西门子模块6ES7355-2CH00-0AE0支持验货

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  1、引言

    洁净室空调监控系统广泛应用于医疗、生物、试验室、电子、温室、办公大楼等场合，以监控其室内的温度、相对湿度、相对大气压、风量、尘、菌及有害气体的浓度等相关参数及指标。早期空调的控制设备多为就地式控制器或ddc控制器，控制功能简单、不易联网及信息集成度不高等缺点。随着计算机技术、控制技术和网络技术的发展，现在的空调系统都倾向于采用、实用、的可编程控制器(plc)来进行控制。提高空调系统的经济性、性及可维护性。

    2、工程概述及电气控制要求

    本工程应用于大型生物制公司的生产车间及温室。生产车间按功能分为12个(p2洁净等级9个，p3洁净等级2个，共公水系统1个)， 温室4个。考虑到各个生产车间的电气室在地理位置布较散，为便于布线及维护，要求每个生产车间均用一套立的plc控制系统。每个生产车间的运行参数及实时数据要在本地及控制室中设定与读取。每个温室的运行参数及实时数据要在本地及控制室中设定与读取。p2、 p3洁净等级的12个系统均可设定控制温度、湿度、负压；4个温室可设定控制温度、湿度。两个p3洁净等级的系统需具备两个或以上的本地数据设定与监控；控制系统要求节能。

    3、用haiwell(海为)plc的实现方法

    因各个系统的位置较远，为便于布线及安装，每个生产车间(电气控制室)使用1台海为plc；负责对现象各种信号的采集与处理，同时据设定的各种工作参数对现场的执行机构(如电机、阀门、泵等)进行输出控制，以达到的控制效果。

    为实现可在本地设定及读取数据，每台plc主机挂一个人机界面，两者之间用rs-232或rs-485相联进行通讯；4个温室因信号输入输出比较简单，只有模拟量的输入(温度与湿度的实时值)与输出(风阀的比例调节)，考虑到相对距离较远，为节省成本，选用海为plc的模拟量扩展模块作为远程io，用rs-485通讯连接方式与之相近的plc主机相联接(或直接与上位机相连)，通过plc主机以通讯方式将当前实时数据读出及控制远程模块模拟量输出给执行机构。

    对于两个p3洁净等级的系统因需具备两个或以上的本地数据设定与监控，所以将两个人机界面以rs-485连接方式组成一个rs-485网(一台人机界面作为主站，其余的作为从站)，作为主站的人机界面与haiwell(海为)plc主机的rs-232(com1)口或扩展通讯模块进行通讯，以达到多个本地设定与监控的目的；在本系统中，要达到节能的效果，除在工艺控制上进行合理的处理外，在系统硬件配置上，风机、泵的驱动执行机构可采用变频器。

    变频器的开关可用plc的do进行控制，而其运转的频率可用haiwell(海为)plc的模拟量输出信号或直接用plc与变频器通讯的方式进行控制；因各个车间的电气控制室(plc)相距较远，且距监控室距离很远，各个plc主机通过rs-485的组成一个rs-485子网与位于监控室的计算机(上位机)进行通讯，达到从远程对各个控制系统进行监视与控制的目的。

    控制系统架构示如图1所示。

图1 海为plc空调控制系统架构

    4、通讯方面的编程

    从上面的示意图可看出，plc所涉及到的通讯比较多：plc即要与人机界面、变频器、远程io通讯，还要与远程上位机进行通讯，每种设备的通讯还要非常即时，否则将影响实际控制的效果，对于此类控制系统，plc的通讯能力及对通讯方面编程的方便性是至关重要的。

    4.1 plc与人机界面或上位机的通讯

    haiwell(海为) plc与人机界面或上位机的通讯实现(rs232或rs485)：因海为的每种机型的plc主机、扩展通讯模块、模拟量扩展模块均内置有modbus rtu/ascii协议，所以只要利用相应人机界面的界面编程软件编写要进行监控的画面及数据(在该数据的属性定义窗口中填写plc寄存器或位相应modbus通讯地址)后，下载到人机界面中运行，即可实现plc与人机界面的通讯，而对plc进行编程。

