四電機(jī)傳動(dòng)粗紗機(jī)控制系統(tǒng)方案

系統(tǒng)概述
粗紗工序是紡制細(xì)紗前的準(zhǔn)備工序，主要包括以下四個(gè)主要工序：
(1).牽伸（羅拉）:進(jìn)行5~12倍的牽伸，分擔(dān)細(xì)紗機(jī)的牽伸比。
(2).加捻（錠翼）:給牽伸后的須條加上適當(dāng)捻度，使紗具有一定的強(qiáng)度。
(3).卷繞（筒管）:將加捻后的粗紗卷繞在筒管上，便于貯存、搬運(yùn)。
(4).成形（龍筋）:卷繞成兩端成錐形的粗紗，便于細(xì)紗機(jī)的退繞喂入。

近年來(lái)，隨著電力電子與自動(dòng)化技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用與深入普及，為滿(mǎn)足進(jìn)一步提高紡機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)在要求，實(shí)現(xiàn)粗紗機(jī)高速、高效、高度機(jī)電一體化已是國(guó)內(nèi)外粗紗機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。代表當(dāng)今最高技術(shù)的新型粗紗機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，整機(jī)采用四臺(tái)變頻控制的電機(jī)分別來(lái)實(shí)現(xiàn)粗紗的牽伸、加捻、卷繞、成型工序。

圖1　四電機(jī)粗紗機(jī)傳動(dòng)原理圖

方案原理圖

圖2　四電機(jī)粗紗機(jī)傳動(dòng)方案原理圖

在四電機(jī)傳動(dòng)粗紗機(jī)的控制系統(tǒng)中，采用Unity Premium PLC(TSX P57 0244M)作為控制器, 進(jìn)行粗紗機(jī)工藝數(shù)學(xué)模型的計(jì)算和速度閉環(huán)和張力閉環(huán)控制。四臺(tái)施耐德電氣公司的高性能、高精度ATV71變頻器分別控制羅拉電機(jī)、錠翼電機(jī)、筒管電機(jī)及龍筋電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)粗紗機(jī)的牽伸、加捻、卷繞成形等工藝要求。同時(shí)配Magelis XBT-G 10.4” 彩色STN觸摸屏(XBT G5230)進(jìn)行操作和系統(tǒng)監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)Unity Premium PLC和ATV71組成通訊速率高達(dá)1M的CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。

Premium+ATV71+XBTG方案硬件配置

	Premium PLC部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
TSXP570244M	Unity Premium 570x4 CPU，帶CAN Master通信擴(kuò)展卡	1
TSXPSY2600M	電源，110/220 VAC 26W	1
TSXRKY8 Premium	機(jī)架，8 槽	1
TSXDEY16D2	開(kāi)關(guān)量輸入，16 點(diǎn)，24 VDC，移動(dòng)端子塊	2
TSXDSY16R5	開(kāi)關(guān)量輸出，16 點(diǎn)，3A 24 VDC, 24-240 VAC 繼電器，移動(dòng)端子塊	2
	ATV71變頻器部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
ATV71HU15N4Z	3P 380VAC, 1.5KW,簡(jiǎn)易面板,內(nèi)置EMC濾波器	1
ATV71HU30N4Z	3P 380VAC, 3KW,簡(jiǎn)易面板,內(nèi)置EMC濾波器	1
ATV71HU55N4Z	3P 380VAC, 5.5KW,簡(jiǎn)易面板,內(nèi)置EMC濾波器	1
ATV71HD11N4Z	3P 380VAC, 11KW,簡(jiǎn)易面板,內(nèi)置EMC濾波器	1
VW3A3401	編碼器接口卡 5V RS 422	4
VW3A110	遠(yuǎn)程圖形顯示終端	1
VW3CANTAP2	CANopen 適配器	2
	XBTG人機(jī)界面部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
XBTG5230	10.4英寸, 64色,STN, 8M內(nèi)存, CPU主頻100M,以太網(wǎng)接口	1
XBTZ968	PLC連接電纜, Twido, Micro	1

