卷染機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

姜 磊

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000)

卷染機(jī)械中的線速度控制和張力控制是印染行業(yè)的重要環(huán)節(jié)，其控制系統(tǒng)的性能直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由于影響卷染機(jī)運(yùn)行的因素較多，如織物的張力、收放卷張力及線速度等，所以很難準(zhǔn)確建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［1］，對(duì)線速度和張力控制系統(tǒng)的改造一直是企業(yè)技術(shù)革新的難題。為提高卷染機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，降低設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本，本文提出運(yùn)用PLC與變頻器相結(jié)合的控制及運(yùn)用張力控制模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足負(fù)荷實(shí)時(shí)變化的要求，避免資源浪費(fèi)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1.1 卷染機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的恒張力和恒線速度系統(tǒng)的控制效果不佳，執(zhí)行機(jī)構(gòu)大都采用直流電動(dòng)機(jī)控制，少數(shù)采用液壓控制，這些控制方式只是一種近似控制，存在較大的誤差。在具有高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕的染整環(huán)境中，直流調(diào)速系統(tǒng)性能明顯下降;液壓控制系統(tǒng)(一般為進(jìn)口設(shè)備)也因價(jià)格昂貴［2］，維護(hù)工作量大而應(yīng)用受限。隨著交流變頻技術(shù)及PLC技術(shù)的日益成熟，現(xiàn)在的張力控制系統(tǒng)多以其聯(lián)合控制方式出現(xiàn)［3］。

通過(guò)對(duì)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出卷染機(jī)控制系統(tǒng)的幾種控制方式:

1)PLC和變頻器的恒張力控制［4］。此控制方式能有效地進(jìn)行卷取機(jī)構(gòu)的恒張力控制，但控制器具有較大局限性，需要采用專門(mén)的張力變頻器，且控制策略較為復(fù)雜，對(duì)于大型的生產(chǎn)加工企業(yè)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的改造升級(jí)較為困難。

2)PLC、伺服放大器及糾偏傳感器的聯(lián)合控制［5］。此控制方式具有較高的精度，但系統(tǒng)的成本較大，對(duì)中小型企而言，技術(shù)改造成本及效益是首要因素，此系統(tǒng)控制對(duì)象較為局限，多以高端產(chǎn)品為主。

3)單片機(jī)和張力傳感器的張力控制。此控制方式以單片機(jī)為核心技術(shù)［1］，具有較高的性價(jià)比。但受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性得不到相應(yīng)保證。

隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)PID控制逐漸應(yīng)用到相關(guān)的控制器中［6］，使控制效果及控制精度最大化。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)有2種控制方式，一種是由PLC與變頻器組成的恒線速度控制系統(tǒng)，另一種是由張力控制器及張力傳感器組成的恒張力控制系統(tǒng)。觸摸屏用于參數(shù)設(shè)定及信息交換;PLC用于控制模式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理;變頻器作為核心控制器。2種控制方式在一定程度上是相互聯(lián)系的，根據(jù)不同的生產(chǎn)情況進(jìn)行選擇。

圖1 控制系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Whole control system

通過(guò)系統(tǒng)改造可以解決如下問(wèn)題:

1)防止織物與輥軸之間的滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)織物的平穩(wěn)傳送;

2)避免卷染機(jī)在染色過(guò)程中出現(xiàn)色差問(wèn)題;

3)使織物在收卷和運(yùn)輸過(guò)程中不出現(xiàn)變形散落情況，確保織物卷軸的牢固性;

4)保證織物的平穩(wěn)恒速運(yùn)行，降低因速度變化引起的機(jī)械故障，降低能耗。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC與變頻器的恒線速度控制系統(tǒng)

PLC與變頻器的恒線速度控制系統(tǒng)在卷染機(jī)系統(tǒng)中的具體框圖如圖2所示。

由圖可見(jiàn)，該系統(tǒng)由三菱L-700系列變頻器作為核心控制器，分別控制系統(tǒng)的3個(gè)電動(dòng)機(jī)，其中編碼器作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)傳送給變頻器信號(hào)，再通過(guò)變頻器去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 卷染機(jī)恒線速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of jigger constant linear velocity control system

