張良模，楊 濤，張有信

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室:天津 300387)

0 引言

目前，寬幅織機(jī)主要用于織造工業(yè)用網(wǎng)，國外高檔無梭織機(jī)的控制系統(tǒng)多采用基于現(xiàn)場總線的通訊技術(shù)，如日本豐田公司的JAT700型織機(jī)；而瑞士TEXO公司的TMR系列織機(jī)采用的是基于PC和PLC相結(jié)合的控制系統(tǒng)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)控制算法控制織網(wǎng)張力。國內(nèi)現(xiàn)有織機(jī)多采用基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性較差，織機(jī)的工作效率和自動化程度不高。近年來，石家莊紡織機(jī)械和由甲紡織機(jī)械等公司制造的織機(jī)采用基于PLC的計算機(jī)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)自由設(shè)定織機(jī)各種參數(shù)等功能[1-4]。筆者基于OMRON CS1系列大型PLC設(shè)計了一種分布式控制系統(tǒng)，旨在提高寬幅織機(jī)的自動化、智能化程度和織網(wǎng)的質(zhì)量。

1 寬幅織機(jī)的工藝原理和結(jié)構(gòu)特點

聚酯網(wǎng)的廣泛應(yīng)用得益于其優(yōu)越的性能和多樣化的規(guī)格，根據(jù)織造工藝和不同規(guī)格的要求，將一定數(shù)量的聚酯經(jīng)紗穿過綜框上的片綜，通過開口機(jī)構(gòu)規(guī)律的運動使其與聚酯緯紗交織，在織造過程中，控制送經(jīng)軸和卷布輥的轉(zhuǎn)速，使聚酯網(wǎng)在設(shè)定的張力下收卷設(shè)定的長度[5]。

圖1是寬幅織機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，其5大運動機(jī)構(gòu)包括送經(jīng)機(jī)構(gòu)、開口機(jī)構(gòu)、引緯機(jī)構(gòu)、打緯機(jī)構(gòu)和卷取機(jī)構(gòu)。與普通織機(jī)的不同點主要體現(xiàn)在：① 其幅寬一般為7 m～18 m；② 現(xiàn)有織機(jī)大都采用雙經(jīng)軸送經(jīng)且送經(jīng)扭矩大，通過伺服電機(jī)和減速機(jī)實現(xiàn)送經(jīng)；③ 通過液壓三輥裝置夾緊聚酯網(wǎng)，通過伺服電機(jī)帶動減速機(jī)實現(xiàn)收卷。

1—卷網(wǎng)輥；2—收卷電機(jī)；3—液壓三輥；4—張力傳感器2；5—引緯機(jī)構(gòu)；6—開口機(jī)構(gòu)；7—張力傳感器1；8—送經(jīng)電機(jī)；9—打緯機(jī)構(gòu)；10—主軸編碼器。圖1 寬幅織機(jī)結(jié)構(gòu)示意

在研究現(xiàn)有織機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合寬幅織機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，分析得出其控制難點主要在：

a) 織機(jī)的監(jiān)測和控制硬件種類復(fù)雜(包括多種傳感器、氣閥、油閥、電機(jī)等)，且復(fù)雜的配線也增加了電氣系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計難度；

b) 織機(jī)工作過程中5大運動精確配合，且能夠?qū)棛C(jī)的工作情況進(jìn)行實時監(jiān)測和反饋；

c) 開口機(jī)構(gòu)中的多片綜框通過規(guī)律運動，完成目標(biāo)網(wǎng)紋的編織，須對開口機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小其對織造過程中經(jīng)紗動態(tài)張力的影響；

d) 提出新的織網(wǎng)張力控制方式的算法并進(jìn)行驗證，以提高織網(wǎng)張力的穩(wěn)定性。

2 分布式控制系統(tǒng)

筆者采用分布式控制方式對織機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，把電磁閥、傳感器等控制元件直接與PLC的輸入輸出連接，簡化了電路設(shè)計，降低了對維修人員專業(yè)技能的要求，使其能夠快速解決織機(jī)工作過程中出現(xiàn)的故障。

2.1 電氣系統(tǒng)控制方案

織機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中，有大量傳感器對織機(jī)運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；同時，在織機(jī)的運動過程中有多個元器件協(xié)調(diào)動作，需要PLC在織機(jī)工作過程中實時傳輸和處理各種數(shù)字量和模擬量信號。因此，采用具有高性能處理器的PLC作為控制系統(tǒng)的核心。

圖2是織機(jī)電氣系統(tǒng)的控制方案，電氣系統(tǒng)的設(shè)計分為操作監(jiān)控層、控制層、傳輸層和運動層。

圖2 電氣系統(tǒng)控制方案

2.1.1操作監(jiān)控層

生產(chǎn)控制過程中，采用人機(jī)界面(HIM)實現(xiàn)參數(shù)的實時設(shè)置和顯示等功能；通過按鈕操作平臺對織機(jī)的部分動作進(jìn)行控制，把傳感器的檢測結(jié)果和張力信號的處理結(jié)果實時反饋到PLC，從而實現(xiàn)織機(jī)的動態(tài)監(jiān)控。