控制特點(diǎn)

控制器：Premium PLC完成數(shù)學(xué)模型計(jì)算、邏輯控制、張力閉環(huán)及CANopen通訊，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，編程簡(jiǎn)單。
為保證粗紗質(zhì)量，四臺(tái)電機(jī)的調(diào)速和同步控制要求數(shù)據(jù)刷新速度至少為50ms，通過(guò)Unity Premium PLC和ATV71組成CANopen現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，應(yīng)用Unity Premium PLC的高效的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度，以及CANopen總線(xiàn)高速傳輸和周期性、同步數(shù)據(jù)交換功能，可以很好地滿(mǎn)足四電機(jī)傳動(dòng)粗紗機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)速及同步要求。

速度環(huán)：4臺(tái)ATV71（采用編碼器反饋的矢量控制模式），由ATV71自身完成。
ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現(xiàn)代控制理論矢量控制技術(shù)的具有高性能和強(qiáng)大功能的全系列變頻器，功率范圍0.37～500KW，頻率范圍0～1000Hz(≤37KW)，0～500Hz (>37KW)；調(diào)速范圍1～100(開(kāi)環(huán))，1～1000(閉環(huán))；調(diào)速精度為10%(開(kāi)環(huán))， 0.01%(閉環(huán))；過(guò)力矩能力為170%60s或220%2s。具有開(kāi)環(huán)/閉環(huán)切換、擺頻功能、給定值存儲(chǔ)、PID調(diào)節(jié)以及各種保護(hù)等先進(jìn)功能；集成EMC A級(jí)濾波器；無(wú)傳感器電機(jī)控制；內(nèi)置可編程控制卡。在四電機(jī)傳動(dòng)粗紗機(jī)控制系統(tǒng)中，ATV71采用電流矢量閉環(huán)控制模式，可以實(shí)現(xiàn)零速度下滿(mǎn)力矩，滿(mǎn)足了粗紗機(jī)對(duì)低頻傳動(dòng)的特定要求。

張力環(huán)：通過(guò)CCD反饋，由Premium PLC完成。
通過(guò)CCD反饋檢測(cè)粗紗張力的變化，應(yīng)用Premium PLC的PID函數(shù)功能，對(duì)四臺(tái)變頻器之間的速度比進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，能有效克服由于溫度、濕度及紗線(xiàn)品質(zhì)不一致引起的張力波動(dòng)，達(dá)到恒張力紡紗的目的。

高速通信：速率高達(dá)1M的CANopen總線(xiàn)。
CANopen總線(xiàn)是基于CAN BUS的高層協(xié)議，秉承了CAN總線(xiàn)的抗干擾性強(qiáng)、高速、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，另外CANopen應(yīng)用PDO、SDO、NMT等通訊對(duì)象，方便了總線(xiàn)的管理和應(yīng)用。CANopen應(yīng)用于四電機(jī)的粗紗機(jī)，可確保四電機(jī)之間速度的同步。


緊密紡細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)方案

系統(tǒng)概述
細(xì)紗工序是成紗的最后一道工序，是將粗紗進(jìn)一步牽伸30～50倍并加捻，紡成具有一定特?cái)?shù)、符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)紗，供捻線(xiàn)、機(jī)織或針織使用。傳統(tǒng)細(xì)紗機(jī)的牽伸原理與粗紗機(jī)基本相同，而卷繞和加捻則是由鋼領(lǐng)和鋼絲圈來(lái)完成的。環(huán)錠細(xì)紗機(jī)和傳統(tǒng)粗紗機(jī)一樣由一臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，通過(guò)齒輪箱變換各機(jī)構(gòu)需要的速度。在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)各組成部分中，牽伸系統(tǒng)是反映細(xì)紗機(jī)性能和影響紗線(xiàn)質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，而新型的緊密紡紗技術(shù)通過(guò)對(duì)牽伸部分進(jìn)行創(chuàng)造性改造，將牽伸區(qū)和集合區(qū)分離，在環(huán)錠紡羅拉牽伸與加捻之間疊加對(duì)纖維須條的氣動(dòng)凝聚或集聚技術(shù)，增加了須條的緊密度，毛羽減少約20％，強(qiáng)力則提高約10％，同時(shí)，條干均勻度、機(jī)器效率等也有不同程度的提高，不僅可以降低加工成本，同時(shí)可以減少后加工工序。緊密紡的另一優(yōu)點(diǎn)是與原細(xì)紗機(jī)完全一致，只多出一對(duì)集聚羅拉，在原環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上也可進(jìn)行改裝，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

