紡織機械的自動控制技術

周志輝，林 燕

(1.天津工業大學, 天津 300160; 2.國防科技大學, 湖南 長沙 410073)

隨著科技的發展和市場競爭的激烈，作為給紡織行業提供技術裝備的紡機行業面臨著技術上的挑戰，如何提供更加靈活、更高質量、更快響應的紡織機械來充分滿足紡織工藝的要求，成為時代賦予紡機行業的重任。近十多年來我國紡機行業自動化水平有了明顯的提高，在新型紡織機械上普遍采用了自動化技術，其內容包含了先進的信息處理和控制技術，即以計算機為核心，由PLC、工控機、單片機、人機界面、現場總線等組成的控制系統。先進的驅動技術有變頻調速，交流伺服，步進電機等，還有檢測傳感技術和執行機構等。現代控制技術和信息技術正成為推動紡織機械自動控制技術發展的主要驅動力。

1 紡織機械主要自動控制技術

近十年來，紡織機械自動控制技術應用水平有了較大的進步，幾乎用到了所有種類的自動化產品，主要包括控制、傳動控制、運動控制、現場總線、人機界面和傳感器。(1)控制：PLC、PCC、IPC、FCS、DCS、專用控制器等。(2)傳動控制：直流調速系統、交流變頻調速系統、開關磁阻電機、多單元同步系統等。(3)運動控制：伺服、步進、運動控制器。(4)現場總線：Profibus、Can等。(5)人機界面：文本顯示器、圖文終端、觸摸屏等。(6)傳感器：光電傳感器、電磁傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、圖像傳感器及各種工藝參數傳感器。其中PLC、單軸獨立驅動、多單元同步控制、基于網絡技術的數據通訊和在線檢測等技術，得到了廣泛的應用。

1.1 數字化紡機技術

早在2002年就有紡織機械集團提出了“發展數字化紡織機械，推動紡織企業信息化”的經營理念。現在數字化紡織機械的概念已被紡機行業認同，業內主要企業紛紛打出了數字化的旗號。“數字化紡織機械”的主要技術理念首先是數字化的控制技術，就是以CPU為核心的控制器、以現場總線為主的工業通訊技術、以電力電子技術為基礎的現代驅動技術的綜合應用。其次是設備數據的高速采集和傳送，從而達到產品能級的提高并解決紡織企業信息化建設中設備數據的瓶頸制約因素。

(1)可編程控制器

可編程控制器(PLC)是以繼電器技術為基礎，綜合ICT技術，以程序化方式實現設備的電氣控制，在紡織機械應用最為廣泛。PLC能提供高質量的輸入輸出和極佳的實時監控能力，特別是它的可靠性已經得到充分肯定。能夠提供多種現場總線、可擴展性及遠程I/O已經成為一些主流紡機廠商選擇PLC的關鍵衡量標準。紡織工業控制器中，值得重點關注的技術指標是速度、可靠性和實時性。正如以高效短流程嵌入式復合紡紗技術為代表的自動紡紗技術取得的革命性突破，為行業升級帶來了新希望。

(2)現場總線控制技術

現場總線控制層是各種生產信息的來源。各種棉紡、織造、印染機械的控制器只要具有現場總線通訊接口，通過適當的編程，就可以將機械的運行數據實時傳送到監控系統。數字化的紡織機械采用現代先進的控制技術：以CPU為核心的控制器，以電力電子技術為基礎的新型驅動技術，以現場總線技術為代表的網絡及高速數據通訊技術。實現數據的實時準確采集和高速傳輸，實現分布式、現場化和抗干擾性能的提高，實現生產過程的自動化、智能化，完成紡織機械與現代先進控制技術的結合，為紡織企業的信息化設備層打下堅實的基礎。

1.2 以電力電子技術為代表的新型驅動技術

隨著電力電子技術的發展，各種新型驅動技術在紡織機械中得到廣泛應用。變頻調速、單軸驅動多軸同步、伺服等傳動技術在紡織機械領域大顯其能。紡織機械使用的各種驅動系統和電機主要包括：變頻器+交流異步電機、變頻器+交流同步電機、交流伺服電機、直流無刷電機和開關磁阻電機。基于較多的紡織機械為多單元重復結構，如化纖紡絲機等，為實現機械動作的協調一致性，紡織機械還應用了變頻調速技術。

