摘要：本文主要論述臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品在針刺型無紡布生產(chǎn)線上的系統(tǒng)集成應(yīng)用原理。項(xiàng)目展示了同構(gòu)平臺機(jī)電自動化產(chǎn)品的系統(tǒng)集成優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：針刺機(jī)；變頻器；人機(jī)界面；PLC
1 引言
無紡布在發(fā)達(dá)國家的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)甚至土建工程和醫(yī)療衛(wèi)生中有廣泛的用途。自從1990年開始，中國通過引進(jìn)歐洲光、機(jī)、電、氣、液全自動化成套生產(chǎn)線設(shè)備，有了現(xiàn)代意義上的無紡布生產(chǎn)能力。根據(jù)機(jī)電工程的理念，現(xiàn)代無紡布是典型的高新自動化設(shè)備密集型產(chǎn)業(yè)。例如某上市公司自1990年開始全廠5條引進(jìn)歐洲自動化生產(chǎn)線的PLC達(dá)到60余臺套共計(jì)3700多I/O點(diǎn)；變頻器達(dá)到120多臺，永磁同步交流調(diào)速自冷密封電機(jī)在一套梳理機(jī)機(jī)組的集成直軸伺服傳動達(dá)到23臺，具有世界先進(jìn)水平。5條線萬噸年產(chǎn)能單班生產(chǎn)員工僅40人，擁有亞洲最先進(jìn)的水刺型無紡布研發(fā)與生產(chǎn)能力。
無紡布的紡織工程學(xué)名叫做非織造布。非織造布工藝完全不同于傳統(tǒng)的紡紗——織布過程，非織造布的最大特點(diǎn)是不需要紡紗過程，它的“織布”過程更加類似于造紙工藝，非織造布通常是在一條生產(chǎn)線上直接實(shí)現(xiàn)從纖維到成布的連續(xù)加工過程。非織造布生產(chǎn)線“吃”進(jìn)去的是纖維，“吐”出來的是布。參見圖1針刺型無紡布工藝過程，定向或隨機(jī)排列的纖維通過摩擦、抱合、粘合或這些方法的組合，而相互結(jié)合制成的水平纏結(jié)薄片、纖維網(wǎng)或絮墊，經(jīng)過針刺機(jī)組在垂直布面方向纏結(jié)成布。因?yàn)闆]有傳統(tǒng)意義的紡紗織布過程，所以叫做無紡布。
圖1 針刺型無紡布工藝過程
圖1中的送棉箱，開松機(jī)和氣壓棉箱是將密實(shí)的纖維變成蓬松雜亂的纖維并送到梳理機(jī)入口，梳理機(jī)將纖維梳理成厚薄均勻的纖維網(wǎng)并送到鋪網(wǎng)機(jī)，鋪網(wǎng)機(jī)將送來的纖維網(wǎng)按照重量要求疊成多層的纖維網(wǎng)送往針刺機(jī)并由針刺機(jī)刺成相互結(jié)合制成的纖維薄片。無紡布生產(chǎn)線系統(tǒng)是一個(gè)看似各自獨(dú)立、但卻互相牽制的一個(gè)大系統(tǒng)，本文將以針刺機(jī)組為對象集成自動化針刺無紡布生產(chǎn)線。
2 臺達(dá)機(jī)電簡介
從最早第一臺變頻器面世，臺達(dá)機(jī)電至今已經(jīng)能為客戶提供PLC控制器、
溫度控制器、計(jì)數(shù)器、人機(jī)界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，已經(jīng)有能力向客戶提供完善可靠的機(jī)電一體化解決方案。汕頭三輝企業(yè)是一家以生產(chǎn)無紡布機(jī)械為主的企業(yè)，與中達(dá)電通已有多年合作，對臺達(dá)產(chǎn)品給予了強(qiáng)力支持與高度信任，并取得了非常良好的效果。本文主要以三輝企業(yè)生產(chǎn)的針刺機(jī)組生產(chǎn)線為例，簡要闡述臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的整合應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)。
3 自動化系統(tǒng)集成規(guī)劃
3.1 總體技術(shù)路線
（1）PLC的存儲容量和處理速度。整條生產(chǎn)線而言，數(shù)據(jù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算量很大，16K容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，單臺PLC的處理速度將會影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性。
