應用于化纖行業的全自動落絲系統

周春旭，王 勇，吳振強，劉 贊，何忻怡

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

應用于化纖行業的全自動落絲系統

周春旭，王 勇，吳振強，劉 贊，何忻怡

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

近幾年來，化纖行業迅猛發展，為了提高前紡車間落絲餅的質量和效率，同時降低人工成本，“機器換人”的目標勢在必行，全自動落絲系統應運而生。由北自所研發的地面式落絲機，很大程度上改變了人工落絲餅的生產模式，在節約人工成本的同時提高了落絲餅的效率。但是地面式落絲機占地面積比較大，加之廠房中央通道較為狹小，不可避免地會造成運行安全的問題。介紹一種新型的落絲系統——懸掛落絲系統，該落絲機懸掛于空中，輕巧靈活，不僅節約了成本，而且運行環境比較安全。分別從上位機和下位機系統地介紹落絲系統，優化懸掛落絲的調度原則，旨在保證系統穩定性的前提下，提高落絲的效率。

化纖；懸掛落絲；調度；效率

0 引言

中國是化纖生產大國，尤其以滌綸長絲為主。從目前我國該產品的產量來看，近幾年行業產量總體上呈現持續增長趨勢，2015年中國滌綸長絲產量合計2958.07萬噸，同比增長12.26%；2016年上半年，滌綸長絲總產量高達1489.01萬噸，相較于去年同期產量增長9.6%。隨著化纖的行業的轉型升級，以全自動落絲系統為核心代替人工作業的全自動物流系統已在國內幾個大化纖廠投入使用，大大節省了人力資源，提高了落絲的質量和效率，給公司帶來了明顯的經濟效益和社會效益。懸掛落絲機作為全自動落絲系統的核心設備，該設備的研發有利于提高北自所在市場的競爭力。本文分別介紹懸掛落絲系統的系統組成、網絡結構、工藝流程、調度原則等，在保證系統安全穩定運行的前提下，優化調度，提高落絲的效率。

1 系統組成

落絲系統的標準配置為懸掛落絲機、暫存設備、絲車旋轉臺、卷繞設備接口、服務器、兩臺打印機和信息顯示系統。系統分布圖如圖1所示。

懸掛式落絲機是全自動落絲系統中的關鍵設備，替代人工完成落絲餅作業。當一臺卷繞機滿卷之后，懸掛落絲機根據呼叫指令自動運行至相應位置完成落絲餅作業，再根據需要將絲餅自動放置到專用的轉運絲車上，以供后期包裝生產使用。懸掛式落絲機采用吊軌懸于空中的安裝方式并且通過載貨臺的旋轉和提升實現設備對現場工人的避讓，實現卷繞車間中央物流通道空間的最大化。懸掛落絲機是化纖行業車間空中自動化物流的必要物流裝備，具備最大限度減少對地面基礎要求的特點。

圖1 落絲系統分布

如圖2所示，懸掛式落絲機的機械結構如下：該設備采用五軸獨立運行，分別執行水平行走、立柱的旋轉、橫移推出機構的提升、橫移機構的橫移和推出機構的推出5個動作。整機通過兩組行走輪在懸掛于空中的鋁合金軌道上行走，水平行走軸采用鋼軌驅動輪結構傳動并通過頂部鋁合金軌道兩側的導輪組和在地面槽內運行的底部導輪組保證行走的直線度，提升采用齒輪同步帶結構，整個橫移推出機構通過導軌固定在立柱上，橫移機構通過水平導軌和齒輪齒條機構實現，推出機構作為落絲機存取絲餅的核心部件通過絲杠實現，旋轉機構通過轉盤軸承實現。

圖2 懸掛落絲機機械結構圖

暫存設備是用于絲餅的臨時存儲。圖3是九軸暫存臺的側視圖，一條生產線有42個紡位，根據廠家要求每條生產線有多種絲餅品種，由于絲車采用的是24錠的，落絲機一軸落絲12錠，只能湊夠滿車的同類絲才允許放置在同一絲車上。如圖3所示，沒有湊夠滿車的單軸絲餅（12錠）只能暫存在暫存設備上，九軸緩存臺可以滿足單條生產線8種批號絲餅的生產。所以暫存臺可以被稱為絲餅存儲的“中轉站”。

