1 引言
隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展，紡織生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提高，轉(zhuǎn)杯紡紗在紡織工藝過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。紡織企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的可靠性和易操作性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的控制方式是采用開(kāi)環(huán)控制，電機(jī)的運(yùn)行頻率通過(guò)變頻器面板手工設(shè)置，這種方式存在控制精度差，人機(jī)交互性差等一系列問(wèn)題，這就需要開(kāi)發(fā)出更合理的控制系統(tǒng)來(lái)提高機(jī)器的運(yùn)行精度和改善人機(jī)交互性。PLC可編程控制器可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用于對(duì)轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)。
臺(tái)達(dá)目前可為客戶提供PLC控制器、人機(jī)界面、變頻驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控系統(tǒng)等系列自動(dòng)化產(chǎn)品，可以向客戶提供完善可靠的機(jī)電一體化解決方案。本文以臺(tái)達(dá)DVP系列PLC為核心改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)紡紗控制性能的提高。
2 轉(zhuǎn)杯紡紗工藝分析
轉(zhuǎn)杯紡紗以前也稱氣流紡紗，屬于自由端紡紗方法。它是目前各種新型紡紗中較為成熟、并己大量推廣應(yīng)用的一種紡紗新技術(shù)。
自由端紡紗方法與傳統(tǒng)的紡紗方法不同之處在于：在紡紗過(guò)程中輸送的纖維不再是連續(xù) 的而是形成“斷裂”。因此，這就需要供應(yīng)的纖維在很高的速度下產(chǎn)生非常細(xì)的纖維流，并 在輸送纖維的過(guò)程中形成“斷裂”，纖維各自穿過(guò)“斷裂”而凝聚，粘附于紗條的自由端紗 尾加捻成紗。成紗過(guò)程一般包括喂給、開(kāi)松、凝聚、加捻和卷繞。
圖1 轉(zhuǎn)杯紡整機(jī)
圖2 單錠轉(zhuǎn)杯紡紡紗過(guò)程
圖1和圖2分別為轉(zhuǎn)杯紡整機(jī)實(shí)物圖和單錠轉(zhuǎn)杯紡紡紗過(guò)程示意圖
轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的電氣控制系統(tǒng)主要包括四個(gè)方面的控制：
A. 單錠的控制，需要實(shí)現(xiàn)斷紗檢測(cè)和標(biāo)示報(bào)警；
B. 為保證起動(dòng)和停機(jī)時(shí)不斷紗，紡杯速度、引紗電機(jī)與喂棉電機(jī)之間的動(dòng)作必須協(xié)調(diào)同步，同時(shí)要求較高的速度精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；
C. 保證單錠控制與主控的數(shù)據(jù)通訊可靠便捷；
D. 省去機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)紡紗過(guò)程中防疊和防硬邊的電子化；（選配）
3 轉(zhuǎn)杯紡控制系統(tǒng)構(gòu)架
轉(zhuǎn)杯紡設(shè)備中，單錠紡紗器中喂棉羅拉采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；分梳棍和轉(zhuǎn)杯采用變頻驅(qū)動(dòng)，龍帶將動(dòng)力分配各錠；引紗羅拉同樣采用變頻控制，利于引紗張力的同步控制；單節(jié)點(diǎn)控制中，采用臺(tái)達(dá) DVP12SC 型 PLC，單臺(tái)PLC發(fā)送4路脈沖，可獨(dú)立控制4錠紡紗器的4臺(tái)喂棉步進(jìn)電機(jī)；整體構(gòu)架如圖3所示：
圖 3 基于臺(tái)達(dá)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)杯紡系統(tǒng)控制構(gòu)架
在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架圖中,導(dǎo)紗桿的控制分機(jī)械凸輪或電子伺服控制，需根據(jù)客戶設(shè)備而定。機(jī)械凸輪在實(shí)際使用中具有易磨損、調(diào)整不便，設(shè)備成本高等缺點(diǎn)；利用現(xiàn)代伺服控制技術(shù)取代機(jī)械凸輪實(shí)現(xiàn)導(dǎo)紗的防疊和防硬邊成為其發(fā)展趨勢(shì)。
