網絡化恒定張力控制及狀態監測系統

【摘要】針對紡織企業傳統設備缺乏紗線張力恒定自動測控系統以及斷紗、停機等運行狀態網絡化在線監測問題。采用閉環實現恒張力控制，對設備進行技術改造，紗線張力自動控制裝置結構簡單，機電一體化集成度高，將張力測試、控制器以及張力調節機構集于一體。設備信息基于以太網聯接，管理者和車間員工都能通過上位機軟件適時查看設備運行狀態，可提高紡紗設備的自動化、信息化水平，促進企業的管理水平及生產效率。

【關鍵詞】恒定張力；狀態監測；網絡化管理

1.引言

紡紗設備的特點是數量多，廣而散，分布于不同的車間，控制與管理復雜。目前對于紡機設備的研究主要致力于生產自動化和管理自動化。當前生產自動化的難點是紗線張力檢測和控制技術的研究，主要集中在提高測試系統的精度，性能，使用方便性及環境適應上。管理自動化主要體現在設備運行狀態的自動檢測，管理者和車間員工都能通過上位機軟件適時查看設備運行狀態，因此集自動控制和智能化管理于一體的紡機測控系統是當前紡機設備的發展方向。

2.系統總體結構

紡紗設備群運行狀態測控系統總體結構如圖1所示。每個紡紗錠都是一個單獨的張力測控閉環系統，每臺紡紗設備的張力測控系統都與一臺嵌入式ARM單片機進行多機串行通信。每個閉環系統根據單片機上位機設定的張力值進行恒定張力獨立自動控制，并能根據張力的極限值進行斷紗、卡紗報警；每臺設備的上位機能隨時采集設備運行狀態信息，每個操作工人可以通過一臺PC上位機看管多臺設備。每個車間的設備群運行狀態經數據組包、協議轉換等處理后由路由器聯接企業內部以太網絡上傳服務器。數據統計分析和報表生成可以再在服務器內由上位機軟件完成。企業管理人員通過企業內部網或互聯網查詢各設備實時運行狀態和統計結果。

3.單錠繞紗的張力測控系統

紗線張力閉環控制如圖2所示，張力檢測裝置包含張力傳感器以及放大電路，將張力的實測結果反饋給單片機，在單片機內部進行A/D轉換，控制器通過設定值與實測值的比較，產生不同的信號對張力調節機構進行控制來保證紗線張力的恒定。控制系統包括：目標張力的設定、張力的檢測及處理、模糊PID控制器、張力調節機構[1]。

3.1 張力檢測裝置

張力檢測系統采用三輥式的張力測量結構，1個測量輥，2個輔助輥，被測紗線繞于三個輥上。張力傳感器作為中間的測量輥，兩個光滑的導絲輪作為輔助輥。3根輥將紗線張力轉換成對中間測量輥的壓力。中間的張力傳感器對張力的測量是由貼在雙孔梁上下表面的4個電阻應變片來完成，壓力被傳遞到雙孔梁上，雙孔梁相應地產生與張力成比例的應變，該應變即轉換為電阻變化，然后通過電橋電路將電阻的變化轉換成電量，然后傳輸給后續的信號處理裝置，通過對信號進行分析就可以獲取紗線張力及其變化信息。

3.2 參數自整定PID控制

常規的PID控制器是根據被控過程對象設定固定的參數，不能滿足時變性很強的紗線張力控制系統。常規PID控制器參數值設置不理想時，對于系統參數隨著時間不斷變化的紗線張力控制系統，可能會造成系統的不穩定，故該系統采用參數自整定PID控制器，即通過模糊推理實現PID參數的實時調整[2，3]，如圖3所示。

參數自整定的模糊PID是在傳統PID算法的基礎上，通過計算當前系統紗線張力偏差e和偏差變化率ec，對該精確量進行模糊化作為模糊推理系統的輸入，根據其相應的隸屬度函數來確定這些輸入所歸屬于的恰當的模糊集合，利用模糊控制規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數調整。

3.3 張力調節結構

紗線張力的調節機構主要是由直流力矩電機、齒輪、擺動臂和導絲器組成，當紗線張力變化時，控制器輸出相應的PWM信號驅動直流力矩電機。直流電機通過齒輪施加給擺動臂轉軸的阻力矩則做相應大小的變化，由此帶來擺動臂的擺動，擺動臂上的導絲器會改變紗線的彎曲程度，進而保證紗線輸出張力的恒定。

4.集成化的測控系統

集成化的張力自動測控系統包括了擺動臂、控制器、張力檢測鉤，將張力檢測器、控制器以及張力執行機構集成于一體，環境適應能力強。張力檢測鉤和直流力矩電機之間用控制器電路連接，并控制直流力矩電機轉軸的轉動角度；紗線穿行在幾個固定導絲器和擺動臂上的活動導絲器之間，當張力檢測鉤檢測到紗線張力過大時，會控制直流力矩電機轉軸即時轉過一定角度，通過齒輪傳動使擺動臂回轉一個角度，固定在擺動臂上的活動導絲器會讓在其中穿過的紗線彎曲程度減小，紗線的卷繞張力隨之減小；反之，擺臂向外轉動，拉長紗線，彎曲度增加，張力隨之加大。

5.總結

本紗線張力恒定自動測控系統結構簡單，用于了絡筒機的改造，采用每錠單獨閉環控制每個閉環系統通過單片機上位機與PC機相連，應該表明，該系統不僅能進行恒定張力控制，紡織工人還可以通過PC機顯示狀態精確定位，操作多臺位于車間不同位置的設備群，通過網絡化的在線監測技術，企業管理者可以查看紡織設備斷紗次數、斷紗時間、停機時問、停機次數、運轉率等運行狀態統計結果，監督與管理企業生產狀況、設備運行狀況、員工工作自律性與效率、紗線質量等進行。實際應用表明，網絡化紡機設備群的恒定張力控制及狀態監測系統可提高紡織行業的自動化、信息化水平，促進企業的管理水平及生產效率，降低企業的勞動成本，改善工作環境，加強了生產過程的監控。

參考文獻

[1]何勇，楊延竹，王寧.一種新型的紡紗張力自動控制系統的設計[J].東華大學學報，2008（4）：219-223.

[2]姜春光，董林璽，基于FPGA的模糊PID控制紗線張力的應用研究[J].機電工程，2012（3）：322-325.

[3]趙永娟，孫華東.基于Matlab的模糊PID控制器的設計和仿真[J].微計算機信息，2009，25（1）：48-49.

[4]席愛民.模糊控制技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

作者簡介：盧雪萍（1976—），女，湖北應城人，碩士，講師，現供職于紹興文理學院工學院，主要研究方向：電子設計自動化，工業控制系統設計。