淺談全自動卷繞頭電氣控制系統

張勤勤 吳長泰

【摘 要】介紹了一種新型的全自動高速卷繞頭電氣控制系統，該系統基于最新的速度控制理論，實現了絲餅的全自動高速卷繞，保證其邏輯控制、運動控制和工藝控制集成為一體，響應速度快，控制精度高，防疊效果顯著，成品及其成形質量更好。

【關鍵詞】全自動高速卷繞頭；電氣控制系統；自動控制；PLC

化纖行業一般把長絲紡絲系統的卷繞裝置稱為卷繞頭（又稱卷繞機），有半自動和全自動兩個系列，有高速和低速、民用絲用和工業用絲用等不同規格。高速全自動卷繞頭是集機械、電氣為一體的高科技產品。卷繞頭自控系統的研究是整個設備開發的重要環節。就電氣技術本身來說，需要硬件與軟件的有機結合。硬件（如變頻器等），根據各公司的一般慣例，均采用知名廠家的成熟產品；軟件，需要根據生產工藝的要求，獨立自主地研究和開發。本文將根據BWrA860T型全自動高速卷繞頭自控系統的研發過程和實用效果，探討變頻器、工控機等硬件及配套軟件在卷繞頭的應用。

一、全自動高速卷繞頭電氣控制系統

隨著化纖紡織機械的快速發展，對電氣控制系統的要求越來越高。高速卷繞頭作為化纖紡織機械的關鍵組成部分，其控制系統極其重要。特別是隨著紡絲速度越來越高，對卷繞速度的控制精度的要求也越來越高。卷繞系統是一個非常復雜的非線性電氣控制系統，為滿足系統要求，必須確保電機之間要相互協調運轉，尤其是保證速度之間的協調。本文所使用的電氣控制系統就是利用PLC加變頻器控制的方法，同時結合最新速度控制理論，對卷繞頭速度與動作進行精確控制，實現卷繞頭的正常運轉；利用先進的ADRC控制方式控制線速度，卷繞速度的精度控制有了很大提高；在橫動速度控制方面，結合最新的致密精密卷繞（CPW）技術，使絲筒的成形質量有了很大改善。全自動高速卷繞頭是一個連續生產使用的設備，除了檢修，一年幾乎不停車，是紡織機械關鍵的組成部分，所以要求主件必須具有高精度，裝配高度一致性，系統要求動作可靠，控制精度高，同時還必須操作方便，因此卷繞系統的自動控制極其重要。本文介紹了一種新型的全自動卷繞頭電氣控制系統，它結合最新速度控制理論，實現了絲餅的全自動高速卷繞，保證其邏輯控制、運動控制及工藝控制集成為一體，響應速度快，控制精度更高，防疊效果顯著，成品及其成形質量更好。PLC作為主控制器，由按鈕、傳感器等部件完成速度與位置的檢測，由繼電器和指示燈等部件完成動作的執行。卷繞頭上共安裝有5個電機，包括2個卡盤電機、1個橫動電機、1個轉盤旋轉電機和1個壓輥啟動電機。工控機用于對速度的計算并進行速度比對，把結果送給PLC，最后由PLC來控制調速系統；調速系統主要由變頻器驅動電動機來完成，且均采用每個變頻器對應驅動一個電機的控制方式，這樣既可以有效地降低故障率，又能實現對單個錠子防疊參數的微調，有效地改善卷取筒子的成形質量[1]。系統開始運行時，利用壓力輥啟動電機，使壓輥轉速提到與錠軸相同的速度，從而使它們接觸時降低接觸壓力，甚至達到同步運轉，這可以有效地減少毛絲或者紙管破損等現象出現的概率。高速卷繞頭電氣控制系統主要包括卡盤點機的速度控制部分、橫動電機的速度控制部分以及各個動作的控制部分。

