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PLC和变频器在纺织设备中的应用
jiang_0514 发表于 2009/6/15 12:15:16 457 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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PLC和变频器在纺织设备中的应用
摘 要：本文介绍了欧姆龙3G3JV变频器的特点和细纱机的具体工艺要求，具体讨论了细纱机的电气控制系统的组成和实际的工作工程，详细说明了PLC和变频器在细纱机中应用的工作原理、控制方式和运行效果，阐述了变频器在实际应用设计中应注意的问题。
关键词：变频器;PLC;细纱机;自动控制
Abstract: The features of OMRON 3G3JV inverter and the technical requirements of the spinning machine are introduced in this paper. The structure of the electrical control system of the spinning machine and the practical operating process are discussed concretely. The working principle, the control mode and the running effects of PLC and the inverter in the application of the spinning machine are illuminated in detail. The issues of the inverter in the practical application are expounded.
Key words: Inverter; PLC; Spinning Machine; Automatic control
1 引言
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迅速发展，交流变频调速技术也取得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，变更速度方便。
（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，最大可达8段速的多段速运转，加上点动运转（最大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，更能延长寿命。
（5）可实现节省空间的小巧尺寸，使盘内的安装也变得更为容易。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，必须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，独立给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，就可以消除干扰。
（8）避免产生机械共振
在变频器驱动电机运转升速过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速过程中跳跃一段频率，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更加快捷，提高了变频器的可靠性。
（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、逆变功率器件超过正常工作温度烧毁，修复成本很高，基本无修复价值。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系列小型变频器突出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，使控制方法更简便、更完善,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），最后是精纺（将粗纱延伸、搓捻成细纱）。细纱机是棉纺过程的最后一道工序，精纺机械的纺织时间最长，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，系统稳定可靠，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）高效率
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最高速度，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、电机运行的最大和最小频率、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，提高了系统的可靠性，方便了系统的维护，降低了维护费用。
4 系统配置
一台细纱机通常有250～400个纱锭，纺纱锭数一般用细纱机台数×40来表示。细纱机本身的纺纱能力用纱锭的转速表示。细纱机的运行模式分为高、低速两档。在启动开绕和绕满停车时，为了防止断纱而实行软启动和停车。系统中用了16台内置EMC滤波器的变频器和16台三相250W的电机。控制系统采用PLC。所有的变频器都由PLC通过RS485串行通信口来控制。这样不仅增强了系统的控制性能，而且还减少了系统布线和调试的时间。控制系统的框图如图1所示。运行模式如图2所示。
图1 系统框图
图2系统运行模式
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速过渡过程中，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速过渡过程中，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，降到极限位置时，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，使生产过程更加安全、合理。
5 结束语
系统中采用的3G3JV变频器的防护等级为IP20，为了保证变频器长期可靠地运行，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超限，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。