基于车间联网的化纤加弹机嵌入式控制系统

王剑浪，黄培军，周青青，陈志伟

（浙江精功科技股份有限公司，浙江 绍兴 312030）

1 控制系统概述

1.1 系统的总体设计结构

设该车间总共拥有N台加弹机，车间的监控平台由以太网的端口与车间内部的每台加弹机相连，企业的总监控中心工作人员可以输入相应的IP地址，访问生产车间网站，观察每台化纤加弹机的运行情况，同时，可在上位机中对机器运行的相关工艺参数进行重新设置或调节，向下位机发出相关的指令。然后，下位机接收指令以后，立即执行任务。具体结构参见下图1。

图1 系统总体结构图

1.2 网络化可编程控制器

第一，该系统主要采用PEC4900的可编程式控制设备。这是当前一种先进的技术产品，融合了以太网、MB+高速总线、Profibus总线、ZigBee通信技术。主要具有以下优势：其一，具有良好的开放性，支持EPA标准的高速以太网，还支持Modbus TCP/UDP的协议，可以兼容各类软件。其二，具有极快的网络通信速度极快。其三，支持RS485标准的Modbus协议，并且和第三方设备相连。其四，EPA，MB+Modbus、Profibus、ZigBee几种网络之间可以随意组合，轻松达到无限点的自由组态。其五，可以最大化地确保系统的稳定运行。其六，编程软件PLC支持功能模块，可以根据网络设备实际情况，统一编程，对设备进行分布式的控制。其七，通过模块化的控制模式，每个模块既能够独自完成工作，又能够利用网络技术，形成一个控制系统，带有级大的灵活性。第二，本系统主要采用了PEC4900控制器，能够有效地对机器运行的状态加以控制，并且可以准确地算出所有的参数，便于快速读取数据，例如温度、转速。此外，还能够准确地读写设备中所有电机的运转速度。同时，对于丝线的卷绕成型，也可以较好地控制重复，实现顺利退绕。综上所述，在以太网作用下，将控制器与上位机有机地连接起来，达到良好的通信效果，将采集的信息经以太网的端口，传入上位机里。上位机发出的指命也由以太网传进控制器中，控制器会按照相应的操作指令，控制车间中所有机器的运行。

2 系统的主要控制功能

2.1 温度控制

在化纤加弹机嵌入式控制系统中，温度控制是一项重要控制技术。对设备运转中的温度进行有效地控制，可以确保纺丝的质量。对于系统的温度控制，主要通过AI05000模块完成。第一，控制模块的硬件连接。AI05000模块总共有8路输入与输出的模拟量。这些模拟量输入时需要连接铂电阻的模块，而输出需要接到PEC4900。该模块利用RS-485、PEC4900网络化可编程控制器相连，将采集的温度数据传输到PEC4900里。例如：每台加弹机总共有十二节车，每节车皆设有单独的热箱，对本节车进行温控。在每个热箱中选择两点，做为控温、测温的节点。每个点需要装设一个铂电阻的模块，测量温度。这样，一节车总共需要采集两个输入点温度。则A侧应当需要采集二十四次输入点的温度，总共要设置三个AI05000的温控模块。根据多点控温的相关原理，可以对每节车运行中的温度进行独立控制，保持较高的温控精度，进而达到均匀加热丝线的目的。第二，温度控制的计算方法分析。基于AI05000的PID温控流程，既控制精度较高，又可以确保系统具有适宜的温度。采用PID算法，完成多路控温，用来实现对固体继电器进行有效地控制，更好地控制热箱的工作状态，达到精确控制温度的目的。此外，PID控制器还可以调节输出，保证没有偏差，使整个系统更加稳定。所谓的偏差，就是给定值和过程变量之差。依据PID的相关理论：关于输出Mn的计算，主要通过微分项、比例项、积分项的函数关系式。其中，Mn代表第n采样时刻的计算值；MPn代表对应的比例项；Min、MDn分别代表相对的积分项、微分项。这里的比例项为增益与偏差的乘积。CPU求比例项的公式为：（Ei－Ei-1），MPn代表对应的比例项值；P代表增益；Ei代表对应的偏差值；Ei-1代表偏差值。积分项Min是增益K与偏差的乘积；K决定对偏差的灵活程度；偏差是定值和过程变量之差。CPU求积分的计算公式如下：（SPn－PVn），其中，Min为积分项；K为增益；SPn为给定值；PVn为过程变量。MDn与增益值和偏差变化成正相关。CPU求微分项的公式为（Ei－ 2Ei-1＋Ei-2），其中，MDn代表对应的微分项值；K代表增益；Ei代表对应的偏差值；Ei-1代表前一次的偏差值；Ei-2代表前二次产生的偏差。

