MM 440变频器PID功能在化纤设备中的应用

王韫凌

邯郸宏大化纤机械有限公司(中国)



MM 440变频器PID功能在化纤设备中的应用

王韫凌

邯郸宏大化纤机械有限公司(中国)

介绍了化纤设备中，利用西门子MM 440变频器的PID功能保持丝束张力恒定的控制问题。

化纤设备； MM 440变频器； 比例-积分-微分

在化纤机械行业中，涉及到许多需要保持丝束张力恒定的设备。例如，短纤生产线中，为确保纤维品质，张力机与切断机之间的丝束或张力机与卷曲机之间的丝束必须具有一定的张力且张力需保持恒定不变。达到这一目的的方法很多，根据现有的硬件完成同样的功能，则既可降低成本，又能方便维护。随着变频调速技术的不断发展，变频器广泛应用于各种工业自动化设备中，机械设备对精度控制的要求和自动化程度的需求也越来越高，从而要求对现有自动化产品有较为深刻的了解。变频器中PID(比例-积分-微分)功能应用较为广泛，PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路组件，由比例单元P、积分单元I、微分单元D组成，PID控制的基础是比例控制，积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可提高大惯性系统响应速度及减弱超调趋势。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。PID功能应用的关键是如何在做出正确的测量和比较后对系统进行更好的纠正。熟练应用这一功能可解决很多实际生产中遇到的问题。本文介绍了利用西门子MM 440变频器内置的PID功能，对丝束恒定张力的控制问题。

1 控制系统

以张力机与卷曲机间的张力控制为例。如图1所示，为确保纤维卷曲度和品质达到一定的质量要求，张力机与卷曲机之间的丝束张力必须保持恒定，因此需在张力机与卷曲机之间增加一个检测元件，即张力传感器，以形成闭环控制系统。本例中必须配备以下基本硬件：可编程逻辑控制器(PLC)、1个模拟量输入模块、1个模拟量输出模块、触摸屏和MM 440变频器，1台张力传感器。

图1 现场设备示意图

2 控制方法

张力控制的连接方式如图2所示。

图2 张力控制的连接方式

因在化纤生产线中本例仅为全线的一个环节，为保持控制方式的一致性，两台分别控制张力机和卷曲机的MM 440变频器可通过Profibus DP总线给定速度，由于张力机速度恒定，因此需通过对卷曲机速度的微调来实现卷曲过程中张力的恒定。卷曲机速度的微调是通过控制卷曲机变频器中PID功能实现的。在本例中，由于两台变频器的主给定速度是通过Profibus DP总线给定的，而微调速度是通过控制卷曲机的变频器上的模拟量输入端子给定的，所以要求变频器必须有两个模拟量输入点，一个用于张力设定接入，另一个用于反馈接入。而若变频器的主要同步速度通过模拟量给定，则变频器就必须有3个模拟量输入点。

主要控制方法如下：张力机和卷曲机的主速度通过

Profibus DP总线给定，利用张力传感器测定两台设备之间丝束的张力反馈信号。变频器方框图如图3所示。

张力传感器输出的0～10 V的直流电压信号直接接入控制卷曲机的MM 440变频器接线端子的模拟量输入端2，即接线引脚26和27上，因本例中张力传感器信号为电压信号，需设定P0756[1]为1，并将DIP2开关拨至OFF。DIP开关设置方法如下：OFF=电压输入(0～10 V); ON=电流输入(20 mA), DIP1对应模拟输入1，DIP2对应模拟输入2。模拟量输入端2作为反馈通道。需要的实际张力可在现场操作台上的人机界面(人机界面也通过Profibus DP总线与PLC进行通讯)中设定，从而将所设定张力的数值反馈到PLC中，并通过模拟量输出模块，将设定张力的数值转化为0～10 V直流电压信号，接入卷曲机变频器接线端子的模拟量输入端1，即接线引脚12与13上，需设定P0756[0]为1，并将DIP1开关拨至OFF。如图3所示，设定变频器参数P2251=1，即设置PID方式为PID作为微调，PID输出作为微调与总线给定的主速度进行叠加，通过对卷曲机的速度改变达到对张力机与卷曲机之间张力的跟随，即通过对卷曲机变频器速度的控制实现丝束张力的恒定。

图3 MM 440变频器方框图

可见，张力控制是通过变频器中PID微调功能实现的，PID参数的设置直接影响系统的动态特性和稳定性。因此在保证系统稳定性的前提下，应将比例增益慢慢放大，积分时间逐渐放短，直至张力的稳定。

本例中，作为微调的反馈值上下限可根据总线给定的速度通过P2291和P2292设定，以使反馈值与主给定速度匹配。

若张力机与卷曲机之间丝束的张力太大，将引发张力机“倒拖”发电现象，即张力机电机不是依靠变频器的控制而旋转，而是被动地被卷曲机通过纤维强制拖拉。由此控制张力机的变频器将发生过流报警，导致变频器故障停止，因此需在控制张力机的变频器上连接一个制动电阻，以解决这一问题。

4 变频器主要参数设置

为实现上述功能，变频器需设置以下参数。

4.1 张力机参数

4.2 卷曲机参数

5 诊断

变频器如果不能自动调节至目标值，可以查询卷曲机变频器的以下参数进行诊断[1]。

r2262： 经过滤波的已激活的PID设定值，即为设定张力。检查该值与设定转化为电压信号的值是否一致，如r2262=100%，相当于PLC从模拟量模块读数为4000(此为十六进制数),对应最大电压10 V,即可检查设定值通道是否与设定值一致。

r2272： PID标定的反馈信号。此为张力传感器的反馈信号，如r2272=100%，相当于PLC从模拟量模块读数为4000(此为十六进制数)，此值对应最大电压10 V,即可检查反馈电压值是否与实际一致。

r2273： PID偏差。显示设定值与反馈信号之间的PID偏差，即r2262与r2272的差值，如果此值为正，卷曲机应加速；如果此值为负，卷曲机应减速；当差值为0时，即为设定张力值。

r2294：实际的PID输出。若r2273为正，则r2294增加；若r2273为负，则r2294减少。

6 结语

充分利用变频器自带的PID功能，可避免或减少PLC编写相关程序的工作量，同时仍能保持设备的控制精度，并能达到通过PID功能控制张力的目的。

[1] 西门子公司.MicroMaster 440标准变频器使用大全[Z].2007:179-195.

Application of the PID function of MM 440 converter to chemical fiber equipments

WangYunling

HandanHongdaChemicalFibreMachineryCo.,Ltd.，Handan/China

Keeping tension of the screw constant by the PID function of MM 440 converter on equipments of chemical fiber was described.

chemical fiber equipment; MM 440 converter; proportion integration differentiation(PID)