1 引言
随着市场对成纱质量要求的不断提高,纺织厂对纺机设备的要求也越来越高,对并条机的要求就是加装短片段自调匀整装置。但一般低档的并条机(如图1所示为FA302并条机)的并合作用,对长片段重量偏移和短片段周期性重量波动是无法解决的,而且并条机对棉条产生牵伸不匀。同时,随着国内外并条机自调匀整技术的不断发展,带自调匀整并条机的生产效率已凸显出来,这势必造成FA302并条机仍然想要生产出比较高质量的棉纺产品就必须进行必要的改造。因此研究适合于这些低档并条机使用的并条机自调匀整控制系统就很有必要。
针对FA302并条机的机械结构特点,设计出了一种比较适合FA302现状的自调匀整控制器的机械结构平台。通过台达 PLC、伺服电机、触摸屏和自行研制的棉条检测传感器[1]实现了并条机开环自调匀整控制的设计,利用伺服电机位置控制精度高的特点,提出棉条从传感器检测点到变速点的定位匀整新控制方法,并与棉条定长检测、罗拉速度检测等相结合,设计出相应的匀整控制系统。系统通过匀整功能实验测试,已被纺织公司调试推广使用,运行稳定。
2 并条机的自调匀整控制系统方案设计
2.1 并条机自调匀整基本原理
并条机自调匀整是属于自动控制的一种形式,它能根据喂入或输出棉条重量的偏差(与额定值的差值),通过改变喂入罗拉或输出罗拉的速度的办法,相应地调节牵伸装置的牵伸倍数,使纺出棉条的重量,保持一个稳定的符合要求的数值,其经典的自调理论非常简单,一般都是根据喂入的棉条的线密度与额定值(额定值可根据输出的设定值和输入和输出的额定牵伸倍数确定)的差异调节机器的牵伸倍数,使输出的棉条的线密度保持在设定值附近[2]。
2.2 并条机自调匀整形式的选择
自调匀整装置有开环、闭环及混合环等形式[3][4]。闭环控制存在检测点到匀整点的一段匀整死区[4],理论上只能匀整较长片段的不匀;而开环控制,针对性较强,只要棉条厚度测量准确、检测点到匀整点的延时把握得当,牵伸倍数合适,可以取得良好的匀整效果,这一点己在实践中得到证实。目前国际先进的自调匀整技术大都确定为开环形式,瑞士立达和德国特吕茨勒公司最新产品也采用开环控制。另外,棉条喂入口比输出口的有速度低和棉条粗得多的特点,这就使在棉条喂入口进行棉条厚度检测可以得到高精度的保证,这就有利于开环控制形式的实现。因此,要保证控制的高效性就必须采用开环形式的自调匀整形式。
2.3 单眼自调匀整控制系统设计
系统结构如图2所示,其工作原理为:通过触摸屏对系统进行参数设定和发出开机指令,主电机拖动第一、二、三罗拉保持设定的恒定速度运转。而匀整1罗拉与第三罗拉速度始终保持一致,PLC系统会从喂入检测部分采集棉条厚度数据,经过一定算法处理后又通过对伺服电机速度的控制进行改变匀整2罗拉的速度,以完成对匀整1、2罗拉之间牵伸比的调节,并最终实现自调匀整的功能。由于控制方式是先检测后匀整,因此准确地说,本系统采用的控制方式为带补偿性的开环控制。另外,在输出部分增加一个棉条检测传感器,它不参与控制,只是对输出棉条质量进行监测,结果显示在触摸屏上。当输出棉条出现明显异常时,PLC系统也会根据棉条质量监测的结果进行一些必要的改进措施。
3 并条机自调匀整控制系统硬件设计
3.1 台达机电产品优势
中达电通公司将母公司台达电子集团的变频器、PLC、伺服等产品以及中达电通的整体解决方案推广到国内各个领域。中达电通公司设计和生产的提升国内中小企业自动化信息技术发展的机电产品,在国内品牌中具有很高的性价比,其中台达DVP系列可编程控制器以高速、稳健、高可靠度应用于许多工业自动化机械上;除了具有快速执行逻辑运算、丰富指令集、多元扩展功能卡及高性价比等特色外,并且支持多种通讯规范,使工业自动控制系统联成一个整体;台达ASDA交流伺服系统全系列产品的控制回路均采用高速数字信号处理器(DSP),配合增益自动调整、指令平滑功能的设计以及软件分析与监控,可达到高速位移、精准定位等运动控制需求。
3.2 系统硬件设计
依据上文的设计方案,应用中达电通公司台达品牌机电产品设计的并条机自调匀整控制硬件设计系统如图3所示。
匀整控制的中央处理单元使用台达DVP ES系列型号为DVP24ES00T的PLC,具有16个输人点及8个输出点,该PLC主机自带两个串行通讯口,一个为RS485通讯口,另一个为RS232通讯口。之所以选择DVP ES系列的PLC是因为在原有的成本基础上,提供高厂商产品的附加价值,ES PLC具有的双通讯口,可以运用通讯的方式,简化系统程序以及配线,完成系统整合与控制;PLC对伺服的控制是以通讯的方式完成,而不是由传统的PLC发送脉冲的形式来控制伺服;以通讯的方式对伺服位置、转速等参数进行设定与控制,具有精确度高、成本低的特点[5]。模拟量输入扩展子模块选择台达DVP20EX00R型号,作用是从棉条检测传感器采集喂入棉条的瞬时厚度,伺服控制系统使用台达ASDA系列产品, 通过RS485接口与主控单元DVP24ES00T联接,编码器用来检测匀整1罗拉的转速。人机界面使用选配DOP-A57CSTD型256色触摸屏,该型号触摸键丰富多样,功能设置齐全[6],通过RS232接口与DVP24ES00T联接链接。工作时PLC通过DVP20EX00R读取棉条检测传感器的棉条厚度,对编码器信号的处理计算出匀整1罗拉的速度,依据匀整控制关系式,就可计算出匀整2罗拉的转速,再通过伺服控制器控制伺服电机,以达到对匀整2罗拉的控制。