（2）針刺生產(chǎn)線的布局和設(shè)備操作。各機(jī)臺是分散的，集中一地操作會為生產(chǎn)帶來不便，但假如分散操作，必須會帶來人機(jī)與PLC間的距離問題及PLC與受控單元的布線問題。
（3）設(shè)備組合方式。通常一條完整的生產(chǎn)線用戶會采購生產(chǎn)設(shè)備廠家性能或價(jià)格有優(yōu)勢的產(chǎn)品，或根據(jù)自身生產(chǎn)的產(chǎn)品采用不同的設(shè)備組合，故每條生產(chǎn)線組合可能完全不同。
綜上所述，為滿足方便安裝，方便整線整合，提高系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)按照單機(jī)設(shè)計(jì)、自由組合方式設(shè)計(jì)（見圖2、圖3），即是每臺針刺機(jī)使用一臺PLC、一臺人機(jī)、每臺針刺機(jī)提供聯(lián)機(jī)接口，不同需求用戶組成生產(chǎn)線時(shí)控制上只要將各機(jī)臺連上控制總線即可，單機(jī)程式不須做修改，改動內(nèi)容僅在總控制器部分。
圖2 人機(jī)與PLC連接采用RS232方式
臺達(dá)的驅(qū)動器、控制器及人機(jī)界面等產(chǎn)品均帶有RS485接口，采用通訊方式安裝方便、價(jià)格低廉，故在規(guī)劃整條生產(chǎn)線的控制方式時(shí)可以充分利用通訊的方便性。故可以擬出以下兩種方式：圖2方式，PLC與人機(jī)聯(lián)線使用RS232,模擬量傳遞速度信號（考慮到通訊有實(shí)時(shí)性問題），
變頻器頻率由PLC通訊給定，功能端子給定命令。圖3方式，PLC與人機(jī)聯(lián)線使用RS485, 模擬量傳遞速度信號，變頻器頻率由人機(jī)COM3通訊給定，功能端子給定命令。兩者相比差異在于變頻器控制源上。雖然效果一樣，但圖3方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)增強(qiáng)了人機(jī)與PLC的通訊距離，亦即對本系統(tǒng)來說人機(jī)安放的范圍將很寬，更適合生產(chǎn)線上分布安裝，故將本系統(tǒng)按照圖3設(shè)計(jì)。
圖3 人機(jī)與PLC連接采用RS485方式
如圖3所示，本系統(tǒng)將使用到變頻器，PLC和人機(jī)界面。按照機(jī)型體積和驅(qū)動能力，臺達(dá)變頻器分出多個(gè)系列產(chǎn)品，因VFD-B系列變頻器支持矢量閉環(huán)控制，低頻驅(qū)動能力強(qiáng)，而針刺機(jī)系統(tǒng)對速度穩(wěn)定性要求較高，并且定位模式運(yùn)行時(shí)要求低速大力矩，故本系統(tǒng)采用性價(jià)比較高的VFD-B。人機(jī)采用具有兩個(gè)RS485的DOP-AE系列和PLC采用具有良好性價(jià)比的DVP-SA。
3.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)
操作界面主要實(shí)現(xiàn)對針刺、進(jìn)料、出料、剝網(wǎng)、托網(wǎng)及機(jī)臺間通訊進(jìn)行監(jiān)控操作。單機(jī)界面設(shè)計(jì)分五部分：啟動畫面，主畫面，參數(shù)設(shè)定畫面，手動操作畫面，配方畫面和幫助畫面。在設(shè)計(jì)用戶界面之前，須根據(jù)控制方案設(shè)計(jì)模組參數(shù)相關(guān)內(nèi)容，一是控制器選擇和控制區(qū)設(shè)定：控制器使用DELTA CONTROLLER ASCII，控制區(qū)長度設(shè)為8；二是通訊方式和通訊口設(shè)定，DOP-AE提供一個(gè)RS232口和兩個(gè)RS485口（或一個(gè)RS422口），設(shè)計(jì)時(shí)只要在模組參數(shù)設(shè)定的通訊項(xiàng)分別指定兩個(gè)RS485口的指向和通訊格式即可。這兩步完成才有下面的深入設(shè)計(jì)。
圖5 單機(jī)主畫面
（1）主畫面參見圖5、圖6。