    4.2 plc与变频器的通讯

    haiwell(海为)plc与变频器实现、远程io的通讯实现：因海为plc作为主站，所以要在程序中编写通讯的控制程序。实现起来很简单，只要利用一两条modr和modw指令即可实现，象什么通讯中断、通讯标志位、级、数据的收发等，属于通讯底层而又难于理解与掌控的东西全由haiwell plc自己统一处理与完成操作，编程人员只要关心发送前的数据准备及接收到数据后从接收数据的寄存器中取出数据进行处理，大大降低了编程与调试的难度，提高编程效应，简化了程序；现就与台达变频通讯加以说明，通讯程序如图2所示。

图2 plc与变频器通讯程序

    haiwell(海为)plc模拟量扩展模块与上位机的通讯实现：haiwell(海为)plc模拟量扩展模块也与haiwell plc主机一样，内置有modbusrtu/ascii通讯协议，上位机作为主站，模拟量扩展模块作为从站，不需要对模块进行其它的程序处理。

    5、结束语

    利用haiwell(海为)plc便利的通信功能及强大的通讯扩展能力(一台plc大可达5个通讯端口，每个通讯端口均可用于编程与联网通讯监控)，轻易、经济的实现了与各种外部设备的通讯(计算机、变频器、人机界面、远程io模块)，使生产过程中的数据能快速实时地传送到本地或远程监控，实现了信息的集中处理与分散控制及数据的共享。

    利用haiwell(海为)可编程控制器(plc)的模拟量扩展模块的串行连接功能，可作为远程io，对模拟量的采集量与控出量要求很多的情况，轻板实现无限制点的扩展，大地提高了控制系统的配置灵活度及日后的控制扩展能力，减少了模拟量信号的布线量，同时也减小了因模拟量信号线过长带来的干扰问题，节省工程投资成本。

  纺纱过程中由电机来带动纱锭（线轴）工作。电机在变频器的控制下运转而带动纱锭进行纺纱。纺纱的质量取决于变频器能否在负载变化时保持稳定的运行。系统中采用欧姆龙3G3JV变频器来控制纱锭电机的运行，3G3JV变频器具有很高的动态性能容许负载快速变化，其FCC控制功能可以提供非常平稳的运行速度，从而减少了断纱，提高了纺纱的质量。3G3JV变频器具有快速的捕捉再启动功能，当电网故障时可以快速地再同步纱锭速度，以避免断纱的产生。 3G3JV变频器可以控制电机在负载变化时从静止到输出650Hz平稳地运行。所有的变频器和电机的参数，如电机的实际速度、电机电流、电机的输出力矩以及变频器和电机的运行状态都可以通过串行口来访问。

    细纱机的运行模式分为高速和低速两档。在系统开绕到低速以及由低速到高速的加渡过程中，电机带动纱锭在变频器的控制下在设定的时间内均匀加速。在由高速到低速以及由低速到绕满停车的减渡过程中，电机在变频器的控制下在设定的时间内均匀减速，如系统的运行模式图所示。在启动开绕和绕满停车时，变频器实行软启动和停车，以避免断纱的出现。低速和高速的持续时间由PLC控制，而具体的运行速度是通过对变频器的设定来确定的。

    接通电源后，吸风电动机开始工作。同时，钢领板升降电动机正转，钢领板上升。当钢领板升到了始纺位置时，其复位开关动作，电动机停止。按下低速起动按钮，主机开始低速运行，进行细纱接头。按下高速起动按钮，转换为高速运转，全机进入正常纺纱阶段。

    纺纱满管后，钢领板复位开关动作，满管信号灯亮。进入工作位置，主机停止开关接通，此时，主机高速接触器释放，钢领板升降中间继电器吸合，主机断电保持惯性回转。随后，钢领板升降电动机反转，钢领板开始下降，降到限位置时，钢领板下降限位开关动作，停止下降。撑爪电磁铁吸合时，将撑爪打开，主轴制动电磁铁吸合，主轴制动刹车。经过一段延时后，切断控制电源，落纱完毕。