4 并条机自调匀整控制系统软件设计
并条机自调匀整控制系统的软件由主程序、各功能模块子程序。主程序主要用于将触摸屏上所设参数读入,检查控制设备是否处于初始工作状态、实时故障检测与处理、各功能模块子程序启动等。匀整控制程序是软件中最重要的部分,当系统具备自动初始条件后,按下启动按钮,即可实现整个并条机自调匀整过程的自动化生产。使用台达PLC编程软件WPL2.11完成系统梯形图控制程序的设计。
4.1 主程序流程设计
主程序流程图如图4所示:首先完成系统的初始化,读取触摸屏设置的自调匀整参数,启动匀整1罗拉的速度跟踪程序,检查系统的各种故障报警并做相应的故障处理,然后进入自调匀整功能程序控制,以中断控制的方式执行棉条定长检测、延时距离等待、定长匀整、产量统计等不同功能的子模块。
4.2 定长检测匀整模块设计
定长检测匀整模块是整个软件设计的关键环节,总体方法:利用高速脉冲中断实现对喂入棉条的定长检测,然后把检测的棉条厚度存入预先设计的棉条厚度表中,直到第一个采样点到达变速点时,从表中取出第一个棉条厚度,经过匀整算法算出匀整2罗拉新转速对应的脉冲周期,并用此周期的脉冲控制伺服电机转速,改变匀整2罗拉的转速,以实现牵伸比的调节,最终达到匀整目的。
由于每个采样点到变速点的距离是相等的,因此等第一个采样点到达变速点之后,棉条旧采样点的匀整与新采样点的检测都在中断到后执行。即在定长检测的同时,也进行的是定长匀整。
4.3 故障检测与处理模块设计
完善的故障检测及保护功能是自调匀整控制系统必不可少的环节,依据控制工艺特点主要设计了以下故障检测:
1) 伺服电机故障检测:实时检测伺服驱动器的运行状态,对其进行过流、过压、过载等保护,报警信号由驱动器产生,通过中间继电器将信号送给PLC进行报警。
2) FA302交流主电机故障检测:将中间继电器的输入连接到并条机主电机交流接触器的辅助常闭接点,中间继电器的输出接到PLC输入点,当正常启动的情况,交流接触器不动作就会产生一个故障报警送给PLC。
3) 并条故障检测:主要对并条机工艺过程中的断条、堵棉、缠棉等故障进行了监控。
4) 棉条厚度超出范围检测:检测到棉条厚度时,首先要进行判断是否超出了±25%的匀整范围(加减2根棉条),如果超出就直接报警并自动停机。
以上故障报警都是非常紧迫的,系统检测到故障后会立即做停机处理。
4.4 触摸屏界面设计
触摸屏界面主要设计了主界面、参数设定、匀整控制、报警显示、数据监测、历史报表生成、以及操作说明查询等分菜单界面,登录界面要求登录前输入密码;主操作界面进行参数设置、匀整控制、报警显示等子界面的切换操作;参数设定操作界面利用触摸键丰富而灵活多样的功能设置,对设备各部件直接进行设定,如匀整棉条厚度标准值、罗拉初始速度、牵伸倍数等;数据监测和报警显示界面对设备的运行参数及故障状况进行实时显示,通过历史曲线,可以看到棉条厚度的变化趋势,以及相应罗拉转速变化,可以更直观地观测到匀整系统的工作过程。利用台达screenEditor编程软件设计的并条机自调匀整系统的人机界面系统,其中主操作界面如图5所示。
5 结束语
根据对FA302型并条机问题分析,结合国内外自调匀整技术发展前沿,以台达PLC、触摸屏、伺服控制器为核心设计的并条机自调匀整控制系统,经过生产实际运行证明,整个系统性能稳定,操作方便,监控功能完善,自动化水平和生产效率显著提高,达到了国内先进水平,对国内纺织行业旧型并条机改造方面具有很大的应用意义和推广价值。
参考文献:
[1] 陈荣军,程良伦.一种新型实用棉条检测传感器[J].仪表技术与传感器,2008,(6):7-8,23.
[2] 姚杰,叶国铭.并条机自调匀整装置的发展及研究现状[J].现代纺织技术,2005,(1):24-26.
[3] 姚远,闫健.一种新型并条机在线检测系统[J].纺织科技进展,2007,(6):32-32,41.
[4] 姚杰,叶国铭.并条机智能型自调匀整装置的研究与开发[J].上海纺织科技,2004,(6):21-22.
[5] 李锦城,李冲.中达电通在塑料封切机上成功的系统集成案例[J].国内外机电一体化技术2005,(4):67-70.
[6] 徐宏海,陶广军,张财政.台达PLC与触摸屏在分子筛灌装机控制系统中的应用[J].制造业自动化,2010,(7):142-144.
作者简介:陈荣军(1978-),男,讲师,硕士,研究方向:网络与信息控制、嵌入式技术、物联网技术等。