2.1.2控制層

采用OMRON公司CS1G系列高性能的CPU作為核心處理器和CS1W系列的外圍輸入輸出模塊、電機(jī)位置控制模塊完成控制系統(tǒng)的硬件搭建，通過相應(yīng)軟件的編程完成織機(jī)動作的邏輯控制和對織網(wǎng)張力的控制。

2.1.3傳輸層

通過PLC內(nèi)部程序設(shè)計，把動作控制信號傳輸給相應(yīng)的元件(驅(qū)動器、電磁閥等)，信號接收元件通過液壓、氣動裝置等機(jī)械結(jié)構(gòu)完成相應(yīng)動作。

2.1.4運動層

經(jīng)過傳輸層中各種動力的傳動，實現(xiàn)織機(jī)的5大運動和部分輔助運動。

2.2 控制系統(tǒng)硬件選型

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要采用OMRON公司的產(chǎn)品，選用大型CS1系列模塊化的PLC，可根據(jù)用戶控制需求選擇不同的控制模塊，控制系統(tǒng)的硬件選型如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

模塊型號作用CPU模塊CS1G-CPU45H控制核心通訊模塊CS1W-SCB41人機(jī)界面通訊輸入模塊CS1W-ID211傳感器輸入輸出模塊CS1W-OD212數(shù)字量輸出模擬量模塊CS1W-AD041張力采集HIMNS5-SQ10B運行監(jiān)控位置模塊CS1W-NC413送經(jīng)、卷取和開口控制

2.3 設(shè)計控制系統(tǒng)程序

在完成控制硬件搭建的基礎(chǔ)上設(shè)計控制程序，使用CX-Programmer編程軟件完成PLC程序的編寫。圖3是電氣系統(tǒng)程序設(shè)計框架，作為整個控制系統(tǒng)的核心，程序設(shè)計目的是使各模塊對應(yīng)的機(jī)構(gòu)完成織網(wǎng)的相應(yīng)動作。

圖3 電氣系統(tǒng)程序設(shè)計框架

根據(jù)織機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和工作過程，將控制系統(tǒng)程序的設(shè)計分為6個部分，分別是：

a) 人機(jī)界面(HIM)和PLC之間的連接通訊設(shè)置，使用CX-Designer軟件對人機(jī)界面(HIM)進(jìn)行程序編寫，完成參數(shù)修改、故障報警、故障解除及運行顯示等功能，將這些功能和PLC程序進(jìn)行通訊設(shè)置，在織機(jī)工作的過程中做到和PLC運行程序同步顯示；

b) 織機(jī)主軸上安裝有單圈絕對值型編碼器，主軸的位置數(shù)據(jù)通過傳感器傳送到PLC程序的高速計數(shù)器模塊，再通過程序中相應(yīng)指令處理，將其信號作為織機(jī)開口運動、送經(jīng)/卷取運動等動作的一個重要基準(zhǔn)信號；

c) 采集織機(jī)工作過程中一般傳感器信號，實現(xiàn)織機(jī)的邏輯動作控制和運行監(jiān)測；

d) 采集張力傳感器信號，將張力信號作為檢測織網(wǎng)張力的主要信號，通過張力傳感器檢測織網(wǎng)張力，將經(jīng)過放大器放大的張力信號輸入到PLC的A/D模塊，對檢測張力值和設(shè)定張力值比較并進(jìn)行智能PID算法處理后輸出控制穩(wěn)定織網(wǎng)張力；

e) 綜合考慮緯密、收卷軸直徑、經(jīng)軸直徑等參數(shù)，以計算送經(jīng)量和卷取量；

f) 送經(jīng)/卷取和多臂開口機(jī)構(gòu)使用伺服電機(jī)，在使用之前要對其驅(qū)動器的基本參數(shù)、數(shù)據(jù)通訊等進(jìn)行設(shè)置。

3 多臂開口機(jī)構(gòu)的控制

現(xiàn)代織機(jī)多采用電子式獨立控制多臂開口機(jī)構(gòu)，在獨立控制的基礎(chǔ)上，還要和織機(jī)其它4大運動協(xié)調(diào)配合。圖4是多臂機(jī)構(gòu)工作原理圖，伺服電機(jī)把旋轉(zhuǎn)運動通過機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動最終轉(zhuǎn)化為綜框的上下運動，使多片綜框的上下運動形成梭口[6]。

