清梳聯智能化整定的研究

彭 偉 閆循斌 楊寶凱

1. 青島宏大紡織機械有限責任公司(中國) 2. 經緯紡織機械股份有限公司(中國)

目前國內生產的清梳聯設備雖然能正常運轉,但設備運轉的智能化程度不高,單機之間采用的開關聯鎖信號方式導致系統運轉過程中連續給棉控制精度不高,用戶需在使用過程中頻繁地修改參數,系統的應用體驗度不好,從而降低了用戶對設備的評價;另外,棉紡企業用工成本不斷提升,而清梳聯自整定控制的推廣應用可以有效地提高清梳聯的智能化和數字化水平,提高系統運轉過程的質量水平,不僅能減少用工、提高勞動效率,而且還能提高生產質量的穩定性、一致性,節約生產成本。

為了更好地提高清梳聯設備的智能化和質量控制水平,需優化升級抓棉機智能探包和自動平包功能;提升混棉機及清棉機的連續給棉控制精度;清棉機和梳棉機進行組網并進行數據互通。本研究目的即通過清梳聯自整定控制提高清梳聯設備的智能化、提高設備的質量水平,從而生產高質量的紗線。[1]

1 系統方案

1.1 主控系統方案

本研究為提供控制平臺的硬件、軟件模塊化及兼容性方案,統一采用定制化觸摸屏,針對主控和驅動平臺提出各具優勢的兩種方案。

1.1.1 施耐德主控系統方案

施耐德主控系統方案采用施耐德TM241系列PLC,雙核CPU、標準指令處理時間為22 ns;支持Modbus、CAN-open、Ethernet等總線通訊,具有8 路200 kHz高速計數、4 路100 kHz高速脈沖輸出;支持USB和網口兩種編程調試方式,支持通過標準SD卡下載程序和更新固件,統一使用機器專家(Machine Expert)軟件編程平臺,可以有效減少編程和調試時間,支持M218/M241/M251/M258,兼容性強;使用施耐德經濟型ATV310系列驅動器,系統方案如圖1所示。

圖1 施耐德主控系統方案

1.1.2 匯川主控系統方案

匯川主控系統方案采用匯川H3U系列PLC,其優點如下:標準指令處理時間為100 ns,本體自帶2路Modbus、1路CAN接口支持CAN-link和CAN-open協議、1路100 M的以太網接口,支持Modbus TCP/IP和自由口協議,具有8 路200 kHz高速計數、5路200 kHz高速脈沖輸出;編程口可以是USB接口或以太網接口,其中Mini USB可通過其他USB直接供電;使用匯川經濟型MD310驅動器,搭配通訊CAN卡可以實現和主控器CAN總線通訊,減少接線、節省擴展模塊、降低設計成本,通訊時序邏輯自動排序和處理、優化數據通訊、提高通訊準確率。詳細系統方案如圖2所示。

圖2 匯川主控系統方案

1.2 組網方案

本研究為實現系統組網、數據互通,提供局域網數據接口及E系統數據接口,統一采用定制化觸摸屏(帶以太網口),備選方案通過匯川H3U系列PLC自帶以太網進行組網,以解決系統聯鎖信號單一(普通開關量)、數據交互差、智能化控制程度較低和數字化程度低等問題。

1.2.1 HMI組網方案

HMI組網方案利用HMI自帶以太網接口進行組網,通過HMI組網實現遠程PLC數據透傳,再通過數據處理,發送到本地PLC。組網方案如圖3所示。

圖3 HMI組網方案

1.2.2 H3U系列PLC組網方案

PLC組網方案利用H3U本身自動的以太網進行組網,通過遠程PLC進行數據交互處理,最終在HMI上顯示,組網方案如圖4所示。

圖4 H3U系列PLC組網方案

2 智能化整定功能

2.1 抓棉機自整定控制

抓棉機自整定控制根據棉包的松緊程度將棉包分為4部分,第一部分:棉包最松;第二部分:棉包較松;第三部分:棉包最緊;第四部分:棉包較緊。針對棉包不同松緊部分,處理方式也有所不同。

2.1.1 最松——自動探包、自動平包

新棉包的最上方部分是最松的,且高低不平。此種狀態下,需抓棉機具有自動探包和自動平包功能,以快速抓取纖維,使梳棉機產量達到要求。抓棉機根據探包光電傳感器和抓臂高度編碼器自動探測和記錄棉包的高度,并在探包過程中,以0.5 s為一個計數點,計算棉包高度的平均值。根據探包過程中計算的棉包高度平均值和預先設定的抓取深度、棉包的最高和最低高度進行平包。平包過程一般需要20～30次,平包完成之后,應將棉包頂部最松的部分抓取完畢。

2.1.2 較松——根據設定的抓取次數自動加大抓取深度

對于棉包上部較松的部分,采取綜合考慮包區往返次數和抓取深度的方法,逐漸減小抓取的深度。抓棉初期,棉包較松,此時抓取的深度應較大,隨著抓取次數增加,抓取的深度越來越小,直至抓取到棉包最緊的部分。

2.1.3 最緊——根據運行效率自動調整抓取深度

在抓取最緊的棉包部位時,抓棉機根據運行效率在線自動調節運行參數。設定有效運行效率為95%～98%,超出該范圍時,需在行走速度的±5%范圍內調整行走速度,10 min后再判斷,若運行效率超出設定范圍,則需繼續對行走速度進行調整。每10 min讀取混棉機棉倉的壓力數值,控制抓棉機抓取深度。若多倉處于滿倉狀態,抓棉機的抓取深度則應減小5% ;若多倉處于空倉狀態,抓棉機的抓取深度則應增大5%。