隨著科技的發展，紡織機械傳動技術有了較大的發展，主要表現在：單軸獨立驅動和多軸同步控制技術(例如四軸驅動粗紗機、自動絡筒機和多電機驅動劍桿織機等)、伺服驅動技術(如在紡機中很普遍的卷繞機構的反向驅動控制)、共直流母線技術。

(1)交流伺服技術

一般的伺服系統包括伺服驅動裝置、伺服電機和檢測裝置三部分。在伺服系統中，交流伺服運動控制系統是最大的一個分支，它是一個結合電機學、自動控制、電氣技術、機電一體化、計算機控制于一體的綜合系統。在生產實際中，使用交流伺服運動控制的產品，能夠解決各種復雜的定位控制問題。

在交流伺服運動控制產品的發展過程中，它始終是融合了先進的機電一體化技術和控制理論。最近幾年來，國內外各個廠家都相繼推出了交流伺服運動控制的新技術和新產品，比如全閉環交流伺服驅動技術、直線電機驅動技術、PCC技術、基于現場總線的交流伺服運動控制技術、運動控制卡、DSP多軸運動控制器等。

紡織設備上應用交流伺服技術是為了提高設備的性能，滿足高精度控制的要求，目前已有高檔梳棉機，帶自動調勻整的并條機、新型粗紗機、數控細紗機、分條整經機、漿紗機、圓網印花機等設備應用了交流伺服。伺服技術在紡織機械中的應用廣泛，為紡織業的高速發展提供了可靠的技術保證。從上世紀90年代初期至今，紡織技術進步主要是依靠變頻化、PLC化。只有少量紡織機械采用了高檔伺服技術，用于提高精度和效率，無梭織機上已經開始采用帶交流伺服的電子送經和電子卷取，印染設備上也要用到伺服系統。

(2)步進電機系統

步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號)，但在使用性能和應用場合上存在較大的差異。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用也十分廣泛。交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面因素。

(3)交流變頻調速技術

變頻調速器幾乎應用于紡紗機械的各個工序中，包括開清棉機、梳棉機、條卷機、精梳機、并條機以及粗紗機、細紗機和絡筒機等。對于織造機械則有漿紗機、整經機等。另外針織機、無紡布、化纖機械、印染機械上也大量使用了交流變頻調速器。近年來隨著紡織機械機電一體化技術水平的不斷提高，交流變頻調速已成為一種趨勢。在大多數新開發的紡織機械產品中幾乎無一例外地應用了交流異步電動機變頻調速裝置。由于利用變頻調速器去掉了成形機構中的成形凸輪，進而克服了由于成形凸輪所造成的桃底有停頓、桃頂有沖擊的現象，使得細紗卷形狀良好，以便于下一道工序的高速退繞。通過PLC的控制，再經低壓變頻器可實現多電機的同步協調運轉。同時可利用變頻調速器控制三十九主電機的變速來控制錠子的轉數，使得細紗在大、中、小紗時轉速在變化，以減少紗的斷頭率。

2 自動控制裝置在紡織機械上的應用

由于紡織行業工藝復雜、流程較長，對于不同種類的紡織機械，其自動化需求也呈現出多樣化，不同自動控制裝置在不同紡織機械上能發揮出相應的應用價值，提高紡機的性能，以滿足紡織行業的迫切需求。

2.1 梳棉機

高產梳棉機吸塵的風量和風壓對生條質量影響很大，生產過程中產生的塵屑、短絨不僅影響生條質量而且還影響生產環境，為此隨著產量的提高，機上負壓吸點已發展到包括道夫三角區、刺輥分梳板、錫林前后固定蓋板、蓋板倒轉剝取的蓋板花等10多個，并已普遍實現機臺全封閉。