1—伺服電機(jī)；2—連桿機(jī)構(gòu)；3—下檢測傳感器；4—綜框；5—上檢測傳感器。圖4 多臂機(jī)構(gòu)工作原理

在實際生產(chǎn)過程中，通過控制每片綜框的運動以滿足織造各種不同規(guī)格聚酯網(wǎng)的生產(chǎn)需求，寬幅織機(jī)綜框傳動機(jī)構(gòu)采用剛性連接。因為運動不穩(wěn)定會造成磨損加劇[7]，所以在織機(jī)工作的過程中如何對每片綜框的運動規(guī)律進(jìn)行單獨控制，并使綜框快速、穩(wěn)定地開口，是開口機(jī)構(gòu)的控制難點。為此，筆者設(shè)計了開口機(jī)構(gòu)的控制方案，如圖5所示。

3.1 通過人機(jī)界面(HIM)和CPU通訊，實現(xiàn)對綜框運行的實時監(jiān)測；在織造不同規(guī)格的聚酯網(wǎng)時，CPU通過調(diào)用相應(yīng)規(guī)格的網(wǎng)紋，完成對綜框運動規(guī)律的控制。

圖5 多臂機(jī)構(gòu)控制方案

3.2 伺服電機(jī)作為綜框運動的動力來源，需要在短時間內(nèi)高速啟、停，對電機(jī)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性要求很高，所以采用德國AMK公司的高性能伺服電機(jī)；電機(jī)運行之前對驅(qū)動器的電子齒輪比、位置環(huán)增益等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置。

3.3 PLC的NC位置控制模塊通過驅(qū)動器實現(xiàn)對電機(jī)的控制，使用傳感器監(jiān)控綜框的運動情況，將傳感器的信號通過輸入模塊傳輸?shù)絇LC內(nèi)部，最后把監(jiān)控狀態(tài)清晰地展現(xiàn)在人機(jī)界面(HIM)上。

通過現(xiàn)場對多臂開口機(jī)構(gòu)控制程序進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果證實該開口機(jī)構(gòu)可以與其它5大運動協(xié)調(diào)配合；且在織機(jī)正常運行過程中，開口機(jī)構(gòu)運行穩(wěn)定、振動和噪聲小。

4 送經(jīng)/卷取機(jī)構(gòu)的控制

送經(jīng)/卷取機(jī)構(gòu)作為織機(jī)的5大運動機(jī)構(gòu)之一，在織機(jī)工作過程中可使經(jīng)軸均勻的送出經(jīng)紗，并使經(jīng)紗按照一定的排列規(guī)則和不同規(guī)格的緯紗進(jìn)行編織，卷布輥根據(jù)送出的經(jīng)紗量和設(shè)定張力值均勻的將聚酯網(wǎng)收卷。

在織機(jī)運行的過程中，送經(jīng)/卷取機(jī)構(gòu)的送經(jīng)量和卷取量的差值是織網(wǎng)張力的主要來源，后梁擺動輥、開口機(jī)構(gòu)的運動等是影響張力波動的主要因素，送經(jīng)和卷取機(jī)構(gòu)在織機(jī)運行過程中應(yīng)密切配合。圖6是以高性能CPU、A/D模塊和伺服電機(jī)位置控制模塊為基礎(chǔ)，通過人機(jī)界面(HIM)設(shè)置和監(jiān)控車速、緯密等相關(guān)參數(shù)。

圖6 送經(jīng)/卷取機(jī)構(gòu)控制方案

建立送經(jīng)和卷取的閉環(huán)控制系統(tǒng)，送經(jīng)和卷取的時間以主軸編碼器采集的信號作為基準(zhǔn)，實現(xiàn)對織網(wǎng)張力的動態(tài)控制[8-10]。卷取閉環(huán)控制：① 根據(jù)緯密、胸梁張力傳感器反饋值和卷布輥收卷直徑等參數(shù)共同計算收卷量；② 通過PLC的位置控制模塊將收卷量的相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送到收卷電機(jī)；③ 收卷電機(jī)通過減速機(jī)帶動卷布輥運動。送經(jīng)閉環(huán)控制：① 綜合經(jīng)紗的織縮率、經(jīng)軸張力傳感器反饋值和經(jīng)軸直徑等參數(shù)共同計算送經(jīng)量；② 通過PLC的位置控制模塊將送經(jīng)量的相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送給送經(jīng)電機(jī)；③ 送經(jīng)電機(jī)通過減速機(jī)帶動經(jīng)軸運動。

5 結(jié)語

針對老式寬幅織機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)難點，筆者設(shè)計出寬幅織機(jī)分布式電氣控制系統(tǒng)；通過送經(jīng)/卷取機(jī)構(gòu)的兩個閉環(huán)控制，保證了織造過程中織網(wǎng)張力的恒定，解決了織機(jī)檢修維護(hù)不方便的問題，提高了織機(jī)的工作穩(wěn)定性和聚酯網(wǎng)的生產(chǎn)質(zhì)量；同時優(yōu)化了織機(jī)的操作系統(tǒng)，提高了織機(jī)的自動化和智能化水平，對寬幅織機(jī)的技術(shù)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。