2.1.4 較緊——抓棉深度翻倍

抓取最底部棉包較緊的部位時,抓棉機的抓取深度自動根據設定的翻倍數進行加倍抓取。

2.2 混棉機自整定控制

混棉機是將不同品種、不同長度的棉纖維進行混合,以獲得所需的纖維混合比例。自整定控制可以根據不同的棉纖維特性和混合比例,實時調整混棉機的運行參數,從而提高混棉的均勻度和一致性。這有助于提高混棉質量,減少纖維的浪費和不均勻現象,提升紡織品的質量和市場競爭力。混棉機自整定控制是根據設定的目標效率、實時運行效率、最大運行效率、最小運行效率、效率調整幅度、自動調整時間、效率計算時間來自動調整斜簾運行頻率,達到斜簾運行效率目標值。混棉機運行效率全部由混棉機自整定控制自動完成,全程無需人工干預。

混棉機自整定控制可以根據實時的生產需求和原料供應情況,自動調整混棉機的運行參數,實現最佳的生產效率。通過清梳聯系統組網讀取梳棉機的開車臺數和產量、清棉機給棉羅拉實時頻率,優化混棉機的運行效率和工藝參數設置,可以提高混棉機的儲棉量和生產能力,減少生產時間和能源消耗。對于紡織企業而言,意味著更高的生產效率、更低的生產成本和更快的產品交付速度。

2.3 清棉機自整定控制

清棉機用于去除棉花中的雜質和污染物,以確保紡織品質量。通過自整定控制,清棉機可以根據棉花特性和污染物種類,實時調整清棉機的運行參數和清潔方式,以提高清潔效果。這有助于降低紡織品生產過程中的污染程度,提升紡織品的質量和可持續性。清棉機自整定控制將清棉機與梳棉機組的顯示屏聯網,清棉機在線讀取梳棉機組各機臺開車信號、實時產量及狀態信息,同時統計梳棉機組開車總臺數及梳棉機組實時產量,將實時產量用于清棉機給棉速度的計算,優化連續給棉控制精度;增加參數自整定控制,監控給棉運轉率,30 min后給棉運轉率如果達不到95%,則自動將連續給棉比例系數減小5%,并重新計時監控;該技術無需聯鎖接線,也無需關聯繼電器、接線端子等,不占用控制器I/O資源,控制柜元件安裝板布局得以優化,清梳聯智能化水平得到提升[2]。清棉機自整定控制可以根據實時的生產需求和棉花供應情況,自動調整清棉機的運行參數和清潔速度,以實現最佳的生產效率。通過優化清棉機的運行狀態和參數設置,可以提高清棉機的清潔速度和吞吐量,減少生產時間和能源消耗。這對于紡織企業意味著更高的生產效率、更低的生產成本和更快的產品交付速度。

2.4 清梳聯系統的柔性控制

清梳聯系統的柔性控制涉及很多方面,主要的控制方法如下。

——變頻控制。利用變頻器控制清梳機的電動機轉速,以實現對清梳速度的調節。通過調整轉速,可以適應不同的紡紗工藝要求和纖維材料特性。

——智能感知與調節。利用傳感器技術和自動控制系統對清梳聯系統進行實時監測和調節。例如通過落棉傳感器可檢測落棉中雜質和原料的比例,并根據檢測結果自動調整落雜區長度。相同工藝速度下,落雜區長度決定了落棉率,將影響紡紗效果。

——自適應控制。根據實時采集的數據和反饋信息,自動調整清梳聯系統的工作參數,以適應纖維材料的變化和工藝要求的變化。這種控制方法可以提高系統的適應性和穩定性。

——多目標優化。利用優化算法和模型,對清梳聯系統的多個目標進行協調和優化。例如同時考慮紡紗質量、生產效率和能耗等因素,通過調整清梳聯參數實現系統最佳的綜合性能。

這些柔性控制方法可以相互結合和使用,以滿足清梳聯系統對工藝要求和纖維材料變化的適應性。具體的柔性控制策略應根據清梳聯系統的特點、工藝要求和技術條件進行選擇和設計。

2.5 清梳聯系統組網方案

為實現清梳聯控制系統的智能化整定功能和柔性控制,清梳聯系統需要進行組網,詳細方案如下。

——利用顯示屏的RJ45網口,將清棉機與梳棉機組的顯示屏聯網,清棉機顯示屏可以組態梳棉聯網機臺;

——在清棉機顯示屏上,通過組態遠程PLC,使清棉機顯示屏通過梳棉機顯示屏與梳棉機的PLC交換數據;

——清棉機顯示屏在線讀取梳棉機道夫開車信號、開車產量,并發送清棉機狀態信息;

——清棉機顯示屏計算梳棉開車臺數及梳棉機組實時產量,并將結果傳送給清棉機PLC使用,梳棉機組的實時產量用于清棉機給棉速度的計算,以優化連續給棉控制精度;

——增加參數自整定控制,監控給棉運轉率,30 min后給棉運轉率如果達不到95%,則自動將連續給棉比例系數減小5%,并重新計時監控;

——為方便聯網,可在梳棉機組適當機臺配置一臺或多臺交換機。

清梳聯系統組網方案如圖5所示。

圖5 清梳聯系統組網方案

3 結語

近年來由于成本增加、勞動力緊缺,紡織企業在發展過程中舉步維艱,自動化、智能化、高品質的紡紗設備成為紡織廠突破困境的首選,新設備將技術應用于生產過程,可提高紡紗生產的質量與效率,提升產品競爭力。通過清梳聯智能化整定系統方案的研究和設計,以網絡技術為基礎實現設備間數據和信息的交互,同時在單機主控系統加強自整定控制,進而實現清梳聯系統的智能化提升和柔性控制,能夠滿足行業在差異化、柔性化及用工等方面的需求。