1)系統(tǒng)框圖中的主軸電動(dòng)機(jī)由變頻器2控制，其速度恒定不變，具體參數(shù)通過(guò)觸摸屏設(shè)定。

2)變頻器1與變頻器3控制收卷電動(dòng)機(jī)與放卷電動(dòng)機(jī)，二者速度與主軸速度保持一致，根據(jù)編碼器的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3)PLC在系統(tǒng)中屬于數(shù)據(jù)交換處理環(huán)節(jié)，可以同時(shí)控制滾輪1與滾輪2的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)收卷與放卷的即時(shí)變化。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，收卷輥隨著收卷織物層數(shù)的增加轉(zhuǎn)速下降，要實(shí)現(xiàn)恒速控制就必須達(dá)到頻率匹配(包括轉(zhuǎn)速運(yùn)算和卷徑運(yùn)算)［7］。同步匹配頻率f(t)的計(jì)算公式為

式中:V為織物線速度;P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);i為機(jī)械傳動(dòng)比;D(t)為卷筒卷徑。由式(1)可以看出，由于卷筒的卷徑不斷變化，要使織物線速度恒定，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也要同步變化［7］，如式(2)所示。

式中:N為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;f為電源的頻率;P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù);s為轉(zhuǎn)差率。

由于系統(tǒng)的卷徑(滾輪厚度)不斷增大，所以需要通過(guò)人機(jī)界面及傳感器傳給控制器(PLC)［8］，再由PLC傳給變頻器，如圖1框圖所示。本控制系統(tǒng)運(yùn)用變頻器內(nèi)部的PID控制程序進(jìn)行控制，通過(guò)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，所以實(shí)現(xiàn)了是閉環(huán)PID控制。3個(gè)變頻器的參數(shù)設(shè)置如表1、2所示。

表1 變頻器1、3的主要參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明Tab.1 Main parameters and description of inverters 1 and 3

表2 變頻器2的485通訊參數(shù)設(shè)置Tab.2 485 Communication parameters of inverter 2

在接線過(guò)程中需要注意的是，如果旋轉(zhuǎn)編碼器的型號(hào)選擇是集電極開(kāi)路的，變頻器上的接線端子A7AP需要接通。

2.2 變頻器的PID控制算法

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，需要實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋?zhàn)饔茫虼藢r.128設(shè)置為40(PID負(fù)反饋，41為正反饋)。又由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析得，控制系統(tǒng)通過(guò)PI控制即可滿足控制要求，即設(shè)置比例參數(shù)為50(Pr.129=50)，積分時(shí)間為1.6 s(Pr.130=1.6 s)，其他設(shè)置如表1所示。

2.2.1 PID控制算法介紹

圖3示出PID控制基本構(gòu)成。其中Kp為比例常數(shù);Ti為積分時(shí)間;S為運(yùn)算;Td為積分時(shí)間。

圖3 PID控制基本構(gòu)成框圖Fig.3 Block diagram of PID control

在設(shè)置PID參數(shù)過(guò)程中需要注意:

1)當(dāng)PID的比例參數(shù)P的設(shè)定值較小時(shí)，測(cè)定值的微小變化可以得到大的輸出變化。參數(shù)設(shè)置過(guò)大可能會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)，降低穩(wěn)定性。

2)積分時(shí)間不宜設(shè)定太大，系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。隨著積分時(shí)間變小，完成速度越快，但是有超調(diào)的危險(xiǎn)。

2.2.2 PID增益調(diào)整說(shuō)明

圖4示出系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的變化曲線。控制系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中要呈現(xiàn)圖4(b)的狀態(tài)，使系統(tǒng)在加速、勻速、減速和急減速時(shí)的狀態(tài)均正常運(yùn)行。可以通過(guò)調(diào)整變頻器Pr.129(PID比例參數(shù))和Pr.130(PID積分時(shí)間)實(shí)現(xiàn)。

圖4 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中的變化曲線Fig.4 Change curve in system regulation process.(a)System response speed is slow;(b)System response speed is moderate;(c)System response speed is high

1)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢時(shí)的調(diào)整方法。將Pr.129(PID比例參數(shù))降低10%，同時(shí)將Pr.130(PID積分時(shí)間)減小0.1 s。使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下都能達(dá)到圖4(b)的狀態(tài)。

2)響應(yīng)速度快時(shí)(振蕩不收斂時(shí))的調(diào)整方法。將 Pr.129(PID比例參數(shù))增加10%，同時(shí)將Pr.130(PID積分時(shí)間)增加0.1 s。使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下都能達(dá)到圖4(b)的狀態(tài)。

2.3 全自動(dòng)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 影響張力控制的因素

在卷染機(jī)械中影響張力F的主要因素有卷軸的扭矩 T和卷徑 D，三者之間關(guān)系如式(3)所示。

由式(3)可知，扭矩一定時(shí)，張力與卷徑成反比，因此在放卷或者收卷時(shí)，為了確保張力恒定需要伴隨卷徑的變化改變扭矩。此外，引起張力變化的因素除卷徑外，還有損失扭矩變動(dòng)產(chǎn)生的影響，以及速度變化時(shí)慣性的影響。