    需要中途停车时，按下中途停车按钮，主机即可停车，并自行制动。需要提前落纱时，按下中途落纱按钮即可。当机器发生意外时，按下紧急停车择钮，可使全机立即停车。

    在程序中设置了各个过程、设备之间的联锁保护，使生产过程加、合理。

    5、结束语

    系统中采用的3G3JV变频器的防护等级为IP20，为了保变频器长期地运行，在系统工作过程中需要注意以下几个方面：

    （1）由于纺织生产本身的工艺要求，要保持车间一定的温度和湿度，在炎热的夏季一定要注意变频器柜体的温度不要限，要确保柜体的通风。

    （2）由于纺纱车间的粉尘较多，如果变频器的柜体设计密封程度不够，粉尘进入变频器内堆积，吸附在电力、电子元件上，将会导致绝缘降低，引起变频器故障。因此在设计柜体时要注意防尘，并定期清理柜子的过滤器。

    （3）由于供电质量低以及同一电网连接多台变频器，故需考虑在每台变频器的输入端加进线电抗器，以保护变频器长久地正常运行。

    电动机是电力拖动系统中的原动机，它将电能转化为机械能，去拖动各种类型生产机械的工作机构运动，以实现各种生产工艺的要求，如驱动轧钢机的轧辊、龙门刨床的工作台、起重机的提升机及行走机构等。在很多应用中可能要求生产机械在工作速度、定位精度、快速启动和制动、反转等方面达到一定的水平，而作为系统原动机的电动机则是实现这些要求的主体，因此提高电动机的调速技术对于整个电力拖动系统的性能具有重要的意义。随着电力半导体和微电子技术的发展，交流变频调速技术也了很大的进步并得到日益广泛的应用。

    近年来，随着纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，应用交流变频调速已成为一种趋势。在大多数新开发的纺织机械产品中几乎无一例外地应用了交流异步电动机变频调速装置。对于织造机械则有浆纱机、整经机等。另外针织机、无纺布、化纤机械、印染机械上也大量使用了交流变频调速器。本文主要介绍了欧姆龙3G3JV系列小型变频器和PLC在细纱机上的应用。

    2、3G3JV变频器的特点

    3G3JV变频器欧姆龙公司推出的小型变频器，结构设计紧凑，只需简单的操作就实现许多复杂的功能，主要特点是：

    （1）正面的调节旋钮简单操作，变速度方便。

    （2）安装简便，操作简单，用途广泛，可实现对电机的有效控制。

    （3）通过简单的操作调节速度，通过正面调整旋钮，可以简单地实现速度调整。投入电源后，可立即运行。

    （4）将多种功能集中于小巧机身内，大可达8段速的多段速运转，加上点动运转（大9段速）及UP/DOWN运转灯，可以实现多种速度运转。另外还包含了各种便捷的功能，如滑差补偿功能、过转矩检出功能、速度搜索功能等。维护简单，一按即可实现冷却风扇的脱卸，而且只在运转时才投入工作，能延命。

    （5）可实现节省空间的小巧尺寸，使盘内的安装也变得为容易。安装、配线轻松简单。由于主回路端子的上下排列，可以轻巧的进行连接。同时通过DIN导轨的使用，可以实现一按就能安装/脱卸。

    （6）对应多种输入/输出，对应0～10V、4～20mA、0～20mA的模拟输出、多功能输出端子、模拟监控等。多功能输入上可以实现PNP/NPN输入切换。

    （7）避免产生高次谐波

    高次谐波对电源的干扰使功率因数降低，产生射频干扰、噪声、振动等。在调试时，普通变频器对生产线上的PLC、光电开关、接近开关产生干扰。只要变频器控制的电机开动，PLC的信号就一片混乱，输入、输出指示灯无规则的闪烁，程序不能正常运行。为了避免这些问题，一般情况下，在变频器的主电路中加入电抗器，抑制干扰。经过改变动力线与信号线排布，分开走线槽，立给PLC供电，外加电抗器，加磁环滤波等一系列繁琐工作，有时，这样仍不能解决问题。但是3G3JV变频器载波频率可调节，从l～10kHz范围限宽，通过调整载波，就可以干扰。

