西门子6ES7368-3BF01-0AA0接线方式

 FX2N系列PLC硬件组成与其他类型PLC基本相同，主体由三部分组成，主要包括中央处理器CPU、存储系统和输入、输出接口。PLC的基本结构如图1-1所示。系统电源有些在CPU模块内，也有单独作为一个单元的，编程器一般看作PLC的外设。PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。 

外部的开关信号、模拟信号以及各种传感器检测信号作为PLC的输入变量，它们经PLC的输入端子进入PLC的输入存储器，收集和暂存被控对象实际运行的状态信息和数据；经PLC内部运算与处理后，按被控对象实际动作要求产生输出结果；输出结果送到输出端子作为输出变量，驱动执行机构。PLC的各部分协调一致地实现对现场设备的控制。

（1）中央处理器CPU

CPU的主要作用是解释并执行用户及系统程序，通过运行用户及系统程序完成所有控制、处理、通信以及所赋予的其它功能，控制整个系统协调一致地工作。常用的CPU主要有通用微处理器、单片机和双极型位片机。

（2）存储器模块

随机存取存储器RAM用于存储PLC内部的输入、输出信息，并存储内部继电器（软继电器）、移位寄存器、数据寄存器、定时器／计数器以及累加器等的工作状态，还可存储用户正在调试和修改的程序以及各种暂存的数据、中间变量等。

只读存储器ROM用于存储系统程序。可擦除可编程序的只读存储器EPROM主要用来存放PLC的操作系统和监控程序，如果用户程序已完全调试好，也可将程序固化在EPROM中。

（3）输入输出模块

可编程序控制器是一种工业控制计算机系统，它的控制对象是工业生产过程，与DCS相似，它与工业生产过程的联系也是通过输入输出接口模块(I/O)实现的。I/O模块是可编程序控制器与生产过程相联系的桥梁。

PLC连接的过程变量按信号类型划分可分为开关量（即数字量）、模拟量和脉冲量等，相应输入输出模块可分为开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和脉冲量输入模块等。

（4）编程器

编程器是PLC必不可少的重要外部设备。编程器将用户所希望的功能通过编程语言送到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对程序进行写入、读出、修改，还能对PLC的工作状态进行监控，同时也是用户与PLC之间进行人机对话的界面。随着PLC的功能不断增强，编程语言多样化，编程已经可以在计算机上完成。具体介绍将在项目二、三中详细说明。

1、系统原理设计

主回路采用可控硅三相全控桥式整流电路，励磁变压器的接线采用△/Y-1接法，以减少谐波干扰。灭磁开关双断口带辅助常闭触头的DM-型或DW10型灭磁开关，主回路的检测采用高新技术的霍尔传感器，提高检测精度和系统的可靠性。

采用自动/手动双调节器热备用方式，两套系统相互独立、互为备用、双相跟踪，以提高装置可靠性。

工作电源采用厂用交流和厂用直流同时供电方式，任何一路掉电都不影响调节器的正常工作，保证了装置的可靠运行。

详见《KPL-PLC励磁装置系统原理图》。

2、操作及信号回路设计

操作系统遵循强弱电隔离、多点输入/输出、多种信号指示的原则；各种开关量经隔离后引入PLC，通过中文触摸屏显示运行状态和人机操纵，经PLC控制操纵电气设备，隔离后通过中间继电器输出；同时保留简洁的常规继电器控制和按件操作，及主要信号显示，当PLC退出运行时可以进行操作和显示装置状态；各种输入/输出开关量均提供接点给中控室和微机监控系统。KPL-PLC励磁装置具有发电厂运行所要求报警信号和指示。

详见《KPL-PLC励磁装置电气操作原理图》。

3、硬件设计

KPL-PLC可编程序控制器励磁系统采用西门子S7-200 PLC，整个调节器由四部分组成：1）可编程序控制器系统；2）输入输出调理 3）手动部分；检测、切换部分 4）电源部分

分别说明如下：

⑴、输入输出调理

各调节量进入PLC前均要进行输入调理，以符合PLC技术要求；机端电压互感器PT（Y／Y－12接线）的副边电压接到同步变压器（△/Y－7接线），同步变压器副边三个相电压分别经滤波、整形，形成同步方波，由集成相控芯片据此产生移相脉冲；经隔离和脉冲放大后去触发可控硅工作；此外，利用同步方波，采用PLC数字测频，可获得机端电压频率的当前值，供控制及显示用。

详见《KPL-PLC励磁装置输入输出调理原理图》。

⑵、手动、脉冲检测、切换部分

手动单元工作于恒励磁电流状态，控制励磁电流为给定值；选用单片机作数字给定及对自动通道的跟踪；移相控制选用集成相控芯片，以提高系统的可靠性。

脉冲检测的基本原理是，待检测的每路触发脉冲，经光电隔离进入单稳触发器，当任一路触发脉冲丢失历时超过单稳触发器暂稳整定时间，通过切换电路自动进行手动/自动切换；切换电路由一片小型单片机和光耦实现，工作可靠，电路简洁。