2.3.2 張力控制設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［9］介紹了張力控制的幾種方式，如手動(dòng)張力控制、卷徑檢測(cè)式張力控制(半自動(dòng)控制)、全自動(dòng)控制(閉環(huán)控制)方式。在這幾種控制系統(tǒng)中，全自動(dòng)張力控制是反饋張力控制，與卷徑檢測(cè)控制相比張力精度較高，本文的張力控制為全自動(dòng)張力控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 全自動(dòng)張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of automatic tension control system

控制系統(tǒng)在硬件選擇上采用三菱系列產(chǎn)品。

1)張力檢測(cè)器。選用三菱LX-050TD型張力檢測(cè)器，其中050為額定負(fù)載除以10后得到的數(shù)值，單位為N。因此該系統(tǒng)為500 N的額定負(fù)載量，檢測(cè)器屬于微偏位型張力檢測(cè)器。

2)張力控制器。張力控制器選用三菱的LE-40MTA-E型。其工作原理為:張力控制器接收來(lái)自張力檢測(cè)器的信號(hào)，自動(dòng)控制織物的放卷、中間輔助軸和收卷時(shí)的材料張力。并針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出0～24 V的控制電壓。圖6示出張力控制器與PLC的CAD接線圖。

圖6中FX3U-48MT為48點(diǎn)的PLC控制器，F(xiàn)X3U-4DA為PLC的4通道模擬量輸出模塊，F(xiàn)X3U-4AD為PLC的4通道模擬量輸入模塊。系統(tǒng)中有2個(gè)張力控制器，分別控制圖2中滾筒1與滾筒2的張力。由于系統(tǒng)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以本文僅對(duì)張力控制器LE-40MTA-E(1)進(jìn)行分析。

PLC輸出端 Y0-Y3控制 LE-40MTA-E(1)的MC1(運(yùn)行/停止)、MC4(停止保持記憶復(fù)位)、MC5(控制模式1)、MC6(控制模式2)。FX3U-4DA的4個(gè)模擬量輸出通道與控制器的模擬輸入信號(hào)AI1(外部張力設(shè)定)、AIC(內(nèi)部電阻)、AI2(功能設(shè)置)、AI3(功能設(shè)置)相連。FX3U-ADA的4個(gè)模擬量輸入通道與控制器的模擬輸出信號(hào)SA(控制信號(hào)輸出)、SN(選擇信號(hào))、AOC(張力顯示輸出)、TMO(張力顯示輸出)相連。圖7示出張力控制器與檢測(cè)器連接圖。

上述控制系統(tǒng)可以通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)模式的切換，從而實(shí)現(xiàn)恒線速度與恒轉(zhuǎn)矩控制。由于PLC本身也具有PID算法，所以在系統(tǒng)改造中更加靈活多變，維護(hù)也更加方便。

圖6 張力控制器與PLC的CAD接線圖Fig.6 CAD wiring diagram of tension controller and PLC

圖7 張力控制器與檢測(cè)器連接圖Fig.7 Connection diagram of tension controller and tester

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程分析

根據(jù)上述控制原理進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的控制流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的控制流程圖Fig.8 Control flow chart of system

由三菱GTO1000觸摸屏通過(guò)RS422通訊形式來(lái)控制FX3U-48MPLC，在經(jīng)FX3U-485通訊模塊與3臺(tái)變頻器進(jìn)行通訊。

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

觸摸屏控制模式選擇界面中變頻器速度控制按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件為M300，而張力轉(zhuǎn)矩控制按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件為M400。

張力控制模式界面中啟動(dòng)按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件中的M1502，右放左收按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件中的M1501，當(dāng)M1501為OFF時(shí)觸摸屏顯示右放左收，當(dāng)M1501為ON時(shí)顯示為左放右收。

速度控制模式界面中啟動(dòng)按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件的M502，右放左收按鈕對(duì)應(yīng)程序軟元件中的M501，當(dāng)M501為OFF時(shí)顯示右放左收，當(dāng)M501為ON時(shí)顯示左放左收。在觸摸屏上還有循環(huán)/單動(dòng)模式，手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，還有一個(gè)轉(zhuǎn)速顯示對(duì)應(yīng)于程序軟元件的D18。

3.3 控制程序設(shè)計(jì)