圖3 九軸暫存臺側視圖

絲車旋轉臺是用來存儲絲車。落絲機從卷繞機或暫存臺取絲后將絲餅放到旋轉臺的絲車掛架上。每個掛架放置一顆絲餅，每輛絲車單面有12個掛架，兩面共放置24錠絲餅。通過旋轉臺的旋轉，落絲機完成絲車的兩面掛架的裝絲作業，以便絲餅完成后續的外檢、包裝作業。

卷繞機是化纖紡絲機組中的重要設備，是指在熔體紡絲過程中，將初生纖維加工成一定卷裝形狀的化纖機械設備。自動落絲機需要與其有數字化接口和機械接口，才能實現從卷繞機上自動落絲[1]。

服務庫是用來存儲由數據采集系統從PLC采集的合法的數據，管理系統和LED顯示將圖形化的數據顯示給用戶。服務器具有可擴展性、易使用性、可用性以及易管理性，是數據存儲的最佳選擇[2]。

打印機兩臺，一臺是用來打流程卡的，流程卡上顯示絲車信息；另一臺是用來打小標簽的，小標簽貼在絲餅紙筒內側，顯示每一錠絲的信息，用于今后的信息追溯。

2 網絡結構

落絲系統設備間通訊協議基于西門子Profinet現場總線。地面站PLC、落絲機PLC、觸摸屏及伺服控制器之間均采用Profinet總線通訊，地面站PLC與卷繞機則通過Profibus DP總線通訊。

3 技術特點

1）精確定位設計。落絲系統中最關鍵的技術指標就是定位的準確性，定位準確的系統可以有效降低落絲的損壞率。為了提高定位精確度，落絲機各軸均采用德國lenze伺服控制器+伺服電機控制模式。水平行走軸和提升軸對定位精度要求較高，因此采用高性能的9400伺服控制器，以保證落絲機的推出軸與各承接軸的精確對接。在電機內部有旋轉編碼器，外部通過SSI條形碼測距傳感器采集數據，通過雙閉環控制，及時反饋系統誤差，保證落絲機定位精度保持在2毫米之內。旋轉、推出采用速度半閉環方式；橫移軸采用m300電機（smart motor）直接驅動，可以觸發5段速度，實現軟啟及調速運行。通過優化運動曲線，可設置停止速度，保證低速定位提高定位精度。

2）安全運行設計。考慮到卷繞車間人員流動量比較大，落絲系統的安全性是很重要的。如果只依靠人為的意識來躲避高速運行的自動落絲絲機是很困難的，而且一旦發生事故將會非常嚴重。因此我們在懸掛落絲機的底座安裝了激光掃描安全裝置，保證自動落絲絲機在運行方向上探測到三米內檢測區域內有障礙物時減慢速度，一米內的檢測區域有障礙物時停止運行，檢測區可根據需要來調整張角大小，以此保證落絲環境的安全性。同時額外增加了一套機械防撞機構作為最后的安全防護措施，確保在自動落絲絲機高速運行時能夠在20公分內實現緊急制動。此外，從軟件上設置軟限位和硬件上設置限位開關雙重保證運行范圍的安全性。

圖4 落絲系統網絡結構

4 工藝流程

起初懸掛落絲機處于原始位置等待呼叫信號，原始位置位于九軸暫存臺附近，當一臺卷繞機滿卷之后發出呼叫信號，落絲機根據調度要求的目標位置同時調整水平軸和垂直軸，運行到呼叫位置，旋轉軸旋轉90°，平臺軸移出與卷繞機絲餅的承接軸對接，卷繞機推出軸推出絲餅，旋轉軸回轉90°與水平軌道平行并提升到頂端，落絲機完成卷繞機取絲餅作業。

系統根據九軸暫存臺暫存絲餅的數量、種類及落絲機上的絲餅的數量、種類來判斷下一步動作。如果暫存臺和落絲機上的絲餅不能夠湊滿車（絲車采用的24頭車，24個絲餅夠滿車），落絲機到暫存臺存貨。根據調度要求的目標位置同時調整水平軸和垂直軸，旋轉軸旋轉90°，落絲機平臺軸與暫存臺的承接軸對接，推出軸推出絲餅至暫存臺承接軸，推出軸收回，旋轉軸回轉90°，落絲機完成暫存臺存絲餅作業。

