控制变频器，提高系统的响应速度，并节省了有触点闭合行程、响应较慢的电磁式继电器或接触器。PLC其他输出点与对应的COM点组成回路，可以采用220VAC电源吸合接触器线圈或其他类型的电源驱动其他器件。
5．2 旋转编码器的选型及安装 台达光学式旋转编码器具有轻惯量、高性能的特性，它的解析度为100ppr~5000ppr，响应频率高达500kHz。根据具体情况，型号选定为ES520CB8942，型号含义如下：
E S 5 20 C B 8 9 4 2
电缆长度：2000mm
操作环境：IP40＆70℃
输入电压：7~24VDC
轴/孔径： 8mm
输出信号：A、B（无Z输出）
输出形态：集电极开路输出
解析度：2000ppr
外径：50mm
轴形态：轴心式
应用形态：增量式
编码器初始安装在传输辊的同心位置，但试验结果脉冲计数误差较大。后来将编码器安装在与电机主轴的平行位置，通过橡胶齿带传动与电机同步，脉冲计数和定位控制达到了要求。这个安装位置与交流伺服电机的旋转编码器安装在尾部类似，记录的是电机的即时位置。
5．3 触摸屏的选型 三菱F930GOT-BWD-C触摸屏是一款高质量的STN单色蓝白液晶显示屏，具有非常出色的视觉性能。它触键反应迅速，与FX2N型PLC连接时，触键反应时间小于0.163s。它的有效显示尺寸为对角线4.4英寸，显示5行×30个字符，足够应付一个小型自控系统的人机对话要求。产品有很高的性价比。
6 系统调试、变频器参数设置和运行效果
6．1 计算平网间隔的脉冲总数和分段脉冲数 8色平网的相互间隔是一个定值；减速机的减速比、传输辊的周长等也是定值；而编码器每转为2000个脉冲；根据以上已知数据，可以推算出理论上的脉冲数。用PLC编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令DHSZ，用触摸屏对PLC数据寄存器D赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与C251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，PLC指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到精确的编码器脉冲总数。然后按照速度控制规律的各段分配脉冲数，以指导PLC适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数以实际记录为准。（参见图2）
6．2 变频器参数设置 起初，我们采用三段速控制，拟高速段Pr.4设为60Hz，中速段Pr.5设为30Hz，低速段Pr.6设为0.8Hz。经试验，发现在中段速转折处，导带有些抖动，影响稳定均匀降速，最后设置两段速：高速60Hz，低速设为0.8Hz。上限频率Pr.1与高速段速度参数Pr.4数值相同；下限频率Pr.2设为0。
加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。印花机“加速—运行—减速—低速运行—停止”为一个运行周期，每一周期中的间隔是磁棒的滚动印染时间。系统最终调试的结果是小于4秒钟为一个运行周期：加速时间Pr.7、高速段60Hz运行时间、减速时间Pr.8、低速段0.8Hz的运行时间大约都设为1秒钟。变频器和电机是在0.8Hz的极低速度下运行到终点，即第二减速时间Pr.45为0。在降速和停止过程中，制动单元及电阻的直流制动（能耗制动）功不可没。直流制动的相关参数有Pr.10直流制动动作频率、Pr.11直流制动动作时间、Pr.12直流制动电压等3个参数。合理设置这些参数，可以调整定位运行的停止精度或直流制动的运行时间，使它适合负荷的要求。总之，变频器参数的设定始终要兼顾定位的准确性、稳定性和印染速度。
6．3 运行效果 我们在PLC程序设计时，对每一个运行周期进行编码器计数清零，使之没有误差；变频器参数的精细调整使导带运行快速稳定，定位准确；验收时的试验结果是：连续13个周期的积累误差小于0.5mm，满足了毛巾印花机的速度和精度的要求。现在已运行了三个多月，情况良好。这套系统我们是采用普通三相笼型电机来作动力来源的，若改用变频器专用的恒转矩电机，效果会更加理想。
7 印花机控制系统发展趋势
7．1 平网印花机控制系统发展趋势 印花机分为平网和圆网两个大类。在经济发达国家和我国沿海发达地区，普遍采用交流伺服系统来驱动平网印花机。交流伺服系统比变频器系统效率更高、定位更准，技术更为先进，是目前的发展趋势。如本文所叙述的系统，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服电机和MR-J2S-700A型伺服放大器组成伺服系统，可以提高印染精度并较大幅度地提高生产效率。但是，它的投资大约是变频器系统的5~8倍。
7．2 圆网印花机控制系统发展趋势 传统的机械式圆网印花机是由主电机通过机械传动链使8~20只圆网与传输导带同步运转，连续印染无限长的纺织品。它的机械结构复杂、速度慢、效率低、对花次布多，不能适应高档精细花型的生产。圆网印花机的发展趋势是以荷兰STORK毕加索产品为代表，采用多电机独立传动、同步运
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