啟動(dòng)與模式選擇參考程序如圖9所示。M502與M1502接收來(lái)自觸摸屏的信號(hào)，將相應(yīng)的速度傳給電動(dòng)機(jī)。程序中M300與M400分別是2種控制模式的選擇按鈕，當(dāng)速度控制有效時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制相關(guān)軟件被復(fù)位，反之亦然。

圖9 啟動(dòng)與模式選擇參考程序Fig.9 Slection reference program of start and mode

變頻器參數(shù)運(yùn)行讀取參考程序如圖10所示。程序中IVDR為變頻器的運(yùn)行控制專用指令，前面的K1為變頻器的站號(hào)。H0ED為寫(xiě)入設(shè)定頻率(RAM)，H0FA為運(yùn)行指令。后面的 K1為PLC的使用通道，本設(shè)計(jì)為通道1。

圖10 變頻器參數(shù)運(yùn)行讀取參考程序Fig.10 Inverter parameter run read reference program

M700對(duì)應(yīng)速度控制模式界面中的“收卷”，當(dāng)為OFF時(shí)顯示收卷，為ON時(shí)顯示放卷。M701對(duì)應(yīng)滾輪顯示，M800對(duì)應(yīng)張力控制模式界面中的“收卷”，當(dāng)為 OFF時(shí)顯示收卷，為 ON時(shí)顯示放卷。M801對(duì)應(yīng)滾輪顯示。

4 改造設(shè)計(jì)效果

通過(guò)對(duì)紹興某印染廠卷染設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，在進(jìn)行了恒線速度恒張力控制改造設(shè)計(jì)后，卷染機(jī)卷徑變化與速度和張力的關(guān)系如表3所示。

表3 改造測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Transformation test data

從數(shù)據(jù)可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)方案滿足了規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，隨著設(shè)備的運(yùn)行，卷染織物的卷徑不斷變化，以往的控制系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷布，停機(jī)的情況。而經(jīng)過(guò)改造后的系統(tǒng)，只要在觸摸屏上設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)及控制模式，其運(yùn)行的線速度及轉(zhuǎn)矩將基本保持不變。

由于卷染材料通常以彈性織物為主，所以傳感器在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微小的誤差，從而影響控制精度。這樣的誤差可以通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)及調(diào)用PLC程序來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

5 結(jié)論

卷染機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造后系統(tǒng)的控制模式靈活方便，可以滿足生產(chǎn)線上不同的工藝需求。實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能控制管理，提高生產(chǎn)效率。本文控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布線簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)的后期改造升級(jí)更為方便。

［1］ 李迪.卷繞系統(tǒng)中的張力控制研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2007:8－9.LI Di.Research on tension control for winding system［D］.Xi'an:Xi'an University of Science and Technology，2007:8 －9.

［2］ 顧利秋.卷染機(jī)恒張力恒線速控制的研究［D］.無(wú)錫:江南大學(xué)，2008:2－3.GU Liqiu.The research on the constant 1inear veloeity and constant moment［D］.Wuxi:Jiangnan University，2008:2－3.

［3］ 郭艷萍，陳相志.高速?gòu)?fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012(1):27－28.GUO Yanping， CHEN Xiangzhi. Research and realization of control system of high-speed rewinding［J］.Manufacturing Automation，2012(1):27－28.

［4］ 游雷，劉克福.PLC和變頻器在恒張力卷取機(jī)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2013(8):119－120.YOU Lei，LIU Kefu.Application of PLC and frequency converter in constant tension coiler［J］.Mechanical Engineer，2013(8):119 －120.

［5］ 唐春林.復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2008:21－25.TANG Chunling.Design and realization of control system of combined machine［D］.Changsha:Central South University，2008:21 －25.

［6］ 曾強(qiáng)龍.卷繞系統(tǒng)張力控制的仿真研究［D］.武漢:武漢工業(yè)學(xué)院，2012:3－4.ZENG Qianglong.Simulation research on tension control for winding system［D］.Wuhan:Wuhan Polytechnic University，2012:3 －4.

［7］ 姜位洪.織機(jī)張力控制系統(tǒng)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2005:14－15.JIANG Weihong.Loom tension control system［D］.Hangzhou:Zhejiang University，2005:14 －15.

［8］ 吳震宇，陳琳榮.接觸式紗線張力傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量模型［J］.紡織學(xué)報(bào)，2013(8):138－139.WU Zhenyu，CHEN Linrong.Dynamic measurement model of contact tension sensor for yarn［J］.Journal of Textile Research，2013(8):138 －139.

［9］ 趙向前.收放卷機(jī)糾偏方法和張力控制的研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(S1):30－33.ZHAO Xiangqian.Research of deviation rectification method and tension control for coiler［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2011(S1):30 －33.