    （8）避免产生机械共振

    在变频器驱动电机运转升程中或运行达到某一速度时，引起共振，这样既缩短了机器的使用寿命，又降低了机械的精度。3G3JV变频器有一个专门的参数能使升程中跳跃一段频率，可以避免机械共振。

    （9）在保护功能以及延长使用寿命等方面的新措施

    通用变频器的保护功能主要包括过电流保护、过电压保护、失速保护等，通常变频器的保护电路都是制作在控制线路板上。3G3JV变频器是把过电流保护、过电压保护制作在功率驱动模块一起，这样缩短了电信号的传输距离，使得保护电路反映的速度加快捷，提高了变频器的性。

    （10）变频器的寿命延长

    很多变频器的损坏是由于元器件老化造成的。变频器由于冷却风扇寿命较短，冷却风扇在变频器上电的时候开始工作，到了风扇的使用寿命，风扇损坏停止工作，造成整流器件、逆变功率器件过正常工作温度烧毁，修复成本很高，基本无修复。这样就由于一个风扇影响了变频器的寿命。3G3JV变频器的控制风扇可以在变频器驱动电机运转时才转动，这样可以延长冷却风扇的寿命，也就延长了变频器的寿命。

    3G3JV系列小型变频器的优点在于多功能输入输出接点，引入了多功能变频器的优点，使控制方法简便、完善,从而使得它非常适合纺织生产工艺流程的变化。

    3、工艺要求

    棉纺过程有开纤（开棉、除尘、混棉），制纱（梳棉、制棉条），粗纺（将棉条进一步延伸，稍加搓捻），后是精纺（将粗纱延伸、搓捻成细纱）。细纱机是棉纺过程的后一道工序，精纺机械的纺织时间长，而且需要强驱动力。该道工序的好坏直接影响到棉纱的产量和质量，所以选择细纱机的传动装置是十分重要的。

    细纱机是将粗纱或条子纺成一定支数细纱的纺织机器。它的控制系统性能稳定与否直接影响到生产成本。采用PLC和变频器控制细纱机，操作简单，接线少，系统稳定，成纱质量好，且维修方便，便于管理。

    细纱机有低速运行、高速运行、吹吸风、落纱等过程。落纱分为自动落纱和中途落纱（暂停工作），自动落纱又分定长落纱和定时落纱。自动落纱的方式、落纱时间及长度均可设置，并能掉电保持。细纱机所需的电气传动装置应满足如下条件：

    （1）率

    细纱机所需的传动动力占棉纺过程的50%以上，且连续运行。所以传动装置的效率直接影响到整个棉纺过程。

    （2）可软启动

    启动时如果受到过大的的张力或者张力变化急剧都会造成断纱。

    （3）良好的速度控制性能

    高生产率的纺纱速度是断纱少的速度，但断纱由于种种原因而变化，纺纱速度也应对应于各种条件进行调整。

    根据纺纱过程的工艺要求，采用松下的FP0型PLC和3G3JV小型变频器可以满足上述要求，3G3JV变频器的模块化设计理念、快速的I/O处理时间和良好的动态响应可以实现灵活地配置控制系统。

    在系统中采用FP0型PLC对各个变频器进行集中监控，PLC和变频器之间通过RS-485总线相连，变频器和电动机的各个参数如电机电流、电机运行的大和小频率、变频器的斜坡上升和下降时间等都可以由PLC通过通信口来实时地访问和修改。这样就增强了系统的控制性能，减少了系统的布线和调试时间，降低了工程施工的成本，提高了系统的性，方便了系统的维护，降低了维护费用。

在程序中：

    S41是“送空管上升”过程的控制，X17 是送空管机构上升限位位置检测点，X30是棉卷夹盘左合到位检测点，X31是棉卷夹盘右合到位检测点，M131继电器是实现对送空管机构上升动作的过程控制，程序中行的指令是在S41步进程序步的控制中当送空管机构没有上升到上升限位点而且左右夹盘均没有处于闭合状态的条件下执行送空管机构上升的动作。程序中二行的M132继电器实现对送空管机构下降的控制，二行的指令是在S41步进程序步的控制中当送空管机构已上升到上升限位点时实现对送空管机构下降的控制。三行程序的指令是当送空管机构已上升到上升限位点时程序进入S42步进程序段即夹盘上升1mm步进段。