緊密紡細(xì)紗機(jī)的控制系統(tǒng)較環(huán)錠細(xì)紗機(jī)復(fù)雜許多，首先是前后羅拉的嚴(yán)格同步，實(shí)現(xiàn)牽伸倍數(shù)和捻度的精密控制，保證高支數(shù)紗線(xiàn)的成紗質(zhì)量；其次是通過(guò)取消鋼領(lǐng)板的傳動(dòng)齒輪，采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)卷裝的電子成形技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線(xiàn)支數(shù)和管紗成形的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

方案原理圖

圖1　緊密紡細(xì)紗機(jī)傳動(dòng)方案原理圖

在緊密紡細(xì)紗機(jī)的控制系統(tǒng)，采用了三套施耐德電氣公司的Twin Line系列伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)刷伺服電機(jī)，分別控制前、后羅拉以及鋼領(lǐng)板；采用1臺(tái)ATV71變頻器控制主傳動(dòng)電機(jī)，采用1臺(tái)ATV31變頻器控制風(fēng)機(jī)；整個(gè)系統(tǒng)采用Micro PLC控制，Micro PLC與變頻器及伺服間采用高速CANopen總線(xiàn)進(jìn)行通訊，同時(shí)采用XBT-G 5.7”黑白觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)操作和監(jiān)控。

Micro+ATV71+ATV31+TWLIN+XBTG方案硬件配置

	Micro PLC部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
TSX3722101	TSX37-22本體，24V直流電源	1
TSXDMZ28DT	開(kāi)關(guān)量混合，16 點(diǎn)輸入/12 點(diǎn)輸出，固態(tài)，螺絲端子塊	1
TSXDEZ12D2	開(kāi)關(guān)量輸入，12 點(diǎn)，24 VDC，螺絲端子塊，半高	3
TSXDSZ08R5	開(kāi)關(guān)量輸出，8 點(diǎn)，繼電器，螺絲端子塊，半高	1
TSXMFP032P	Flash EPROM卡，32K	1
TSXCPP110	CANopen Card	1
	ATV變頻器部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
ATV71HD55N4	3P 380VAC, 55KW,中文面板,內(nèi)置EMC濾波器,內(nèi)置電抗器	1
ATV71HD15N4	3P 380VAC, 15KW,中文面板,內(nèi)置EMC濾波	1
ATV31HU75N4A	3P 380VAC, 7.5KW, 亞洲版	1
	伺服驅(qū)動(dòng)部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
TLC6382F322141	TLC6,CAN總線(xiàn)，RS422編碼器接入	1
TLC6382D312141	TLC6,CAN總線(xiàn)，RS422編碼器接入	1
SER3BD4L7SSOA48	SER伺服電機(jī)，帶8:1減速機(jī)	1
SER3BD4L5DSOA38	SER伺服電機(jī)，帶8:1減速機(jī)	1
	人機(jī)界面HMI部分
型號(hào)	說(shuō)明	數(shù)量
XBTG2110	5.7英寸, 藍(lán)屏, 4M內(nèi)存, CPU主頻100M	1
XBTZ968	PLC連接電纜, Twido,Micro	1

控制特點(diǎn)

