寬重型織機的電氣控制系統

石家莊紡織機械有限公司電控中心 宋玉霞/文

寬重型織機的電氣控制系統

石家莊紡織機械有限公司電控中心 宋玉霞/文

本文介紹了德國KEB的IPC運動控制器00C6AE1-BEB0在產業用紡織品寬重型織機上的應用。重點介紹運動控制器BOX-IPC通過EtherCAT總線通訊方式控制多軸的驅動器來進行開口多臂、主機驅動的電機運動。

產業用紡織品 寬重型織機 造紙聚酯網 運動控制器BOX-IPC EtherCAT總線

1 引言

產業用紡織品特種織機在傳統織機的基礎上，進行了大量的創新，產業用紡織品網業用特種織機幅寬在5～25米，遠遠超出傳統織機幅寬，產業用紡織品特種織機不同于傳統服裝紡織、裝飾紡織用織機，傳統織機寬度在1～4米，打緯力幾百公斤/米，而產業用紡織品特種織機幅寬已達5～25米，打緯力2～8噸/米，卷取也由傳統的單輥變成三輥，同時直徑加大，送經由單經軸變為雙經軸和三經軸，織造材料也由紗線變成單絲或合股絲形式，主機傳動由單邊變成雙邊，開口綜框吊點增多，總而言之，產業用紡織品特種織機已不同于傳統意義上的織機了。

隨著國家結構調整步伐的加快，老舊的造紙設備和國家大量淘汰10萬噸以下造紙廠，造紙行業進入快速發展期。造紙設備向寬幅、高速發展。但是寬幅、高速造紙機急需的多層造紙網，主要依賴進口，價格昂貴。同時國內能生產高檔多層造紙網的廠家，機械設備也是高價從國外進口的。昂貴的價格制約了我國造紙行業的發展。鑒于以上原因，我公司根據市場的需要，利用多年來在特種、寬重型織機的研發上積累的技術基礎，決定研發CXWJ型多層造紙網劍桿織機來織造國內急需的多層造紙網。

2 多層造紙聚酯網織機電氣控制系統的特點

由于網類織機幅寬達12.8米，織造的張力達到1.5～4噸/米，開口中綜框的張力很大，開口的執行機構多臂就要有很大的拉力。我們采用側拉多臂，通過小氣缸的升降和機械拉刀配合，結合來自于主機動力的機械結構，驅動大刀片實現開口動作。側拉多臂開口形式在織機打緯時是平綜打緯，由于開口氣缸的開閉頻率限制，使得整機速度不能提高，織機速度最大到45轉/分。為提高織機的織造效率，在本項目的電氣控制中，我們采用每片多臂由一組大功率的伺服電機， 24片綜框有24個KEB的型號為D3SM500伺服電機驅動。

產業用紡織品網類特種織機機架為積木形式，根據用戶要求幅寬而采取多組組合而成。每組由兩塊墻板和一凸輪組成，每組驅動為雙側動力，由雙側水冷伺服電機帶動，12.8米織機有8組這樣的單元組成，通過電子同步運行，由若干組凸輪組成的整體凸輪帶動整機筘座，實現打緯功能。每組電機選擇的是西門子公司的型號為1FT6086-8WH71的水冷電機，由KEB公司的16F5 驅動器驅動。

3 EtherCAT現場總線特點

EtherCAT（以太網控制自動化技術）是一個以以太網為基礎的開放架構的現場總線系統，EterCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology（控制自動化技術）首字母的縮寫。

EtherCAT在網絡性能上達到了一個新的高度。1000個分布式I/O數據的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環時間。通過一個以太網幀，可以交換高達1486字節的過程

數據，幾乎相當于12000個數字量I/O。而這一數據量的傳輸僅用300μs。與100個伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設置值和控制數據，并報告它們的實際位置和狀態。分布式時鐘技術保證了這些軸之間的同步時間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術的優異性能，可以實現用傳統現場總線系統所無法實現的控制方法。這樣，通過總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使狀態數據與任何數據可并行傳輸。EtherCAT技術使得通訊技術與現代高性能的工業PC相匹配。總線系統不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數據傳遞超過了只能由本地I/O接口才能實現的性能。

4 多臂控制系統

多臂的控制系統控制綜框的運動實際上是通過讓帶動每片綜框的電機正、反向運動實現開口，實現織造的花樣程序。根據織物的工藝，需要12～32 片綜框，本機設計的是24片綜框。控制系統通過上位機編寫的花樣時序依次輸出花樣參數中存放的對應的花樣程序，通過驅動伺服電機的正反向，把提綜信息電氣信號轉換成多臂的機械位移。提綜的運動是與主機的運動相配合的，過去的多臂系統動力是來自于織機的主軸。變化的運動來自于主機的角度。而本機中主驅動系統和多臂系統是獨立的，沒有傳統意義上的機械連接，完全依靠電氣的同步運動實現。

開口時綜框有不同的啟動和打開時間，這可以用來更好地分層調整。獨立控制使得補償織口的大和小變得容易，并且在機器停車時間長時，多臂機自動把綜框移動到一起，以減小緯紗的張力。

每個綜框開口有獨立監控。可選擇開口卡緯或閉口卡緯。

由于多臂機從一步改變到另一步時具有很高的速度，時間僅為120MS，因此機器速度得以加快。

5 主驅動的控制系統

由于主機是由8組獨立單元聯動控制整體筘座，而且每組的兩個電機同時有一組曲軸硬連接。因此對這16 個伺服電機的同步性要求很嚴格，同時伺服電機還要根據織造的需要變速運行，以實現織機的凸輪功能，來滿足開口及引緯的需要。

6 系統組成

整機的電氣控制運用目前最先進的運動控制的多軸同步理論，利用IPC控制器把織機的各部分進行同步控制，利用德國KEB公司的帶有專用運動控制器的BOX-IPC、采用EtherCAT現場總線的連接方案，實現了數字化。對織機的主機驅動的20個水冷電機和開口部分的24個伺服電機、引緯部分、卷取、送經部分進行獨立控制，并能夠根據主軸的運動達到各自獨立、又與主軸同步運行的效果，利用虛擬主軸方式實現多軸同步傳動，EtherCAT現場總線的快速性，保證了織機各個部分的有效配合。簡化了機械結構，降低故障率，提高了織機性能。同時在設計中采用多軸驅動器共母線方式連接，進行能量回饋，達到節能環保的目的。

7 系統控制框圖

8 主要器件選型及說明

1）選型詳見表1。

表1

2） 選型說明

上述方案中，人機界面選用15英寸顯示屏，可以支持參數設置、顯示等；

運動控制器選用BOX-IPC，同時支持CAN接口，便于讀取張力信號；同時具有8G內存空間，用于數據保存；基于COMBIVIS6軟件，方便系統調試與控制。

通過總線耦合器，可以連接輸入、輸出點；以上配置中選用了3塊32點輸入模塊、5塊16點晶體管輸出模塊；也可以使用驅動器自身點數；

模擬量輸入、輸出點選用驅動器自身的接口；

運動控制器與各驅動器之間，通過EtherCAT總線通訊方式控制。

用于開口的伺服電機額定速度/最高速度為：3000/4500rpm。

9 結束語

通過采用運動控制理論，實現了織機五大動作的電氣化控制，簡化了機械結構，通過選用高動態、低慣量的電機，使寬重型織機效率提高了200%。本系統通過在我單位試制的12.8米寬幅織機上應用，安全可靠，使企業的產品提升了檔次，達到了國際先進水平。

方曉柯.現場總線網絡技術的研究，東北大學博士學位論文.2005