單機(jī)主畫面的功能在于用戶能最直接了解到本地機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)線相鄰設(shè)備的連接狀況，故設(shè)計(jì)上主畫面分三部分：數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)；換頁區(qū)；控制區(qū)。數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)監(jiān)控各工藝動作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括針刺次數(shù)、針刺時(shí)間、針刺密度、針刺頻率、牽伸比和進(jìn)料出料速度等,其中針刺時(shí)間和針刺次數(shù)在授權(quán)的情況下能清除當(dāng)前值,在針刺時(shí)間或針刺次數(shù)到達(dá)設(shè)定值后系統(tǒng)將彈出換針提示；換頁區(qū)完成各頁面切換,用戶可根據(jù)需要直接切換到相應(yīng)頁面進(jìn)行操作；手動操作控制區(qū)控制油泵運(yùn)行和控制針刺動作、入料、出料運(yùn)行。在主畫面按“運(yùn)行“后，該畫面油泵手動停止無效，系統(tǒng)將按照已設(shè)定的頻率繼續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)下可實(shí)時(shí)調(diào)整針刺頻率。在聯(lián)動狀態(tài)，針刺密度的修改將直接影響到進(jìn)料和出料速度，但牽伸比將維持恒定。非聯(lián)動狀態(tài)，用戶可以手動單獨(dú)更改針刺頻率和進(jìn)出料速度（即牽伸比）。
圖6 總屏主畫面
整線主畫面相對單機(jī)主畫面的操作具有更高的優(yōu)先級，一旦整線主畫面將某一臺加入到聯(lián)動狀態(tài)，則該機(jī)臺本地操作將無效，直到解除。命令線上機(jī)臺啟停有兩種方式，一是由整線主屏發(fā)出命令并將受命機(jī)臺設(shè)為聯(lián)機(jī)狀態(tài)；另一種方式是將針刺線受命權(quán)交給前紡，針刺線處于待命狀態(tài)，這種方式以握手方式執(zhí)行，即針刺線準(zhǔn)備完成后發(fā)出就緒信號，前紡收到信號后發(fā)出運(yùn)行信號和速度信號，一旦就緒信號終止，針刺機(jī)組亦將停止。
（2）參數(shù)設(shè)定畫面參見圖7。出于數(shù)據(jù)的安全性及程序的兼容性考慮，參數(shù)設(shè)定界面列出了用戶參數(shù)和廠家參數(shù)，因而參數(shù)設(shè)定需要等級密碼驗(yàn)證進(jìn)入，不同授權(quán)等級的用戶僅可以修改授權(quán)范圍內(nèi)的參數(shù)。最高級用戶可以隨時(shí)修改各等級授權(quán)密碼。
圖7 參數(shù)設(shè)定畫面
（3）手動畫面參見圖8。手動操作目的用于調(diào)試，用戶能任意對送料輥、出料輥、針刺、托網(wǎng)板、剝網(wǎng)板和油泵等進(jìn)行任意操作，不再受其他條件約束。另外，通過手動操作，亦可以使用戶通過試驗(yàn)尋找合適的生產(chǎn)參數(shù)。
圖8 手動畫面
（4）配方畫面參見圖9。臺達(dá)DOP系列提供配方功能，提供方便好用類似Excel的配方編輯器，讓使用者可以輕松的編輯配方；并且在64K存儲空間內(nèi)可以同時(shí)輸入多組的配方，一次下載多組配方。本系統(tǒng)在人機(jī)端利用內(nèi)部存儲器來切換，用戶可以靈活從該畫面調(diào)用經(jīng)驗(yàn)配方、記錄當(dāng)前配方或?qū)懭肷a(chǎn)配方。程序設(shè)計(jì)配方容量500組，每組包括針刺頻率，針刺倍頻，托網(wǎng)板位置，剝網(wǎng)板位置，入料速度。在整線聯(lián)動狀態(tài)，配方內(nèi)容可以續(xù)臺下載，亦可以通過上位機(jī)進(jìn)行，在使用上位機(jī)下載配方時(shí)，由于下載成功后托網(wǎng)板托網(wǎng)板將會自動校位，生產(chǎn)線上各機(jī)臺較為分散，出于安全考慮，設(shè)計(jì)上要求操作人員必須確認(rèn)各機(jī)臺狀況允許才會下載數(shù)據(jù)。
(5)幫助畫面參見圖10。由于人機(jī)界面是直接連接在控制器，故只要設(shè)計(jì)者將控制器信息表達(dá)在人機(jī)界面上，終端用戶將可以了解到設(shè)備的各種運(yùn)行信息，詳細(xì)的向?qū)⒂兄谑褂谜叩木S護(hù)。
本系統(tǒng)在幫助文件上劃分為幾部分：一是電氣部分故障信息，包括PLC的狀態(tài)信息，PLC采樣到的變頻器狀態(tài)信息；二是機(jī)械部分信息，包括機(jī)械位置到位信息，液壓系統(tǒng)信息。所有這些信息用戶將在幫助畫面得到較為完善的處理指引或?yàn)閺S家電話服務(wù)提供有用的信息。
3.3人機(jī)宏程序規(guī)劃與設(shè)計(jì)