详见《KPL-PLC励磁装置手动/切换原理图》。

⑶．电源部分

调节器工作电源取自交、直流厂用电。交流厂用电经电源滤波器、隔离变压器、整流变换后，与厂用直流电源并联进入开关电源组成高可靠工作电源。PLC用24V开关电源；输入/输出调理用±12V；手动调节器用±12V。

4、软件设计

⑴、软件组成及编程语言

KPL-PLC可编程序控制器励磁系统的软件包括：主程序、中断服务程序、控制量计算程序、各种功能程序、显示程序、通信程序、诊断程序、子程序库等。软件采用模块结构，易于调试、修改及扩充，编程语言使用STEP 7-Micro/WIN 32 图形化编辑程序。

⑵、软件工作流程   

KPL-PLC励磁装置的控制、保护、限制等功能，分别由主程序和中断服务程序实现。实时性强的控制，在中断服务程序中完成，其余由主程序执行。

①、主程序工作流程

②、中断服务程序工作流程

③、中断服务程序包括：同步信号中断，关键事件中断

⑶、其他一些程序模块的工作流程

主要有：起励程序，给定值改变程序，故障处理程序，低励限制程序，限流过流程序，事件记录程序，微机监控通讯程序等。

本套软件设计紧凑，每10ms可完成控制运算，更新控制角α。

1  引言 

无梭织机的主传动一般都采用高转矩三相交流电动机驱动，通过三角皮带和离合器来传动主轴和其它的机构，变速时更换皮带轮，停车时采用制动装置。传统的织机主传动系统中离合器和刹车片的磨损以及皮带的打滑都会使起停性能逐渐变差，需要定时更换维修;另外，使用交流异步电动机织机只能通过更换皮带轮实现有级调速。当织机在慢速寻纬时还需专配一台小电机带动相关机构完成，从而增加了机械的复杂程度和维护难度。中低档挠性剑杆织机的电控系统一般都采用电子元件或集成线路板与继电器组成的电控系统。织机停车故障的引入信号主要为断经和断纬，其中由压电陶瓷传感器引入的纬纱信号为连续模拟小信号，而上述电控系统是通过继电器实现逻辑控制的，不能对该模拟量进行有效的运算处理;在现场控制中，由于电网电压波动、机器振动等干扰因素，使断纬电信号检测失误，造成织机无故停车，直接影响到织造质量和机器效率。

近年来比利时毕佳乐公司引入了一种新型交流调速电动机传动系统—开关型磁阻电动机(SRM，称作Sumo马达)传动系统，该公司生产的无梭织机均将Sumo马达作为织机的标准配置。由于该类电动机结构简单坚固、工作可靠、效率高，因此由其构成的传动系统运行性能和经济指标比普通的交流电动机，甚至比晶闸管－直流电动机系统都好。Sumo马达基于可调节磁阻技术，可直接启动织机，无需离合器和制动装置，有相当快的响应速度。

针对现有剑杆织机电控系统的上述缺陷，本文提出了一种利用可编程控制器系统取代原电子元件、集成线路板、继电器的开关磁阻电机控制系统，使其性能得到进一步的改善。

2  无梭织机主传动系统控制要求

2.1  织机的启动

按下启动按钮，能够正常启动开车;织机正常开车的前提条件是:左右墙板上安装的光电安全装置处无障碍物，找纬信号开关断开，经停、纬停装置处于无断经、断纬状态，紧急停车按钮释放。

可实现点动操作。当按下点动按钮时，剑杆织机剑头动程和速度大小由手控按钮的时间长短来决定。

2.2  织机的制动

断经停车:断经可能发生在织机的任何角度，其停车按图1所示时序进行。这里涉及到一个“刹车角”的概念，即刹车动作开始到织机完全刹停的角度，本课题的织机刹车角为90°(310°～40°)。当检测到断经发生时，织机一直运行到310°时开始刹车，40°时刹车动作完成(此时织机负载大，有利于刹车)，然后再返回到320°综平位置(有利于穿经)，至此断经定位停车动作完成。

图1 断经停车

断纬停车:断纬一般发生在织机的引纬过程中，其停车按图2所示时序进行。在织机的90°—290°区域检测纬纱状态(正常时该区域内有纬纱信号输出)，织机一直运行到310°时开始刹车，40°时刹车动作完成，然后再返回到前一纬的40°(开口大位置，有利于处理纬纱)，至此断纬定位停车动作完成。

图2 断纬停车

在织布达到预先设定的长度后或当遇到换班、临时检修等时，可使织机停于经停位置;出现紧急状态时，按下停车按钮使织机停车，此时停车位置不受主轴转角的限制。

2.3  织机的调速

当织制不同品种需要改变织机转速的时候，可以通过直接调节电机转速来实现。

3  系统的硬件设计

3.1  织机的选取

织机选用实验室样机，其额定转速300r/min。用开关磁阻电机取代原有的电机、皮带轮、离合器和制动器。

3.2  开关磁阻电机

试验选用国产的通用开关磁阻电机。其主要技术参数如下:额定功率3kW，额定转矩19.1N·M，额定转速1500r/min，转速范围30～2000r/min，输出特性:恒转矩(30～1500)，启动转矩28.6N·M，制动转矩19.1N·M。

