基于CANopen总线的四变频粗纱机电控系统设计

施耐德电气（中国）有限公司工业事业部 唐海丽 张俊杰 张垒/文



产品开发

基于CANopen总线的四变频粗纱机电控系统设计

施耐德电气（中国）有限公司工业事业部 唐海丽 张俊杰 张垒/文

本文介绍了由施耐德M241 PLC和ATV71变频器构成的四变频粗纱机电控系统的架构，阐述了PLC通过CANopen总线控制四台变频器同步的原理和具体实现，以及失电受控同步停车的实现方法。

四变频粗纱机；CANopen总线；变频器同步控制；失电受控停步停车

粗纱机是一种纺纱设备，主要由牵伸机构、加捻机构、卷绕成形机构等组成。四变频粗纱机是指牵伸机构的罗拉、加捻机构的锭翼、卷绕成形机构的筒管和龙筋四根轴分别由电机单独传动的新型粗纱机，并且四台电机均由变频器驱动。单独传动简化了设备的机械机构，有利于提高运行速度和生产效率，但是四台电机必须严格同步才能保证连续纺纱和纱线质量，尤其在机器启动加速和停止减速阶段，对电机同步的要求更高于常速生产阶段。

此外，机器处于运行状态时，若主电源的电网电压不稳或者意外切断导致停车时，要求四台电机在失电的状态下仍然保持同步并且斜坡减速停止，避免断纱或冒头，电源恢复重启机器时纺纱能够继续，同时避免瞬间停止的机械冲击，这就是“失电受控同步停车”。

本文针对四变频粗纱机设计了基于CANopen总线的电控系统方案，系统架构为一台施耐德M241 PLC通过CANopen总线控制四台施耐德ATV71变频器，主要依靠PLC程序来实现四台变频器同步控制和失电受控同步停车，经多个品种的纺纱测试和运行断电测试，纺纱效果和失电受控同步停车效果均满足要求。

1 电控系统方案

本文方案的架构如图1所示。系统的控制器为施耐德M241 PLC，四台电机的变频器为施耐德ATV71变频器，PLC通过CANoepn总线控制四台变频器。四台电机轴均安装了编码器，编码器信号反馈给ATV71变频器的编码器卡，变频器设置为闭环控制模式。四台变频器采用共直流母线连接，通过整流桥直流供电。

2 方案实现

2.1CANopen PDO简介

方案中PLC通过CANopen总线控制四台变频器，控制命令及数据采用CANopen协议的PDO传输。PDO即Process Data Object（过程数据对象），用以传输实时数据，数据从一个生产者传到一个或多个消费者，数据传送限制在1 到8个字节，通过映射将若干对象集成到一条消息帧的数据域内，PDO支持“同步-非循环”、“同步-循环”、“异步-制造商特定事件”、“异步-设备子协议特定事件”等传输方式。本文方案中PDO传输方式为“异步-设备子协议特定事件”。

2.2变频器同步控制的实现

首先要根据粗纱纺纱工艺计算各变频器的目标转速，各轴目标转速的计算方法如下：

1）锭翼：锭翼转速代表生产速度，为设定值，单位为r/ min；

2）罗拉：罗拉转速可根据设定的捻度和锭翼转速计算；

3）筒管：对于管导型卷绕的粗纱机，筒管的转速等于锭翼转速与卷绕速度之和，卷绕速度可根据当前卷绕直径和罗拉线速度计算；

4）龙筋：龙筋升降的线速度也可通过当前卷绕直径、粗纱号数、罗拉吐纱线速度等参数计算。通过龙筋电机编码器获得龙筋实时位置，按照设定的升降动程和换向位置来确定龙筋电机的旋转方向。

在上述计算中，当前卷绕直径相当于当前粗纱卷装的直径，无法测量，可以根据粗纱圆柱形卷绕工艺用计算的方式来获得。

控制四台电机同步时，为了简化程序，选择锭翼作为主轴，其余三轴作为从轴，上述计算获得的从轴的目标转速转换成对主轴速度的跟随比例，这样，编程时只需对锭翼变频器给定转速进行处理，其余三台变频器给定转速就是锭翼给定转速乘以相应的比例。

同步控制难度大的是机器启动加速、停车减速动态过程中的同步控制，虽然变频器内部也有加速时间、减速时间参数，但单纯依靠协调设定各变频器加速时间、减速时间并不能实现真正同步，并且不同车速下加速时间、减速时间都需要重新调整。

本文所述方案，摒弃了变频器内部的加速时间、减速时间，将其设定为最小值，通过编程使PLC给变频器的给定速度带有加减速斜坡。以开车启动为例，启动后，锭翼变频器的给定速度在设定的“启动加速时间”内由0线性增加到目标转速，其余三台变频器按照比例跟随锭翼变频器，亦呈斜坡加速状态。

图2为通过SoMachine的Trace工具捕捉到的启动阶段时各变频器实际速度的变化曲线，四台变频器的转速在设定的10s启动加速时间内同步线性增加到各自的目标转速。停车减速时同理，锭翼变频器给定速度在设定的“停止减速时间”内由当前速度线性减小到0。

2.3失电受控同步停车的实现

本文方案中四台变频器采用共直流母线连接，并且通过整流桥直接直流供电，图3为共直流母线连接示意图，～380V即机器的进线动力电源，PLC M241配有UPS电源供电。

经试验，不施加失电受控同步停车控制时，变频器运行状态下，切断动力电源后，直流母线电压快速下降，各变频器处于失控状态，因各自转速、负载不同，无法同步停止，造成断纱或冒头。失电受控同步停车控制的关键是控制器PLC能够获知失电状态并及时控制变频器速度，本文方案的实现方法是PLC通过CANopen总线监测变频器的直流母线电压，失电发生时，PLC监测到直流母线电压低于设定的阀值时，立即启动变频器给定速度特殊控制程序，由专用功能块FB_AtvDecCurve根据实时直流母线电压计算出变频器速度变化曲线，主动调整变频器转速，使变频器处于受控状态。

图4为FB_ AtvDecCurve功能块，其输入管脚i_wActSULN就是PLC监测到的直流母线电压实时值，该数值来源于ATV71变频器的SULN参数，SULN为由直流母线电压折算的电源电压，输出管脚q_iFreqRefFlyer就是经过特殊处理后的锭翼变频器给定速度。

图5为锭翼转速1000r/min时，切断动力电源后，各变频器的实际速度及SULN的变化曲线，失电后，直流母线电压先小幅下降，随即PLC启动特殊控制程序，控制变频器给定速度，拉升直流母线电压并使其维持在一定范围，各变频器速度按照PLC的给定的减速斜坡同步减小至0，总的停车时间在3.5s以上。

3 结束语

本文设计的方案基于CANopen总线，系统架构简洁，控制实时性强，可靠性高，通过PLC编程，对启停阶段变频器给定速度进行特殊处理，保证同步效果，针对失电受控同步停车，设计变频器共直流母线连接，PLC通过CANopen实时监测直流母线电压，并根据其变化来控制变频器转速，实现真正的受控停车，不仅停车时间满足要求，而且变频器斜坡减速停车避免了快速停止时的机械冲击。

［1］ 刘裕 陈人哲.纺织机械设计原理 上册［M］.北京：纺织工业出版社，1982.

［2］ Schneider Electric. Modicon M241 可编程控制器编程指南［M］. 2014.

［3］ 陈长飞 杨煜普.基于变频调速的粗纱机四电机系统设计［J］.自动化仪表，2006，（5）