參見圖11，因?yàn)槊颗_針刺機(jī)相對而言是獨(dú)立工作的，人機(jī)的工作任務(wù)接受指令并處理、顯示狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，為變頻器和主人機(jī)傳遞數(shù)據(jù)、保存用戶數(shù)據(jù)。DOP系列人機(jī)提供了完善的宏處理指令，程序設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)算術(shù)或邏輯處理，本系統(tǒng)中，總控制人機(jī)和各本地人機(jī)均使用CLOCK宏處理與變頻器的交換信息，收集整線的警報(bào)信息和運(yùn)行信息等。利用人機(jī)宏指令，減少了PLC與人機(jī)的不必要的通訊，更有效的分配了系統(tǒng)資源。
4 PLC程序設(shè)計(jì)概要
按照系統(tǒng)功能完成輸入輸出點(diǎn)規(guī)劃后的工作就是程序設(shè)計(jì)。整條生產(chǎn)來講，基本功能是快速處理速度信息并實(shí)現(xiàn)速度跟隨，根據(jù)目前PLC的性能和已構(gòu)建的硬件框架，可以使用總機(jī)集中分配信息，單機(jī)獨(dú)立處理方式實(shí)現(xiàn)。單臺針刺機(jī)而言，程序主要的工作變量有針刺密度（M針密）、針刺頻率(F針頻)、牽伸比(K)、入料速度(V入)、出料速度(V出料)，托網(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)。保護(hù)變量有針刺次數(shù)(C)、針刺時(shí)間(t)、托網(wǎng)位置上限(TSL)、托網(wǎng)位置下限(TXL)、托網(wǎng)位置上限(BSL)和剝網(wǎng)位置下限(BXL)。為了便于維護(hù)，程序結(jié)構(gòu)上以主程序調(diào)用子程序形式編寫，分為針刺運(yùn)算子程序（P0），托網(wǎng)剝網(wǎng)運(yùn)算子程序（P1），保護(hù)子程序（P2），數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）及動作執(zhí)行子程序（P4）。主程序部分包含程序初始化、子程序調(diào)用和解讀總控制器發(fā)出的指令解讀信息包含當(dāng)前機(jī)臺是本地單機(jī)運(yùn)行還是遠(yuǎn)端控制，接受并發(fā)出本地速度指令還是外部模擬量速度指令，速度信息經(jīng)過本機(jī)臺是否采用還是傳遞到下一機(jī)臺等）。
針刺運(yùn)算子程序（P0）根據(jù)用戶輸入或前級針刺機(jī)輸出的速度變量執(zhí)行運(yùn)算，得出針刺機(jī)需要運(yùn)行的針刺頻率并轉(zhuǎn)換為給變頻器的給定頻率f：
從以上算式可以推算出f與F針頻、M針密、V出、V入、L步進(jìn)量 的關(guān)系
托網(wǎng)剝網(wǎng)運(yùn)算子程序(P1)算法是根據(jù)固定的動程分別與采樣值運(yùn)算，得出托網(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)，T和B與限位值比較后給出判斷結(jié)果并提示。在配方下載模式，子程序P1是將T/B分別與目標(biāo)值比較并自動校準(zhǔn)位置。
保護(hù)子程序（P2）：采樣或統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)信息，對各狀態(tài)作出是停機(jī)或是提示動作。
數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）：收集并歸類本地信息以供人機(jī)快速調(diào)用。
動作執(zhí)行子程序（P4）：輸出處理結(jié)果。
5 結(jié)束語
異構(gòu)自動化平臺在大系統(tǒng)集成工程中的信息整合困難越來越成為現(xiàn)代制造工程的技術(shù)瓶頸。臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的在同一工程的同構(gòu)化集成能力，無論是在企業(yè)建設(shè)階段還是在投產(chǎn)后的長遠(yuǎn)發(fā)展階段，都有顯而易見的技術(shù)優(yōu)勢。伴隨臺達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的豐富與發(fā)展，功能的不斷提高，面對客戶對整體服務(wù)的需求，產(chǎn)品擁有廣闊長遠(yuǎn)的市場拓展空間。