    S42是“夹盘上升1mm”过程的控制，X16是送空管机构下降限位位置检测点，四行程序实现的指令是当送空管机构复位时将送空管机构下降的动作复位；五行程序实现的指令是通过Y7来控制相应的电磁阀以便实现棉卷夹盘上升1mm的控制；六行中的X33是棉卷支架上升1mm和下降限位的检测点，六行实现的指令是棉卷夹盘上升1mm后进入S43步进程序段。

    S43是“上升1mm后夹空管”过程的控制，七行中的M129继电器实现松开棉卷夹盘的控制功能，七行实现的指令是对松开棉卷夹盘动作进行复位。八行中的M124继电器实现的是闭合棉卷夹盘的控制功能，本行的指令实现的是实现控制闭合棉卷夹盘的命令；九行实现的指令是当左右棉卷夹盘闭合时进入S44步进程序段。

    S44是“棉卷支架上升、落空管”过程的控制，在十行的程序中M513继电器实现的是运行状态下棉卷支架保持的的控制功能；十一行中的M134继电器实现的是空管仓落空管命令；十三行执行的是延时2秒后翻空管命令。十四行中X25是弹簧板处空管检测点，本行指令执行的命令是弹簧板处有空管时进入S45程序步进段。

    S45是“换卷后启动”过程的控制，十五行执行的是启动低速运行控制指令。

    PLC通过对各个自动动作的限位点的检测来实现对各个汽缸动作执行的协调，气缸是通过电磁阀控制的压缩空气来驱动的，具体动作执行的是否到位是通过传感器的检测来确定的。汽缸的运行速度则是通过调节节流阀来实现调节的。

2.4 控制电磁阀的人机界面程序设计概述

    在HXFA368型条并卷联合机上为了便捷的实现对各种自动动作的分立调试在此应用了台达DOP-AE10THTD型人机界面。通过人机界面可以方便的实现操作人员对各个电磁阀的实时控制，大大的方便了对各个自动动作的调试。

    2.4.1 HXFA368型条并卷联合机上通过人机界面控制和调试电磁阀执行动作的界面设计。

图3 界面设计

    在此界面中通过对打开棉卷夹盘，推棉卷，翻空管一次等触摸键的操作可以实现对相应电磁阀的控制，电磁阀通过对压缩空气的控制来实现压缩空气对气缸活塞的驱动进而实现相应的汽缸动作。在设备的调试过程中调试人员先通过调试设定界面中的触摸键来控制单步动作的执行，然后根据实际操作的需要来调整节流阀，以此实现对气缸运行速度的调节。

3 HXFA368型条并卷联合机气动控制系统中常见故障及解决方法

3.1 电磁阀故障

    电磁阀做为一种执行元件受控于PLC控制器，由于棉纺织设备长时间处于24小时运作状态电磁阀长期动作易造成电磁阀吸合不到位或者损坏两种情况，电磁阀吸合不到位在HXFA368型条并卷联合机上体现出来的状态是间歇性动作故障，进而引起设备间歇性故障停车，在此种状况下当对单个电磁阀又不好判断出阀体埙坏，需要根据具体情况进行综合判断；在电磁阀埙坏的情况下体现出来的故障情况是某个动作不执行，在此情况下可以根据实际情况换相应的电磁阀来解决问题。

3.2 传感器故障

    在设备自动动作执行的过程中需要用传感器对气缸动作的执行进行限位检测以便PLC对设备的自动动作进行逻辑上的协调控制，检测传感器的选用一般有磁感应传感器和接近开关两种类型，检测传感器一旦损坏就会导致自动动作停留在某个动作位停止而不继续往下执行下一步动作。遇到这种故障情况时就应当根据自动动作执行的情况来查找个并换相应受损的传感器。

3.3 气缸故障

    作为一种重要的执行部件气缸通常会因为长时间的运作而导致气缸内部的活塞出现漏气现象，这种故障情况下气缸所表现出的现象是在压缩空气送入气缸后气缸不动作或者动作力度及行程达不到相应的要求，遇到这种情况时就应当对损坏的气缸进行维修或者换气缸。