控制器：由Micro PLC實(shí)現(xiàn)整機(jī)的邏輯控制和參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的最優(yōu)控制。
Micro系列PLC是施耐德電氣公司推出的具有強(qiáng)大處理能力和較大的存儲(chǔ)空間的中小型PLC(I/O點(diǎn)最多256點(diǎn))。通過(guò)Micro PLC準(zhǔn)確的運(yùn)算和高精度的模擬量輸出，控制Twin Line系列伺服系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)緊密紡細(xì)紗機(jī)所要求的前、后羅拉精密同步、以及鋼領(lǐng)板電子成形；Micro PLC的內(nèi)存擴(kuò)展功能也為緊密紡細(xì)紗機(jī)控制所需的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)提供了有力的保障。

人機(jī)界面：由觸摸屏XBTG HMI實(shí)現(xiàn)紡紗參數(shù)的設(shè)定、顯示和故障監(jiān)控。

錠子和羅拉的變頻調(diào)速（ATV71）
錠子利用變頻器的多段速功能很好地滿(mǎn)足了細(xì)紗的工藝要求,前后羅拉通過(guò)ATV71進(jìn)行嚴(yán)格速度同步，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗紗的精密牽伸。其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠根據(jù)落紗大、中、小紗的張力變化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)變速，優(yōu)化紡紗條件，以盡可能地保持紡紗各階段的張力穩(wěn)定，對(duì)進(jìn)一步降低斷頭，減少毛羽，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，降低能耗和減輕值車(chē)工勞動(dòng)強(qiáng)度都將起到積極作用。

ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現(xiàn)代控制理論矢量控制技術(shù)的具有高性能和強(qiáng)大功能的全系列變頻器。調(diào)速范圍1～100(開(kāi)環(huán))，1～1000(閉環(huán))；調(diào)速精度為10%(開(kāi)環(huán))， 0.01%(閉環(huán))；過(guò)力矩能力為170%60s或220%2s。集成EMC A級(jí)濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。
風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速（ATV31）: ATV31系列變頻器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于使用等特點(diǎn)，內(nèi)置A級(jí)EMC濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。

圖2　緊密紡細(xì)紗機(jī)錠子的多段速

細(xì)紗的成形：由伺服控制鋼領(lǐng)板升降。
應(yīng)用伺服控制器的電子凸輪功能， 預(yù)先下載兩條曲線(xiàn)至伺服驅(qū)動(dòng)器，在機(jī)器啟動(dòng)后，伺服接受信號(hào)輸入啟動(dòng)凸輪曲線(xiàn)后兩條曲線(xiàn)交替切換工作。用戶(hù)可從人機(jī)界面上輸入相關(guān)參數(shù)，然后通過(guò)通訊傳到伺服相關(guān)參數(shù)可以修正曲線(xiàn)以適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求。關(guān)于停電后恢復(fù)生產(chǎn)的功能，電子凸輪提供實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前主軸位置的功能，TLC6的內(nèi)存區(qū)內(nèi)可以提供若干斷電記憶的變量區(qū)間，我們利用這些功能將斷電前瞬間的位置記住，在恢復(fù)電源之后重新進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程。

圖3 鋼領(lǐng)板升降電子凸輪曲線(xiàn)　

自動(dòng)落紗:由位置型伺服實(shí)現(xiàn)細(xì)紗的高速、精準(zhǔn)、全自動(dòng)落紗。
應(yīng)用伺服控制器的(位置型) 點(diǎn)到點(diǎn)精確定位，同時(shí)應(yīng)用伺服控制器的內(nèi)置編程功能實(shí)現(xiàn)停電時(shí)的位置記憶。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊：速率高達(dá)1M的CANopen總線(xiàn)。
CANopen總線(xiàn)是基于CAN BUS的高層協(xié)議，秉承了CAN總線(xiàn)的抗干擾性強(qiáng)、高速、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，另外CANopen應(yīng)用PDO、SDO、NMT等通訊對(duì)象，方便了總線(xiàn)的管理和應(yīng)用。施耐德的ATV31、ATV71及伺服系統(tǒng)TWLIN均內(nèi)置了CANopen，因此，將CANopen應(yīng)用于多電機(jī)傳動(dòng)的緊密紡細(xì)紗機(jī)，不僅可獲得高性能的總線(xiàn)通訊，而且非常經(jīng)濟(jì)。