本構(gòu)架基于Devicenet總線控制模式，具有抗干擾能力強(qiáng)、通訊數(shù)據(jù)量大、響應(yīng)性好等特點(diǎn)；同時(shí)我們也提供基于R485 通訊控制模式的轉(zhuǎn)杯紡織控制方案
4、電子防疊紗功能的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)客戶的設(shè)備小巧緊湊的特點(diǎn)，我們給客戶配置了以下產(chǎn)品，
4.1 電子防疊的控制原理
要實(shí)現(xiàn)凸輪運(yùn)動(dòng)的精確控制，就需建立機(jī)械凸輪運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)曲線，通過(guò)對(duì)防疊繞運(yùn)動(dòng)分析， 防紗線疊繞實(shí)際就是改變每層紗線的導(dǎo)紗角不一致，一般認(rèn)為在10層以上就不會(huì)再發(fā)生疊 繞，通俗的講第一層的導(dǎo)紗角和第十一層導(dǎo)紗角相同也不會(huì)發(fā)生疊繞。導(dǎo)紗角的計(jì)算方法如 下圖 4 所示。
圖 4 導(dǎo)紗角示意
導(dǎo)紗角計(jì)算公式如下：
tg(α/2)=h/πD ①
式中：h——紗卷卷繞一周導(dǎo)紗器行程（mm）
D ——紗卷直徑（mm）
h=V×t×1000 ②
式中：V——導(dǎo)紗速度（m/min）
t ——紗卷卷繞一周所需時(shí)間（min）
t= πD/（1000×V1） ③
式中：V1——引紗速度（m/min） 將②、③式代入①式得：
tg(α/2)=V/V1 ④
從式④中可看出，要改變導(dǎo)紗角只需改變引紗速度或?qū)Ъ喫俣，紡紗品種確定后引紗速度是恒定不變的，因此要改變導(dǎo)紗角就必須變化導(dǎo)紗速度。為簡(jiǎn)化控制程序，設(shè)定在每一個(gè) 往返動(dòng)程（為一個(gè)小周期）內(nèi)導(dǎo)紗速度不變，相鄰的5個(gè)小周期導(dǎo)紗速度不相同，導(dǎo)紗速度 在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)紗速度的±10%變化，連續(xù)5個(gè)小周期構(gòu)成一個(gè)大周期，大周期進(jìn)行循環(huán)，就可以達(dá)到防疊繞功能（見(jiàn)圖6）。
防硬邊功能的實(shí)現(xiàn)，機(jī)械凸輪是依靠導(dǎo)程整體軸向移動(dòng)來(lái)改變紗線換向點(diǎn)的位置，以此 來(lái)消除硬邊的形成；電子凸輪實(shí)現(xiàn)方案為：改變小周期內(nèi)動(dòng)程的距離從而改變換向點(diǎn)的位置， 達(dá)到消除硬邊的目的（見(jiàn)圖5）。
圖5導(dǎo)紗桿運(yùn)動(dòng)曲線圖
4.2 電子防疊紗功能的實(shí)現(xiàn)
機(jī)械上需取消原復(fù)雜的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，增加伺服電機(jī)安裝位置，通過(guò)同步帶輪，直接驅(qū)動(dòng)導(dǎo) 紗桿來(lái)回運(yùn)動(dòng)。如圖6所示。
圖 6 導(dǎo)紗伺服電機(jī)的傳動(dòng)
需要考慮的是，導(dǎo)桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，對(duì)機(jī)械的沖擊較大，在伺服選型時(shí)，在滿足功率和 轉(zhuǎn)速情況下，盡量選用低慣量伺服電機(jī)。
在系統(tǒng)控制上，伺服在位置模式下接受主機(jī)PLC脈沖，在帶加減速的脈沖輸出控制指令PLSR下，改變一個(gè)周期來(lái)回行程的最高脈沖頻率設(shè)定值，即可實(shí)現(xiàn)，間隔周期行程內(nèi)的擺桿速度不同，即改變tg(α/2)=V/V1導(dǎo)紗速度 V,在引紗速度V1不變的情況下，導(dǎo)紗角α即改變，從而達(dá)到防疊紗功能。
4.3 電子防硬邊功能的實(shí)現(xiàn)
在人機(jī)中設(shè)定紗錠行程 L="AB" 距離，如圖 7
圖7 差繞長(zhǎng)度和往復(fù)行程的示意
在實(shí)際卷繞中，若一直按照AB往復(fù)運(yùn)動(dòng)，紗線會(huì)在兩邊形成凸起的現(xiàn)象（俗稱電阻效應(yīng)），不利于紗線在下一工藝中退繞。為防止紗錠的電阻效應(yīng)，需要擺桿換向點(diǎn)每層不同。換向區(qū)寬度設(shè)計(jì)時(shí)，筒紗上如換向區(qū)過(guò)寬，不僅容易形成硬邊，而且易造成端面掛紗，導(dǎo)致壞筒紗。換向區(qū)一般占導(dǎo)程的8%，在換向區(qū)內(nèi)導(dǎo)紗速度從正常速度降至零，假設(shè)換向區(qū)內(nèi)按勻減速運(yùn)動(dòng)，那么在換向區(qū)內(nèi)同樣導(dǎo)紗距離，所用時(shí)間是正常的兩倍。當(dāng)導(dǎo)紗速度為250m/min 、導(dǎo)紗角 36°、導(dǎo)紗動(dòng)程 150mm 時(shí)，換向時(shí)間 t 計(jì)算如下：