高產梳棉機具有產量高，生產質量好的優點，高精度高耐磨度分梳元件、優化梳理速度、高水平制造加工手段、電子計算機技術、傳感技術、變頻技術在清梳聯系統中很好地與開清棉技術一起完成對原料的開松、除雜、梳理任務，生產出雜結少、條干均勻的生條供應后續工序。

國外自調勻整裝置有開環、閉環和混合環幾種。近年來有些新機采用微機來控制自調勻整裝置，提高高速時的控制效果，特別可以消除滯后現象。立達(Rieter)的C4-A型梳棉機釆用混合環式自調勻整裝置，用閉路循環方式，釆用一對階梯羅拉檢測實際數值，通過調控給棉羅拉速度來控制長片段勻整；短片段勻整釆用聯控制形式(擾動可變補償)，即在出口處稱量棉網重量，超過標準立即調整，對控制過程的干預作用也是通過給棉羅拉調速完成。立達研制成的C.I.S.紡紗自動化生產線，在清鋼工序中釆用Aero-feed散棉喂給裝置，再用ABC-Control型處理機控制清鋼連續化、自動化生產線，操作人員可以通過VDU彩色圖表管理機臺，取代了開棉、清棉和梳棉的人工中心控制，具有控制、監視、報警和記錄等多種功能。

根據高產梳棉機梳理技術發展趨勢，進一步實現梳棉機自動控制是今后重要方向之一，未來在線監測系統與自動調節系統形成封閉式專家系統，梳棉機上一些工藝條件，可根據在線檢測數據經電子計算加工后發出指令，執行機構可立即自動進行調節或工作。

2.2 并條機

并條機自動化內容很豐富，其中自調勻整是一個很重要的課題。自調勻整是指實現棉條條干均勻，紗的粗細一致，否則織布時細的地方容易出現斷頭。基于以上情況，如果條干過粗或過細，需要利用設備檢測出來并對執行機構及時調整，以達到符合要求的標準和指標。自動調節的過程首先通過檢測，再經計算機運算，然后運用交流伺服來執行，從終端的傳感器檢測，到負責執行的伺服電機，此過程中需要一系列自動化機制來運行，難度很大。由于國產的同類產品在水平上仍存在相當的差距，所以這套設備目前仍以進口為主。從成本上看，自調勻整裝置的價格幾乎占整機價格的一半，是整機中成本相當集中的部分，如果國內研發的自調勻整裝置品質能夠得到提升，更好地滿足要求，那么整機成本就有望在很大程度上得以降低。

2.3 細紗機

在細紗機的落紗環節方面，以前用人工換管，斷頭也需要人工去接。每臺細紗機的錠數從原來的400個發展到目前的1 000個，如果仍用人工換管，不但斷頭多，而且效率低，生產人員的勞動強度更大。另一方面，造成斷頭的主要原因是由紗管形狀和紡紗張力決定的，要求能夠做到及時調速。這一環節傳統上采用雙速電機，但效果并不好，如果使用變頻器，配合PLC設定為最佳的運行狀態，就可以有效地減少斷頭。

2.4 粗紗機

粗紗機的作用是將熟棉條進行拉伸形成粗紗，以進一步增加取向和分離度，利于后道細紗機的加工。粗紗機也主要采用PLC控制，人機界面使用觸摸屏或者文本顯示器，傳統粗紗機采用一個電動機通過多種傳動機構分別傳動牽伸羅拉、錠翼、筒管及升降機構，其中羅拉與錠翼為定速，筒管和升降機構由于粗紗卷繞直徑增大而為變速，使用錐輪實現。傳統粗紗機的典型傳動方式是采用軟起、電磁剎車和機械機構，結構復雜，維護量大，產品的粗細結無法根除。新型粗紗機采用多電機獨立變頻傳動，電子齒輪同步的方式，取消錐輪，能有效地減少粗細結問題。

