基于MODBUS-RTU的层绕机停车控制技术的研究

摘 要 平稳停车是层绕机重要的工艺要求之一，其停车准确性与稳定性的好坏直接影响层绕机层绕的质量和效率。采用储丝浮动辊料位与放线刹车相配合的停车控制系统较好的实现了平稳停车。给出了在ModbusRTU通信模式下PLC与变频器串行通讯控制技术的实现方法以及定长停车与紧急停车的实现过程。调试结果表明该系统能够达到设计要求，定长停车误差小于5%。

关 键 词 层绕机停车系统;MdobusRTU;R4S58 串行通讯; PLC;变频器   

  焊丝层绕机作为焊丝成品生产中的一个重要缠绕成匝的机械设备，已在各个焊丝生产厂家得到了广泛的应用。它通过放线、储线、排线、收线四个单元来完成其生产工艺川。由于焊丝在进行施焊时需要有放丝均匀、阻力均匀、电弧稳定的特殊要求，所以对层绕机的工艺及层绕精度有很高的要求，它要求焊丝高精度缠绕，且要排列整齐，工艺控制要求大致包括7方面的内容: （1） 焊 丝 的导开与储存系统变频调速控制的设计要求张力恒定，线速度自适应; （2） 排 线 器左右运动的伺服驱动要求走动平稳，跟踪定位准确; （3） 角 度 自适应控制要求与主机联动，随动精确; （4） 角 度 高精度检测与控制; （5） 排 线 设备变角度移动定位，自动换相; （6） 定 长 计重光电检测准确，主机与变频器串行通信自动平稳控制停车; （7） 系 统 人机界面设计操作简便;    采用数字通讯的方式对变频器进行控制，不仅工作稳定、可靠，而且精度高。通过PLC的串口与变频器进行通讯，在ModbusRTU模式下，实现了层绕机的平稳停车控制。

1 层绕机停车控制系统

1.1 系统组成和原理    停车控制系统具有定长停车、紧急停车等功能。定长停车指的是已绕焊丝的重量达到用户所要求的预设重量时的一种停车方式。设定一个预减速停车的重量，已绕重量一旦达到这个值时，收线电机开始减速，在刹车单元的配合下，使设备在焊丝重量达到预置重量时正好平稳地停下，要求快速平稳。    紧急停车指当发生紧急故障时，按下紧急停止按钮，主机将快速停车，紧急停车要求快速、平稳，排线不乱丝。    定长停车与紧急停车的控制思想不同的地方是，定长停车要求平稳、快速和定长准确;紧急停车只要求快速平稳即可。    层绕机控制系统如图1所示，它由人机界面、PLC、变频器、收线电机、排线机构、储丝机构、放线装置组成。焊丝由放线装置送出经过储丝机构后送往排线机构，最后由收线电机层绕成盘。    人机界面负责各种系统参数的设定与显示，它包括用户参数和调试参数。用户参数用来设定所生产焊丝的线径、比重、预置重量等，这些参数对定长停车是非常重要的;调试参数是调试人员在调试层绕机时对一些影响停车效果的变量进行最优选择以达到最佳的停车效果而设的一些重要参数，主要有收线升频速度、倒线升频速度、收线降频速度、倒线降频速度、减速料位下限、减速百分比、刹车最高料位限制、定长刹车时剩余重量g2、跳车重量g0、跳车频率等。这些参数对停车效果起到关键的作用。

储丝机构如图2所示，其中主要部件为张力架、浮动辊、由上到下分布的5个接近开关，这5个接近开关可以设计出9种料位。浮动辊上有感应片，当浮动辊达到某一个接近开关时，感应片就可以使接近开关发出信号，发出的信号送往PLC，此时PLC根据设定的料位规则，就可以检测到浮动辊的料位。

图2中由上到下的料位开关分别为:高高料位开关、高中料位开关、中料位开关、低中料位开关、低低料位开关。料位2为浮动辊离开低中或低低料位开关时的状态，料位8为浮动辊离开高中或高高料位开关时的状态。    通过人机界面设定参数，PLC检测储丝机构中料位，调节回路的输出结果，控制变频器和放线刹车机构。送往变频器的控制信号是通过RS485串行通信实现的，通信协议为MODBUS一RTU，变频器控制主电机的运行速度, PLC送出的刹车信号控制放线刹车装置，完成对定长与紧急停车的控制。 

