MD-11型毛巾印花機是毛巾織造行業的主要設備，由于采用了很多機械渦輪渦桿傳動和落后的繼電器控制，致使整機噪聲大、效率低、機件損壞嚴重，且操作工人勞動強度大、產品質量差。現配合機械傳動部分的改造，采用變頻器和PLC對其電氣部分進行了全面改造，重新設計制作了電氣控制系統。
一、工藝要求及設計思路
印花機的正常工藝流程共有6步，周而復始的循環，如圖1所示：
其工作過程為：開始時印花網框上升，升到位后導帶帶動毛巾前進，到位后導帶再慢速運行并定位停車，然后印花網框下降壓在毛巾上面，接著刮板帶著顏料正刮一次對毛巾印花，正刮到位后再反刮一次，如此完成一個印花周期6個工步的循環，再返回開始處進入第二個周期的運行。
除了以上自動運行的流程外，設計時考慮到為了調試及檢修的方便，還要系統能分別對每一工步單獨進行點動、單步和正反轉運行，或只運行某幾步程序。綜合以上工藝流程要求和控制設想，我們對系統設計了調試、手動、單步、周期及自動等五種操作方式：
1.調試：各工步都可單獨分別運行，運行到位后即停止;
2.手動：各工步都可單獨點動，按鈕釋放即停止運行;
3.單步：按下啟動按鈕，運行一個工步，到位即停。再按啟動，則進入下一工步運行;
4.周期：從初始位置開始，按啟動按鈕，程序自動完成一個周期的6步動作后返回到第一步開始位置停止。
5.自動：按啟動按鈕，程序完成一個周期的6步動作后又接著從第一步開始運行，自動循環。在自動方式下，中途若按下復位按鈕，則系統要繼續運行到第一步開始位置才停止;若按下停止按鈕，則運行立即停止，此時若再按啟動，系統即從該位置運行到第一步開始處停止。
整個印花機組采用三臺交流電機拖動，其中網框電機M1為1.5KW，正轉;導帶電機M2為3.5KW，需快、慢速運行及正反轉;刮板電機M3為2.5KW，正反轉。由于導帶電機轉速應根據工藝要求隨時調節，故考慮M2采用變頻器來拖動。
毛巾印花工序的濕度較大，同時為了保證印花機定位準確，提高產品質量，各工步到位檢測擬采用密封無觸點的傳感器。
二、控制系統硬件設計
如圖2所示為PLC控制電路外部接線圖。
為了使系統工作穩定可靠，控制核心部分的PLC及變頻器均選用進口器件。
根據工藝流程和控制要求，系統中設有8個位置傳感器，15個按鈕和轉換開關，1個變頻器故障信號，計24個輸入信號;輸出控制5 個接觸器和電磁閥、9個指示燈，控制變頻器4點，計數器1點，需19個輸出信號，共計43個I/O 點。考慮預留部分余量，所以PLC采用富士的NB1—P56型。該機的最大優點是每一個I/O點都可由用戶程序任意設定，且I/O繼電器全部做成超小型可拔插的模塊型式，每一點都可根據需要拔插更換不同類型的I/O繼電器，維修簡單;同時該機型擴展靈活，存貯器后備電池為可充電的鋰電池。
為了提高系統的抗干擾能力，PLC的輸入繼電器我們選用無觸點的光電耦合輸入模塊，用以隔離現場干擾，使系統工作穩定。
變頻器選用富士的FRN3.7G11S—4CX型。富士產品在國內應用很廣，2002年度的中國變頻器市場調查富士變頻器在國內市場占有率排名第二，足見其影響之大。
富士變頻器有如下特點：
1.接線簡單，噪聲低，安裝使用維護方便。
2.啟動或制動的轉速、時間、轉矩都可以人為設定，電機可在低速下以大轉矩啟動，加速或減速過程更平穩迅速，沖擊小。
3.可通過面板編程設定各種功能，來控制電機運行。還可通過編程設置多步頻率，最多可達15步的不同頻率值，以適應各種復雜的調速要求。
4.完善的保護功能。變頻器運行時的電流、電壓、頻率、轉矩和功率等參數都可以在線監視，若超過設定值就會自動報警或保護停機。對地短路、過熱及內部電路故障等也都會使保護功能動作而強制性停機，有效的保護了電機和變頻器本身的安全。
各工步到位傳感器采用NJK-5002螺栓型霍爾開關，其安裝調試簡單方便，靈敏度高。8個霍爾開關傳感器的直流電源取自PLC的+24V直流輸出。
對系統五種操作方式的轉換我們采用的是5檔萬能轉換開關，這樣既減少了軟件程序編制的麻煩，又使得操作方式轉換更加直觀，穩定可靠。
為了便于統計毛巾產量，控制箱面板上還裝置了電子數顯式計數器，由反刮到位信號(也就是一周期第6個工步的結束信號，它表示印刷完一條毛巾)驅動其計數。每班上班時先將其顯示數據復零，再開始統計本班產量。
在控制箱面板上設置了各工步到位及電源、故障等相應的指示燈，給值車工一個醒目的提示，以避免錯誤操作。由于主要操作按鈕都在控制箱面板上，為方便使用，在機臺操作位置上還增設了啟動和急停兩個按鈕。
考慮到工業現場的惡劣環境，干擾較大，我們對PLC 交流供電采用380/220V的隔離變壓器(變壓器級間屏蔽層接地)，對其進行懸浮供電，以隔離由電網引入的干擾。