3.3  自动寻纬功能的实现方案

传统剑杆织机配备有辅助传动机构，由一功率较小的电动机驱动，使织机以较低的转速正转或反转。当经停或纬停发生时，低速电机将以预定的方式驱动织机的有关机构进行找断纬和对织口等操作。在本系统中，由于主电动机采用开关磁阻电动机，并由PLC进行控制，调速方便。因此，省去原来的辅助传动机构。直接由主电机完成原来辅助传动机构的操作。

其方案示意图见图3: 

图3 方案示意图

在织机正常运行时，图中4向左移动和5啮合，电动机通过齿轮3带动主轴、齿轮2带动开口机构等运转。当需要做寻纬等慢速动作时，控制器发出信号，图3中4向右轴向移动，于是4和5脱开，主轴脱离电机转动系统。电动机通过齿轮1、2只带动开口等机构慢速反转。慢速反转结束后，在正常开车前，4再向左轴向移动与5啮合，从而再次带动主轴正常运转。在织机正常启动运转时，其主轴转速为300r/min，试验用齿轮模数为6，齿数分别为Z1=23、Z2=57、Z3=57，从电机到织机主轴的传动比为2.5。

3.4  PLC控制系统的优势及选取

与传统的继电器逻辑控制相比，PLC具有的主要优势为:可靠性高，逻辑功能强，体积小;采用软件编程来实现控制任务，改变控制功能只需改变程序;PLC以继电器逻辑梯形图为编程语言，学习方便;抗干扰能力强，能够在恶劣的环境下可靠运作。现代PLC已经成为工业自动化领域中重要、应用多的控制设备。从国内纺机厂的生产状况分析看，江苏高淳、山西经纬、无锡龙力等，均采用以PLC为核心并配以旋转光电编码器为检测元件作为主要电控器件，既简化了硬件设计，减少故障点，又提高了系统的可靠性和稳定性，得到了用户肯定。这表明该系统设计已趋成熟。 

PLC的选取考虑两个问题:PLC的容量和选择何家公司的PLC及外设。本系统包括以下输入输出点，见表1:

   表1 I/O点数

本系统共包括24路开关量，4路模拟量。因此选用松下电工的型号为FP1C40的PLC。其有24个输入点和16个输出点，另加一FP1-2D/A扩展单元，扩展单元可扩展4个模拟点，可以满足本系统的要求。

FP1是松下电工的FP系列产品中一种功能很强的小型机，虽然其进入中国市场较晚，但由于设计上的独到之处和优良的控制功能，一经推出就很受欢迎。FP1主控单元内有高速计数器，可输入高达10kHz的脉冲，并可同时输入两路脉冲。还可输出频率可调的脉冲信号，具有8个中断源的中断优先权管理。通过主机上配有的RS-422或RS-232接口，可实现PLC和PC机之间的通信。FP1的硬件配置较全，主机可通过外接I/O扩展单元(扩展单元为一些扩展I/O点数的模块，由E8～E40系列组成)。FP1的智能单元主要有A/D、D/A模块。当需要对模拟量进行测量和控制时，可以连接智能单元。

4  系统软件设计

该系统软件程序的流程框图如图4所示:

图4 系统软件程序的流程

程序开始首先选择系统的运行方式，即自动还是点动。选择自动按钮时，系统将进入自动运行状态，首先判断紧急停车信号、安全信号、经停、纬停、定长和定位信号的状态，如果上述信号都未接通，则PLC通过输出继电器向电机输出正常启动所需要的电压，织机在电机带动下迅速启动。如上述任一信号接通，则程序立即转向相应的子程序。待子程序执行完毕，相应的信号复位后可重新开车。

由此由主轴正常转速400r/min，得电机正常转速为400×2.5=1000r/min。在电机需要慢速倒转带动开口等机构运动时候，同理可得电机的转速应该为30×2.5=75r/min。所选的开关磁阻电动机的调速控制由电位器的给定电压来控制，向电位器给定正向电压则电动机正转，反之则反转。电位器给定的电压范围为-10V～＋10V，对应输出转速从-2000n/m～＋2000n/m成比例变化。从PLC控制的角度看，所选用的松下FP1模拟量输出电压范围为0～10V和0～5V两档，选择档，对正常启动时向电位器输出5V电压;对慢速转动时输出电压0.375V。对于输出负电压则在接线时反结电位器即可。

5  结束语

通过本系统设计、试验，得到如下结论:采用PLC控制，使主传动控制系统硬件电路大为简化，系统运行可靠;同时还可扩展为整台织机的控制器，以实现整机的协调工作，提高织机的自动化程度。采用开关磁阻电动机调速方便，省去了电磁离合器等零部件，当织机在慢速运转和寻纬时无需专配小电机，由主电机直接带动主轴完成，降低了机械的复杂程度和维护难度，生产效率也同时提高。