1.2 停车系统控制原理    定长停车和紧急停车的控制思想都是基于对料位的检测，按照一定的控制算法控制主电机的减速和放线装置的刹车，控制原理如图3所示，在人机界面先设置减速料位下限，此下限作为系统的给定参数，检测到的料位信号与设定信号比较得出偏差信号，经过Pl‘控制器的处理，在一个串行通信的周期内调节器的输出值（M仍与偏差值（。）之间的关系为:    MV = eX K X f （1）    其中f为PLC变频器的给定频率，K为减速百分比，那么变频器的输人信号就为:了一MVo变频器输人信号是PLC通过RS485串行通信接口传送给变频器的，给定频率以串行通信周期为时基，给定频率信号经过每个串行周期被送至变频器直到最后送给变频器的频率为0，即收线电机停止运行。平稳是停车控制的重要指标，只有浮动辊的料位平稳了才能保证层绕的张力平稳，收线电机降速过快会导致浮动辊料位下降，收线张力过低;收线电机降速过慢会导致浮动辊料位上升，收线张力过高，因此浮动辊料位的平稳控制是刹车过程的重要控制指标。

2 软件设计

2.1 变频器通信格式的设定    VFD 一B变频器具有串行数据通信的功能，采用Modbusnetworks通信协议。ModBus协议有两种通信模式:ASCn模式和RTU（远程终端单元）模式。ASCl模式是将一个字节分为两个ASCl字符发送，而RTU模式以十六进制传送数据，一个字节就是一帧，因而数据传送的效率高于ASCn模式，ASCn编码是将所要传送的资料先转换成相对的ASCl码后再传送，而RTU则是资料直接传送，不再需要转换。参数设定见表1。

2.2 pLC与变频的通信   PLC的通信参数设定必须与变频器一致，在PLC开始运行程序之前必须先设定通信参数才能保证PLC与变频器的串行通信。串行通信是通过MODWR指令以MODBUSRTU模式实现的，其中MODBUSRTU模式如表2所示。

MODWR指令是PLC与变频器通信的专用指令之一，它为完成软件设计提供了很大的方便。PLC传送给变频器的控制信号必须与参数地址对应，不同的参数地址对应不同的功能，具体功能如表3所示，从表3可以看出，控制变频器启动与停止的参数地址为:H2000，变频器的给定频率值被送往H2001。

2.3 定长停车与紧急停车的实现    层绕工艺要求层绕机层绕的焊丝在达到预置重量时能实现定长计重自动平稳停车。过程流程如图4所示，当已绕的焊丝重量大于等于定长停车起始重量时，PLC就执行定长停车程序，停车的过程也就是根据料位算法控制主电机减速配以放线机构电动刹车的过程，电动刹车受刹车最高料位的限制，一旦料位大于这个最高限制料位时，电动刹车就解除。随着刹车的解除，储丝料位又会下降，这时PLC判断是否需要继续减速停车，是否需要电动刹车。这样的循环判断一直持续到已绕重量达到预置重量以及给定频率为。时才停止，最终实现层绕机的定长平稳停车。    紧急停车是紧急情况下的一种停车方式，它要求在紧急情况下能实现不失定长计重自动平稳停车。当按下紧急停车开关后，PLC执行料位控制算法程序实现主电机减速，变频器给定频率迅速减少到0，同时在放线机构电动刹车的配合下，使整个层绕机停止运行。

3 结论

基于Mdo bsuRTU通信的层绕机停车控制系统实现了层绕机在紧急情况下的紧急停车，同时也很好地实现了定长计重平稳停车的要求，该系统中变频器内ModbusRTU通讯协议，可与PLC构成主从式的系统，实现对电机速度的实时控制。采用这种数字通信方式的控制系统不仅工作稳定、可靠，而且精度高。经现场调试运行，该系统定长停车后缠绕焊丝重量误差为5%，且系统运行稳定，实时性和灵活性都达到了设计要求。

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