在 PLC的每個輸出端都要并聯上RC阻容吸收網絡，以吸收抑制接觸器、電磁閥等感性負載開斷時所產生的過電壓;線路敷設時，將PLC控制信號線與交流電源線分開布線，最大限度的降低靜電和電磁感應干擾。從圖2中可見，我們把PLC的上部I/O端口000—01B分配為輸入端，把下部I/O端口01C—037 分配為輸出端，這樣做的好處是把輸入和輸出、強電和弱電明顯隔離分開，進一步減小干擾，同時也避免了接線錯誤。
在控制箱結構設計時，要充分注意到變頻器的散熱問題，對此我們采取了如下措施：一是變頻器四周留有足夠的空間以利于散熱，同時因熱量向上散發，變頻器應安裝在控制箱上部，且其上方不再安裝其它設備;二是由于變頻器運行時，底部散熱板的溫度可達900C，所以要把變頻器安裝在耐高溫的金屬底版上;三是因考慮防塵問題，控制箱體需要密閉，如若周圍環境溫度較高，影響變頻器散熱的話，在控制箱體上還應設置散熱風扇。本系統控制箱由于在結構設計、元件排列時考慮了設備散熱的影響，所以未設置散熱風扇。
三、軟件程序設計
本系統的主要控制功能都是由PLC來實現的，圖3為PLC主程序流程框圖，整個程序用富士PLC的梯形圖編制。系統中的5種操作方式由兩部分程序控制，其中的調試和手動操作方式由手動部分程序完成，單步、周期及自動操作方式由自動部分程序完成。
系統上電后，程序進行初始設置，移位寄存器清零，同時啟動變頻器，然后根據選定的操作方式運行程序。
手動部分程序較簡單，類似于繼電器控制方式，只是需要考慮好各動作之間的聯鎖互鎖關系。
自動部分程序中采用移位寄存器輸出作為各工步程序的轉換信號，開機初始設置完成后，按下啟動按鈕，移位寄存器被置1，運行第一步程序。接著移位寄存器由啟動按鈕信號或各工步到位傳感器信號驅動移位。單步、周期、自動這3種操作方式在程序流程中的區別是：單步操作時寄存器移位受啟動按鈕信號控制，每按一次啟動按鈕寄存器移位一步，運行一步程序，到位即停止。若再按啟動按鈕寄存器又移位運行下一步程序;周期操作時寄存器的移位由各工步到位信號控制，每一工步到位寄存器就移位一步，并運行下一步程序，第6步到位后寄存器清零并保持，系統在初始位置停止運行，等待下一次操作;自動操作時寄存器移位方式與周期操作時相同，只是第6步到位后寄存器清零的同時又置1，重新開始下一周期的移位及程序運行。
輔助部分程序主要有：根據工藝要求進行刮板上跳控制、變頻器及PLC故障指示、各工步到位指示、各程序步指示以及系統工作計時器等。
導帶電機(3.5KW)由變頻器拖動，由于其運轉速度較低，啟動轉矩也不大，對變頻器的啟動頻率和轉矩等參數就按默認設置。因印花機工藝對導帶電機調速要求不高，慢速只是為使毛巾準確定位而已，所以變頻器就只設計了快、慢兩種速度，并通過對變頻器的多步頻率1和多步頻率2(即C05、C06)兩參數的設置來實現，具體設置C05為40HZ、C06為5HZ。導帶電機工作運行時間較短(每一個循環周期中導帶快速運行4—5秒，接著再慢速運行1—2秒后停止)，因此變頻器的加速和減速時間也相應的設得較短，設置加速時間為1秒, 減速時間為0.5秒, 在實際調試時再根據毛巾產品工藝要求作適當調整，能準確定位停車即可。
四、其它應考慮的問題
盡管系統設計時采取了多種措施，提高了容錯能力，但有時變頻器和PLC發生故障也是在所難免的。我們除了設置使變頻器故障保護性停機外，還將變頻器故障和PLC故障信號引入到PLC初始設置程序中，若發生故障就立即停止所有輸出，避免故障范圍擴大。
值得注意的是，NJK-5002型霍爾開關內部是晶體管輸出，輸出有NPN和PNP型兩種方式，也就是分為集電極輸出和發射極輸出，PLC的輸入光耦模塊也有正負極性之分，所以應根據實際需要購買合適極性的霍爾開關，在現場連接時也應注意正確接線，以避免帶來不必要的損失。還有PLC的+24V直流電源輸出容量有限，當傳感器較多所用電流較大時應考慮另設直流電源。
由于PLC及傳感器的電源最終都取自于隔離變壓器，所以應合理選擇其容量，避免超載運行而影響系統的安全。
PLC的運行速度很快，其控制輸出的時間不超過1毫秒，而交流接觸器等電磁器件的反應速度在10毫秒以上，所以在如電機正、反轉連鎖互鎖控制等場合應充分注意到二者的速度差異所帶來的影響，避免因后者反映速度慢造成正、反轉接觸器同時吸合而產生電源短路的故障。解決的辦法一是除在PLC程序中設置互鎖外，還要利用接觸器的常閉觸點互鎖;二是在某些接觸器無常閉觸點的特殊場合，可考慮在PLC程序中正、反轉動作切換之間設置0.5秒左右的延時，即正、反轉切換時要延時0.5秒再進入反向運行，確保轉換安全可靠。
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本文標題：基于PLC的毛巾印花機控制系統及設計
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