2.5 絡筒機

絡筒機的作用是將小的細紗筒子連接并卷繞形成大的紗筒，同時清除粗細結、毛羽等疵點，屬于織造的前道工序。絡筒工藝中張力控制、紡疊和成形是控制關鍵，直接影響到加工效率和產品質量，此外，接頭、換紗也是絡筒過程中的關鍵，目前的絡筒機都使用了自動接頭，人工或者半自動換紗。絡筒機使用小型PLC控制，定子傳動多采用直流永磁電機，功率一般在幾十瓦。絡筒機的技術趨勢是單錠獨立傳動。

近年來，隨著人們審美意識增強和生活水平的提高，高檔色織產品愈加受到人們喜愛。不僅真絲綢，化纖、人造絲、混紡紗和棉紗等也可采用色絲織造，這就促使紗筒染色工藝在色織行業獲得廣泛應用。一般紗筒染色前需要將外購的坯紗絡成適合于筒子染色用的“松式筒子”供下道工序用，因此松式精密絡筒機的需求日益增加。

國內現有的松式絡筒機整機結構一般采用單錠集中傳動方式，通常包括卷繞、導紗、超喂等幾種運動，采用機械齒輪和凸輪機構完成，針對各種紗線不同的絡筒工藝，設備調整比較困難；導紗機構采用的是槽筒和旋轉翼片，對一些高檔紗線易產生損傷；同時由于采用的是機械傳動結構，卷繞速度不高。目前國外這種松式絡筒機已經完全采用基于電子齒輪和電子凸輪的全數碼卷繞結構，即單錠獨立傳動；由于各電機在機械上沒有直接的傳動連接，輔以高速精密運動控制軟件算法，可以很方便地實現高速精密交叉卷繞，絡紗速度遠大于機械式松式絡筒機，大大提高了絡紗效率。

2.6 無梭織機

自動化技術的推廣應用，使無梭織機的技術和品種適應性不斷創造新水平，使織機操作實現了自動化，如開關車的程序控制，定期自動加油，利用微機自動收集、顯示織機的各種生產參數和運行情況，包括速度、產量、效率、停臺及原因分析、織軸經紗存量、在機織物卷裝等等，因而提高了管理水平，提高了生產效率；電子送經和電子卷取組成了經紗張力的自動控制，基本上消除了緯向疵點；電子選色，微機自動變換織紋組織，集中改變織物圖形，通過單機和中心控制臺的雙向通訊還能實現群控；有些機型還能自動排除緯向疵點。

2.7 織物疵點檢測

織物疵點的自動檢測技術是近年來國內外學者共同關注和研究的熱門課題之一。隨著計算機技術、數字圖像技術和神經網絡技術的不斷發展，使得基于圖像處理的織物疵點自動檢測技術成為可能。織物疵點自動檢測過程包括織物圖像采集、圖像預處理、圖像分析處理、織物疵點檢測分類、檢測結果統計分析等階段。小波變換是由短時傅里葉變換發展起來的應用數字分支，具有多尺度的特點以及時域、頻域表征信號局部特征的能力。小波變換能夠將各種交織在一起的頻率組成的混合信號分解成不相同頻率的塊信號，能有效地應用于模式識別，特別適用于織物疵點檢測。織物疵點是由于織造過程中經緯紗不規則交織造成的。在疵點形成的局部區域內，其紋理特征明顯不同于正常織物組織結構紋理。基于這些差異，應用小波變換既能獲得局部信息又能在時域和頻域上同時實現任意尺度和角度變換的檢測特性，檢測織物疵點。

3 紡織機械自動控制技術的發展方向

除了上述介紹的已經廣泛應用于紡織機械的自動控制技術外，還有一些新的自動控制技術也將逐步用于紡織機械，進一步提高紡織機械的性能，使紡織機械逐步邁向自動化新高度。

3.1 高性能伺服驅動器

變頻調速在紡機領域已經得到廣泛應用，伺服技術將是下一階段紡織機械向多軸化發展的技術基礎。可以預見，小功率伺服驅動器在單錠(軸)驅動方面會有很大需求。

紡織機械對驅動器的要求體現在：伺服和變頻的逐漸融合是必然趨勢，這種驅動器需具有靈活的可組態工作方式，如速度控制、位置控制、轉矩控制等靈活切換；具備現場總線接口，能夠完成多軸同步控制和同上級控制器的通訊任務，并提供不同總線的可選件；支持共用直流母線技術，多個逆變器共用一個大功率整流器，提高工作在發電狀態驅動軸的能量反饋效率；驅動器附加PLC和I/O功能，可完成一定的運算和邏輯控制，使驅動器演變成一個底層控制驅動單元，實現分散、現場的控制方式；能否提供豐富的軟件和調試工具成為選擇驅動器的一個重要考量指標。