借助PID理论对温度的调节，可得到相应的温度变化曲线图，最终使得温度恢复到初始设定值，见图2。

图2 系统的温度变化曲线图

该系统的温控功能，能够实时性地对设备的运行温度进行监测、控制。若温度超时报警，则在电器柜上，会闪烁报警的红灯。同时，人机界面屏也能够观察到温度异常的热箱。此外，温控系统还能够进行人工补偿，让实际工作中，所有热箱的温度值等于显示值，以确保系统正常运行。

2.2 速度控制

该系统主要采用FC360变频器与永磁电机实现对电机转速的有效控制，让机械设备处于恒定速度的拉丝状态。这种变频器具有良好的性能，一般能够适合多种控制原理。如UIf电动机模式等。通常情况下，化纤加弹机在运行过程中，应达到以下标准；其一，保证机器运行过程中丝线具有恒定不变的张力，就是指每台电机具有稳定的运转速度。其二，关于丝线的卷绕成型，工作人员需要对动程进行修正，防止丝线的重叠，以实现顺利退绕。化纤加弹机嵌入式的控制系统，主要应用了先进的FC360变频设备，以及永磁同步电机技术，确保电机的运转速度、丝饼卷绕方面皆可达到规定的控制标准。

2.3 切丝断丝控制

该系统内部安装了单锭计长的装置，用来对纺丝生产进行规划与控制。在人机界面上设置分特数、卷绕重量、定重后切丝的延长时间等参数，界面屏上会显示当前每锭纺丝的实际重量。在单锭生头的时候，需要开启机器的定时开关，若丝线达到事先设定的长度时，会亮起相应的落丝指示灯；如果过了一段时间，没有发现落丝，则通过切丝器切断原丝。若在纺丝期间产生了断丝，切丝器会进行切断。同时，确保定重的寄存器处于归零状态。

3 系统的通信监控技术

第一，联网的化纤加弹机控制系统，采用主从式的通信构造，通过一台PC机，控制很多嵌入的控制系统，PC机会自动发布控制指令或信息请求。控制系统会接收上位机的信息并予以回应，按照具体要求返回指定信息。每个系统皆安装和加弹机相匹配的设备ID，PC机与控制系统发布的信息皆带有设备的ID信息，利用设备ID，可以辨别信息的来源与接收人。第二，嵌入式的人机界面，经过以太网端口，实现与上位机的有效通信，界面由以太网和可编程控制器相连，由RS-485、NCC2000计长板相连，采集运行设备的数据。通过DHMI界面的组态软件，对系统的信息进行采集，并且形成报表，储存于数据库中。这样，客户或企业的管理者可以利用网络技术，实时访问监控的界面，进而掌握运行设备的实际状况。由于ITC 1015共设三个网络端口，其中两个连PEC4900，另一个连监控器。如果IP地址发生了冲突，可设置网桥加以解决。此外，建立数据库，可以将设备的产量、效率、班产量等信息储存于人机界面，客户在监控设备中，直接调取机器的工作报表，同时，依据其中内容，合理判断机器的运行状态，进而实现了车间的信息化管理。

4 结语

随着科学技术的发展，加弹机的功能不断增多，未来化纤加弹机还会朝着智能化方向发展。在日趋激烈的市场竞争中，唯有顺利时代潮流的加弹机产品，才会占有较好的市场份额。本文的化纤加弹机，应用了嵌入式的控制系统，通过实践应用表明：机器运行状态平稳，各项控制性能良好，无论采集数据还是各类的生产报表，其测试的准确率皆达到100%。依据报表中对原丝与纺丝工艺的记录展开分析，有效地解决了纺丝中的实际问题，取得了预期目标。