導(dǎo)紗速度：V= V1×tg(α/2)=250 ×tg18°=81 m/min；
換向區(qū)長(zhǎng)度：n=150×8%×2=24mm ；
換向時(shí)間：t=2×n/V=2 ×24/1.35=35.6ms
實(shí)際擺桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)際是：行程為 A 點(diǎn)至D 點(diǎn)，D 點(diǎn)至C點(diǎn)，C點(diǎn)至B點(diǎn)，再由B點(diǎn)至A點(diǎn)依序循環(huán)。這就是說(shuō)，擺桿伺服每個(gè)周期的脈沖總數(shù)是不同的，五個(gè)周期性循環(huán)一次，每個(gè)周期擺桿行程變化 l= n×20%=150×8%×20%×2=4.8mm.。
圖8 電子防疊功能的轉(zhuǎn)杯紡導(dǎo)桿伺服安裝結(jié)構(gòu)
5、轉(zhuǎn)杯紡動(dòng)作過(guò)程
1、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)——人機(jī)界面提供各個(gè)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行、停止功能并顯示各電機(jī)狀態(tài)。
2、整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)——PLC 按要求依次啟動(dòng)或停止各電機(jī)并在人機(jī)界面顯示主機(jī)狀態(tài)，其中輸送帶電機(jī)為單獨(dú)動(dòng)作。啟動(dòng)或停止的各個(gè)步驟之間均有延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間要求可以在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定。
1）、整機(jī)啟動(dòng)——PLC 按要求依次啟動(dòng)各個(gè)電機(jī)，使設(shè)備進(jìn)入紡紗狀態(tài)。動(dòng)作順序如下： 點(diǎn)擊整機(jī)啟動(dòng)按鈕→左轉(zhuǎn)杯電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→右轉(zhuǎn)杯電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→工藝風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→左分梳電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→ 右分梳電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→引紗電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)→排雜輸送帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；
2）、整機(jī)停止——PLC 按要求依次停止各個(gè)電機(jī)。動(dòng)作順序如下：
點(diǎn)擊整機(jī)停止按鈕→所有步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)→引紗電機(jī)停止→其他電機(jī)停止。
6、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)采用以上控制方案，較好的解決了傳統(tǒng)單片機(jī)控制中可靠性和操作便利性不足的問(wèn)題，同時(shí)本文探討了轉(zhuǎn)杯紡最新控制技術(shù)及基于臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。應(yīng)用臺(tái)達(dá)完成的機(jī)電控制產(chǎn)品鏈，可提供可靠的轉(zhuǎn)杯紡控制方案，同時(shí)為客戶提供定制的程序服務(wù)，完成客戶對(duì)轉(zhuǎn)杯紡設(shè)備的特殊控制要求。運(yùn)行實(shí)踐證明：本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高，得到最終客戶的認(rèn)可和稱許。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 孫衛(wèi)國(guó).紡紗技術(shù) .北京：中國(guó)紡織出版社.2005
[2] 臺(tái)達(dá) DVP 系列 PLC 編程手冊(cè).上海：中達(dá)電通股份有限公司.2007
[3] 臺(tái)達(dá) VFD B-P 變頻器使用手冊(cè).上海：中達(dá)電通股份有限公司.2008