由此可見，滿足紡織機械高速往復運動的伺服驅動器和電機，將會有很好的市場。

3.2 以太網技術成為現場總線主流

現場總線無疑是現代工業控制技術發展中最令人振奮的技術之一。它突破了控制器高速運算能力同驅動器信息交換的瓶頸，又大幅提升了工業通訊的可靠性。伴隨著現場總線技術的應用，有必要改變某些傳統控制方式，充分發揮高速通訊能力以完成更高的控制要求。

控制器和驅動器的供應商已開始提供適應多種現場總線的可選件。通訊的開放性和可選件合理的價格是客戶選擇供應商的重要條件。

工業以太網技術必將成為現場總線中的主流技術和發展的關注焦點。從技術的發展來看，以太網技術將很快并廣泛的直接用于設備層，這將給工業自動化帶來巨大變化。

3.3 紡機控制系統定制化

面對競爭日益激烈的紡機市場，雷同化的控制系統阻礙了技術的保密和進步。可以斷言，客戶定制化的控制系統將得到快速發展，這是因為紡機企業有需求，技術上有可能。針對特定客戶定制的控制和驅動系統，能有效的保護紡機企業的技術秘密，凸顯企業特色。

3.4 紡機遠程診斷技術

中國的紡機市場吸引著全世界的紡機企業，中國的紡機企業也在大步走向世界。客戶要求和競爭地域的變化，帶來的新課題是如何為客戶提供迅捷的技術服務。解決這個問題的方法，就是在實現紡織機械數字化的基礎上，通過有線或無線的技術手段實施遠程診斷。

4 我國紡織自動控制有待提高

降低生產成本、提高生產效率、改善產品質量是紡織企業普遍關心的問題，自動化技術、計算機技術及網絡技術的迅猛發展為傳統的紡織工業提供了良好的技術支持，實現了紡織生產過程各參數的在線檢測、顯示、自動控制和自動調節，實現了設備運行的自動監測、顯示、超限報警等功能，也正好為解決這三個問題起到了關鍵作用，有效保證了產品質量和減少用工數量，提高了紡織企業的效率，增強了產品競爭力。隨著紡織機械的技術升級，自動化的重要性不言而喻。

但我國紡織機械自動控制技術的應用與發達國家相比仍然存在較大的差距，工業和信息化部發布了關于紡織機械工業結構調整的指導意見，意見指出：紡織機械工業“兩化”融合水平較低，紡織機械設計制造集成化、模塊化、自動化、信息化的應用還不普遍，產品自動控制水平較低，信息化和工業化有機融合水平亟待提高。比如紡織行業一個很重要的指標是“萬錠用工”，萬錠用工人數越少，表明紡織生產線的自動化程度越高。由于目前我國紡織機械自動化程度仍需提升，所以在這一指標上與國際先進國家，甚至與一些發展中國家的生產線相比，仍然存在著不小的差距。

我國紡織機械自動控制技術的發展存在的不足表現為：技術水平有待提高；創新能力不足，缺少具有自主知識產權的核心技術和產品；產品技術含量低、附加值低，高檔產品不能替代進口；品牌競爭力不足；環保與清潔生產技術落后。

由此可見，我國必須加大紡織行業自動控制應用基礎科學研究和自動化應用技術開發創新，加強產學研結合及紡織自動控制與相關產業的聯合。通過實施紡織裝備、工藝自動化創新，推進全行業科技進步和產業升級，促進增長方式轉變，為紡織行業自動化控制技術的創新能力達到國際先進水平奠定堅實的基礎，從而做大做強中國紡織業，振興傳統產業。

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