二、卡盤電機速度控制

在系統運行過程中，卡盤電機帶動卡盤軸旋轉，由于卡盤和壓力輥處于接觸狀態，從而帶動壓力輥一起旋轉，所以壓力輥的旋轉速度就可以當成實際的卷繞速度。由于卷繞不斷進行，絲餅卷裝直徑也會不斷增大，這時電機的轉速需要逐漸降低，才能保證卷繞線速度的恒定，這需要對變頻器的頻率進行精確控制。而系統通過實際的測定值與整定值的比較，精確計算出控制變頻器的給定值，通過改變頻率，從而控制筒管夾頭轉速；同時為減少外部信號的干擾，還需要采取一些相應的抗干擾措施，確保系統測得信號的準確性。本系統結合先進的ADRC控制方式，把比較后的速度值作為輸入信號，把壓力輥的速度作為反饋信號，對整個控制過程進行認真的動靜態分析，形成一個動態的閉環速度控制系統，從而維持卷繞線速度的恒定。由于這種控制方式能對外部干擾等進行數據上的補償，從而做到對整個系統進行動態反饋以及線性化控制，所以與其他的控制方式相比，比如非線性PID和PID控制等，其控制性能更優，對被控對象控制的魯棒性更好。總的來說，與傳統的卡盤電機速度控制相比，這種方式線速度控制更加平穩，噪聲也有所降低，而且精度提高了0.5%左右[2]。

三、橫動速度控制

橫動導絲機構主要是利用撥叉導絲原理，由絲筒的圓周運動和橫動機構的往復運動復合而成的。由于在高速運轉情況下容易出現疊絲，嚴重時還可能出現絲束打滑、卷裝無法成形和退繞困難等現象，因此橫動速度的控制關系到卷裝產品成形的質量的好壞。因此，本系統中采用設置卷繞角與三角波擺頻+防疊卷繞的控制方式，結合了先進的致密精密卷繞（CPW）方式，利用其等升角和等螺距卷繞的原理，確保了卷裝既能在高速運轉且保證其質量情況下完成大直徑的卷繞，而且做到在后道工序中順利退繞，確保退繞時不會出現斷絲等現象。在卷繞過程中，根據不同時刻的實際數據算出每時每刻卷裝的直徑，從設定的程序中選出比其小且最接近它的所對應的卷繞比，由PLC根據卷繞比通過變頻器對橫動速度進行調控，確保不會出現的疊絲，從而達到精密卷繞，最終達到卷裝不重疊的目的。而采用突變三角波和分段躍跳相結合方法可有效避免疊絲的產生，使絲餅成型更加美觀，退繞更加容易。突變三角波可以防止三角波的振幅量改動時的慣性波動，分段躍跳可以避開疊絲的卷徑。恒定的絲筒圓周轉速與橫動導絲往返速度保證了鋪絲與絲餅硬度的均勻性，絲束的張力也就恒定，有效避免了毛絲、絆絲的產生，從而確保了卷裝的良好成形[3]。

四、動作控制

卷繞系統的動作控制部分包括生頭尾絲、轉盤旋轉、松筒和漲筒等。由于動作控制復雜，因此各部件要求精密配合，這就要求PLC的動作要快，可靠性要高。系統中，PLC通過位置傳感器判斷轉盤的實際位置，根據轉盤的位置確定轉盤電機是否啟動與停止。同時PLC根據轉盤的位置來控制生頭機構和尾絲機構的動作，完成生頭和切換的系列動作；轉盤的旋轉控制既包括滿筒時上下卡盤軸的快速切換（目的是完成卷繞機全自動換筒），又包括在卷繞過程中卷裝直徑增加時轉盤的微動，提高絲餅卷裝質量。微動時的旋轉角度可以根據卷裝直徑的增加率以及機構本身的尺寸來確定，而這一過程選擇一伺服電機進行拖動，當上卡盤完成卷繞時，PLC控制伺服電機帶動轉盤快速回轉，完成上下卡盤軸的快速切換，從而完成卷繞的全自動換筒過程[4]。

五、結語

本文采用的PLC+變頻器電氣控制系統，結合最新速度控制理論，能很好地實現對卷繞頭的電氣控制。卷繞線速度控制利用ADRC控制方式，卷繞線速度的控制精度有了很大程度的提高；橫動控制上利用致密精密卷繞技術，絲餅卷裝的成形質量得到了很大改善，有效地降低了毛絲、斷絲、疊絲、蛛網絲等現象的產生，提高了紡絲的品質，確保了卷繞的連續不間斷。

【參考文獻】

[1]李勇彬，鄒彩虹，劉亮.淺談全自動高速卷繞頭電氣系統的自動控制[J].圖書情報導刊，2012，22（8）：153-155.

[2]李海明.淺談橋式起重機電氣控制系統設計[J].中國戰略新興產業，2018，No.164（32）：152.

[3]江玲.基于BRF的自動插秧機電氣控制系統優化[J].農機化研究，2018，40（8）：228-231.

[4]李斌.淺談電氣自動化控制中的人工智能技術[J].電子技術與軟件工程，2018（4）：252-252.