4 结论语

    HXFA368型条并卷联合机是一种自动化程度比较高的棉纺织设备，该设备是为棉纺织企业前纺工段中的精梳工序做准备的一种能棉纺设备，该型纺机设备经过多年来的改进提升总体性能和效率已经可以替代国外同类纺机设备如瑞士立达公司生产的E32型和E35型条并卷联合机，而其价位却仅为后者的三分之一左右，为国家节约了大量外汇。目前HXFA368型条并卷联合机已经广泛的应用在山东、河北、河南、陕西、甘肃以及湖南等多数棉纺织企业，其优良的性能已经得到了棉纺织企业用户的

1 引言
 
    随着科技的飞速发展，纺织机械设备制造业也迎来了性的发展，当前纺机设备的发展特点主要体现在：触摸式人机界面（HMI），可编程逻辑控制器（PLC）以及各种气动控制元件的广泛应用；目前不断提高纺机设备的自动化程度以减轻操作者的劳动强度和提高纺织厂的生产效率成为纺织机械生产厂家的一个重要的研发设计宗旨。而自动化动作的实现则普遍需要通过用PLC来控制电磁阀以及气缸等执行部件来实现。条并卷联合机是前纺中精梳准备工艺中生产效率的一种设备，HXFA368型条并卷联合机的自动化动作的实现需要通过压缩空气驱动气缸来实现，而压缩空气则是由PLC控制电磁阀来实现控制的。HXFA368型条并卷联合机采用了亚德客的电磁阀和气缸等气动元件来实现自动动作的执行。

2 应用设计

2.1 HXFA368型条并卷联合机的气动控制系统概述

    一个典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件及气源净化元件所组成。 HXFA368型条并卷联合机选用亚德客的电磁阀、气缸、压力表以及管接头做为标准配置，主气源进气处先通过三连件后再进入主气路，各个电磁阀用来作为相应动作单元上压缩空气通断的控制，电磁阀则由PLC控制器来实现逻辑上的控制，气缸的选用根据具体机械动作的实现来确定，气缸运动的速度根据相应的节流阀来进行调节。

2.2 HXFA368型条并卷联合机的动作流程概述

图1 HXFA368型条并卷联合机的部分动作流程图

    HXFA368型条并卷联合机在当设定的棉网长度到时主电机转为低速，电磁离合器分、扯断棉网，主电机停，此时棉架快速上升，上升到位时打开夹盘，棉架暂停在位，开前门，前门打开后推棉卷，棉卷推出后推卷机构返回，推卷机构返回后关闭前门，前门关闭后棉卷架快速下降到位，然后再进入上空管的步骤；棉卷推出后执行翻棉卷到小车的动作，翻棉卷机构返回后小车前进一步，推小车机构返回。

    HXFA368型条并卷联合机各种动作的实现均是通过气动执行元件来实现的，在气动控制系统中将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构作直线往复运动、摆动和旋动的元件，称为气动执行元件。在条并卷联合机中是采用电磁阀来控制气缸来执行动作的，而电磁阀的动作则由PLC来控制，在本设备的控制系统中采用了中达电通有限公司的DVP60ES型PLC来控制整个系统工作；电磁阀及气缸则均选用亚德客有限公司的产品。

2.3 HXFA368型条并卷联合机的自动动作的实现

    HXFA368型条并卷联合机具电一体化程度较高的特点，其主动力由11KW的变频电机通过变频来实现变频调速控制，各个分步动作的实现主要由电磁阀控制压缩空气驱动气缸来实现动作控制，上下空管、翻棉卷、棉卷支架上升下降、推棉卷、小车前进、前防护门开合、空管仓落空管以及送空管机构上升下降等动作都对应着相应的电磁阀和气缸，而整个动作的协调运作则有PLC控制器来实现控制功能，在此只做一个简单的概述。

2.4 控制电磁阀的PLC程序设计概述

    HXFA368型条并卷联合机上的各种自动动作的实现是通过用PLC控制电磁阀来实现的，下面是一段对部分动作进行控制的步进程序。