如果暫存臺和落絲機上的絲餅能湊滿車，則落絲機直接到絲車旋轉臺將絲餅裝車：落絲機控制水平垂直軸至目標位置，運行至旋轉臺第一個位置（絲車單面12個空間位置），旋轉軸旋轉90°，平臺軸移出與絲車承接桿對接，推出軸推出一個絲餅的距離，將第一個絲餅推到絲車桿上，然后落絲機控制各軸完成旋轉臺第二個位置的定位，將絲餅推到第二個絲車桿上，同理依次完成單側12個位置的落絲餅動作，旋轉軸回轉90°，此為絲車旋轉臺的存絲餅作業。

完成絲車旋轉臺單側存絲后，回轉臺旋轉到絲車的另一側，落絲機運行到暫存臺位置，旋轉軸旋轉90°與目標（能夠湊滿車的剩余12錠絲）的承接軸對接，平臺軸移出，暫存臺推出軸推出絲餅至落絲機的平臺軸上，平臺軸收回，旋轉軸回轉90°，完成暫存臺取絲餅作業。

5 調度原則

參數設定：

Tbreak：絲餅的爆管時間

Tcall：滿卷呼叫時間

Tfw：從卷繞機上的取貨時間

Tfs：從暫存臺上取貨時間

Tts：往暫存臺上的存貨時間

Ttr：往旋轉臺上的存貨時間

Twms：卷繞機到暫存臺的運行時間

Tsmr：暫存臺到旋轉臺的運行時間

Twmr：卷繞機到旋轉臺的運行時間

Trest：爆管剩余時間（Trest=Tbreak-Tcall）

調度原則：

暫存臺是落絲機的空閑位置，即落絲機的起始位置。為了保證落絲機的正常運行，采取先存貨再取貨的原則，保證暫存臺上沒有多余絲餅堆積，即只要同類絲餅能湊夠滿車，落絲機優先完成往絲車旋轉臺上存絲餅的作業。

由于該懸掛落絲機是單工位的，只能根據每個紡位的卷繞機呼叫時間的先后順序依次取貨。當卷繞機發出滿卷呼叫信號后，系統計時滿卷呼叫時間Tcall，根據此時落絲機的運行狀態判斷下一步動作：

1）落絲機上取到的絲餅與暫存臺上同種類的絲餅不能湊滿車，那么落絲機運行至暫存臺，完成暫存臺存絲餅作業后，等待下一次滿卷呼叫信號。

2）落絲機上的絲餅與暫存臺上同種類的絲餅能夠湊滿車，為了提高效率，落絲機不再往暫存臺存絲餅，而是直接運行至絲車旋轉臺存絲餅。此時需要判斷往旋轉臺上的存貨時間Ttr、從暫存臺上的取貨時間Tfs、從卷繞機上的取貨時間Tfw、暫存臺到旋轉臺的運行時間Tswr、本次呼叫信號的卷繞機位置到旋轉臺的運行時間Twmr1、下一次呼叫信號的卷繞機位置到旋轉臺的運行時間Twmr2及下一個滿卷呼叫信號的爆管剩余時間Trest2之間的關系。

（1）Trest2＜Twmr1+Ttr+Tfw+Twmr2，此時屏蔽呼叫信號，只能人工落絲餅；

（2）Twmr1+Ttr+Tfw+Twmr2＜Trest2＜Twmr1+2Ttr+2Tswr+Tfs+Tfw+Twmr2，落絲機只能將已取到的絲餅存到旋轉臺，為了避免下一個呼叫信號的絲餅爆管，盡管能與暫存臺上的絲餅湊夠滿車，但只能先做下一個呼叫信號的取絲餅作業，此時完成往絲車旋轉臺上的一次存絲餅作業；

（3）Trest2＞Twmr1+2Ttr+2Tswr+Tfs+Tfw+Twmr2，此時還沒有下一個滿卷呼叫信號或者下一個呼叫信號的爆管剩余時間足夠大，能保證落絲機能夠完成往絲車旋轉臺上的二次存絲餅作業，落絲機完成旋轉臺二次存貨之后再做下一個滿卷呼叫信號的取絲餅作業。

6 程序編寫

落絲系統的程序包括上位機程序和下位機程序，上位機通過VB編寫程序，下位機通過西門子Step 7 V5.5及Engineer V2.24.1.0 編寫程序，二者通過西門子OPC連接。

