基于PCC控制器的磨毛整理機電控系統設計

　　1前 言

　　目前國內外染整設備技術發展總的趨勢是向環保、綠色、節能、低耗、高效、智能化方向發展。磨毛整理機的發展僅有幾十年的歷史。以德國、意大利為主的一些高檔超柔軟磨毛整理機誕生于上世紀90年代，到今天已經形成了廣泛應用計算機控制等高新技術的發展趨勢。隨著電子技術的迅猛發展，國內磨毛機技術的進步也相當的快，新一代磨毛機研發于21世紀初，但到目前為止其技術水平和國際最先進磨毛機尚有一定差距 。國內外磨毛機產品的技術現狀對比分析如表1.1所示。

　　表1.1：國內外磨毛機技術的研究開發現狀對比

　　織物的張力 是織物與磨毛輥接觸松緊度的表現。在磨毛過程中,布面張力越大,布面與磨毛輥接觸越緊密,磨毛效果越好。但張力不能過大,否則織物強力下降也越多,影響織物性能,使磨毛效果變差,出現布面發花、絨毛不均勻,導致磨柳等疵品。織物保持恒定的張力可避免出現表面絨毛出現裂縫等瑕疵，所以在高速運行的磨毛機上，實現織物的實際張力保持恒定非常關鍵。

　　2磨毛機主要工作單元

　　圖2.1磨毛機主要工作單元構成

　　(1)進布輥(2)前導輥(3)后導輥(4)上導輥(5) 出布輥

　　(6)錫林(7)左磨輥(8)右磨輥(9)可調速擴幅輥(10)不可調速擴幅輥

　　其中進布輥、前導輥、后導輥、上導輥和出布輥為導布系統輥，是由伺服系統控制。錫林、左右磨輥和可調速擴幅輥由變頻控制。不可調速擴幅輥跟隨可調速擴幅輥啟動、停止。

　　張力控制過程為：以織物張力為控制量，以導步輥轉動速度為控制量建立恒張力閉環控制子系統。PCC通過模擬輸入端口實時接收張力傳感器檢測回來的值，從而判斷各處張力大小，根據張力設定值，運用PCC內部的PID控制算法，計算出伺服電機轉速變化量，通過高速脈沖輸出端口發送脈沖信號給伺服驅動器驅動電機旋轉，保證運行過程中系統張力恒定。

　　3電控系統框圖

　　本項目的電控系統主要由觸摸屏、PCC控制器、張力傳感器、伺服控制系統、變頻控制系統這5個部分組成 。其系統控制框圖如圖3.1所示。

　　圖3.1 磨毛機電控系統總體框圖

　　本項目中電控系統設計的核心主要是保證織物在正常運行過程中的張力恒定，通過張力傳感器檢測和織物進布速度的閉環控制，用通訊方式同步，實現恒張力的實時控制以及多電機之間的同步協調運動。即采用多軸傳動張力控制系統，設計能夠反應真實變化的張力采樣方式，在運行過程中織物的實時張力通過4個張力傳感器進行檢測，然后與設定的張力值進行比較， PCC內部的PID模塊對實際張力進行自動調整，保證織物在運行過程中張力恒定。其觸摸屏采用的是B&R Power Panel 300 embedded，伺服電機采用的是B&R 8MS同步伺服電機。

　　4基于PCC的軟件框架設計

　　系統軟件采用模塊式編程，軟件部分主要由“PT界面設計”、“主從通訊”、“變頻器控制”、 “伺服電機控制”及“張力調節” 等模塊組成。這里主要介紹張力調節模塊的設計。

　　4.1 PCC控制的軟件框架

　　開關量和4個伺服的控制程序及驅動程序等在PCC中編寫。PCC的軟件框架圖如圖4.1所示。

　　圖4.1 PCC的軟件框架圖

　　4.2 PCC的軟件框架

　　上導伺服5和4個變頻器的控制程序放在PCC中編寫。PCC的軟件框架圖如圖4.2所示。

　　圖4.2 PCC的軟件框架圖

　　4.3張力調節模塊設計

　　由于伺服控制系統不僅能控制速度，還能控制位置，與變頻調速相比，伺服控制更精確、可靠。所以本設計中張力調節控制采用的是伺服控制系統，其控制軟件采用PCC的內置PID調節 。

　　4.3.1 PID控制系統框圖

　　PID調節器由比例調節器(P)，積分調節器(I)和微分調節器(D)構成，圖4.3所示為PID控制系統框圖。

　　圖4.3 PID控制系統框圖

　　圖中R為設定的期望值，Y為控制變量，S為實際輸出值，e為控制偏差值(e=R-S)。

　　工作原理：直接采用PCC里面具備的PID指令編程模塊，從模擬量輸入通道獲取指定的張力信號--->AD--->張力數字量--->進入PID模塊，按照設定參數(比例系數、微分時間、積分時間等)通過PID計算---->調整后的張力值，將運算結果放到輸出通道。通過公式轉換計算出調整后的頻率值。

　　4.3.2 PID控制算法

　　PID控制是根據給定值R(t)與實際輸出值S(t)之間的偏差e(t)來進行控制的。將偏差的比例 (P)，積分(I)，和微分(D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制 。

　　PID控制算法的基本運算式如下：

　　將各變量用數字量表示，公式如下：

　　在張力控制中，綜合考慮PCC的運算速度和伺服控制系統轉速以及控制精度的要求，采樣周期設為200ms。

　　式中SK為第K次伺服電機輸出脈沖頻率，控制伺服電機的速度。SK-1 為上一次脈沖輸出頻率值。

　　△ek為實際輸出的脈沖數和應該要輸出的脈沖數之差。

　　△ek= ek- ek-1為第K次采樣所獲得的偏差數。

　　△ek-1= ek-1- ek-2為第K-1次采樣所獲得的偏差數。

　　Kp,Ki,Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。

　　實際調試過程可對Kp,Ki,Kd進行調試，選定合理的值，保證偏差控制在合理的范圍之內。

　　4.3.3 張力控制程序流程圖

　　張力控制程序流程圖如圖4.4所示。

　　圖4.4 張力控制程序流程圖

　　首先張力傳感器的值被傳送到PCC的模擬輸入通道，通過模擬量轉換為數字量，之后可以先進行張力預緊，使運行前各張力達到設定值的70%左右，以免全機啟動后張力立即松掉。

　　全機啟動后，伺服和變頻控制系統由0開始加速運轉，進行加速過程中張力的實時控制。在加速15s后系統進入勻速運轉階段，此時，加速張力控制關閉，開啟勻速狀態張力控制來實現勻速狀態下張力的實時控制。在勻速狀態改變設定值，就進入加速或減速狀態，時間為5s。張力控制采用傳統的PID控制。全機停止時，開啟減速張力控制，直到機器停止。

　　5 結束語

　　本設計主要從控制系統工作原理、硬件結構及軟件模塊設計等方面探討了磨毛整理機電控系統。采用PCC作為核心控制單元，將導布系統用伺服控制系統代替變頻控制系統后，使磨毛機運行過程中各張力值更加穩定。實現了技術突破，大大提高了生產效率和系統穩定性。織物經磨毛機加工后，手感柔軟滑爽，絨毛短勻，有的織物可達到觀之無毛摸之柔爽的效果，極大的提高了織物的附加值。