6.1 下位機系統

下位機程序主要包括主程序塊、中斷塊、調度功能塊、通訊塊、伺服接口功能塊等。

1）初始化模塊

在程序首次啟動時執行初始化模塊，將初始的設定值及初始狀態寫入程序中，初始化模塊只執行一次，其他時間不再調用。

2）中斷模塊

中斷模塊主要在OB35中執行，為落絲機運行的加減速提供穩定的運行周期，將中斷的時間設為30毫秒，確保加減速度的30毫秒的中斷周期。

3）伺服接口功能塊

圖5所示為伺服控制功能塊，LP_MciIn FB塊是PLC給伺服控制器的控制字功能塊，即伺服控制器的輸入塊；LP_MciOut FB塊是伺服控制器給PLC的控制字功能塊，即伺服控制器的輸出塊。該FB塊的輸入字可根據需要拆成位、字節、字、雙字，應用方便。輸入端主要給定模式選擇、速度給定等參數，根據PLC需要收到目的地址、運行方式等；輸出端輸出當前運行狀態、運行模式等參數反饋給PLC，以便于PLC控制。

圖5 伺服控制塊

6.2 上位機系統

上位系統由網絡服務器、管理計算機以及各客戶機與網絡服務器的接口等組成。網絡服務器在WINDOWS 2008 Server操作系統中，采用sqlServer2008數據庫進行數據管理。管理計算機在WINDOWS XP Professional操作系統中運行。主要包括數據采集系統、管理系統、LED顯示系統。

數據采集系統負責從PLC采集絲車信息，驗證信息正確后存儲進數據庫中，絲車的信息包括批號、等級、絲餅數量、錠重、滿卷時間等。

管理系統主要包括調度系統和監控系統。調度系統負責與PLC進行信息交互，是落絲系統的核心部分，提供用戶庫存查詢、日志查詢、流水查詢、標簽打印以及系統維護的功能。監控系統可以對現場采集的數據實時的監控、管理，從而可以對生產進行有效的管控。

LED顯示系統會把現場采集的數據顯示在LED上，讓用戶可以隨時了解到現場生產的狀態，實現可視化生產。

圖6 上位機與下位機關系

從圖6中可以看出，上位機系統通過OPC與下位機進行連接，實時對下位機數據進行監控，采集數據添加到數據庫中，更加友好的上位機界面方便客戶進行設置和監控落絲車的整體狀態。在該落絲系統中，上位機當收到下位機的數據準備好的信號時，開始從下位機采集這一車的數據（包括批號、規格、重量、滿卷時間、生產線號、紡位號、滿卷或小卷、紙管顏色、車碼等）。采集信息完成后，上位機會檢驗數據的正確性，若數據沒有錯誤，則上位機會把數據寫進數據庫中，然后條屏顯示系統會把數據顯示到條屏上，管理系統會自動的打印出流程卡的小標簽。

圖7是設置卷繞機紡位絲餅的批號，上位機根據要求設置每個紡位的批號，保證絲餅信息的跟蹤。

落絲系統信息采集系統界面如圖8所示。

圖7 紡位批號設置

圖8 信息采集系統

7 結束語

本文從機械設計、自動調度和控制軟件角度系統地介紹了懸掛落絲系統，通過優化程序調度及運動曲線可提高落絲的效率。該系統極大地節約了廠房空間，對于新卷繞廠房的空間規劃有建設性的意義，實現廠房空間的最大化利用；可以保證落絲作業對絲餅的極低損壞率，降低用工成本。我所自主研發的懸掛落絲系統已經在盛虹控股集團有限公司正式投入使用，取得了良好的經濟效益和社會效益并贏得客戶的肯定。上世紀90年代國外已經實現了完整的自動落絲體系，而該系統在國內屬于起步階段，也是將來紡絲行業自動化物流領域重點研究的方向。懸掛落絲系統的研究與開發，可促進中國化纖生產行業的轉型升級，打破了國外在該領域的技術壟斷，有利于提高我國滌綸長絲企業在國際行業中的競爭力。

[1] 魏建,湯以范.化纖卷繞機的研究與發展[J].合成纖維,2003(11):1-2.

[2] 解讀服務器的四大基本特性[J].計算機與網絡,2009(3):38-39.

[3] 馬科,等.馬國華,譯.OPC統一構架[M].北京:機械工業出版社,2011.10.

[4] Siemens AG.Step7 V 5.4編程手冊[Z],2007.

Full automatic dofer system applied in chemical fber industry

ZHOU Chun-xu, WANG Yong, WU Zhen-qiang, LIU Zan, HE Xin-yi

TP29

：B

1009-0134(2017)06-0036-05

2017-04-10

周春旭（1991 -），男，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為控制理論與控制工程。