新型鋼絲圈基片卷取成型機的數(shù)字化實現(xiàn)

彭俊，惠晶

（江南大學 無錫市工業(yè)節(jié)能與控制技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫214122）

1 引言

鋼絲圈是環(huán)錠紡紗的關(guān)鍵部件，由高碳鋼絲經(jīng)多單元同步冷軋工藝壓延成型［1］。鋼絲圈基片截面的形狀如圖1所示，基片規(guī)格繁多，具有扁、薄、窄和圓弧角的特征，要求對基片在卷取和成型時保持張力恒定，等間隙整齊排列。當排列太密，鋼絲圈基片出現(xiàn)堆疊擠壓，會出現(xiàn)變形、傷邊緣；當排列太疏，就不能充分利用收卷工字料盤。因此，對鋼絲圈基片必須以恒線速度卷取，均勻整齊的排列。

圖1 某型號鋼絲圈基片截面的形狀Fig.1 The cross section of one type of traveler laminate

傳統(tǒng)的卷取成型機的卷取主軸由電動機驅(qū)動，排片與換向機構(gòu)采用復雜的機械耦合結(jié)構(gòu)與主軸硬連接。存在機械結(jié)構(gòu)復雜機械磨損大、噪音大、成型精度低、無法適應不同規(guī)格鋼絲的排片需要，改變機械參數(shù)適應性差等一系列問題。文獻［2］的方法雖可解決機械耦合的問題，但使用步進電機同樣存在精度差、高速穩(wěn)定性差、帶負載能力弱、快速啟動易失步等不足［3］。

為同時滿足高速復卷條件下，精確控制張力和排片位置，本文介紹一種新型的鋼絲圈基片卷取成型機，采用變頻調(diào)速驅(qū)動卷取機構(gòu)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動成型機構(gòu)，可以實現(xiàn)卷取軸和成型軸的機械解耦，利用RS－485總線實現(xiàn)可編程控制器（PLC）與變頻器和伺服放大器之間的通信。通過軟件編程和數(shù)據(jù)通信，無需改變?nèi)魏螜C械參數(shù)，只要利用觸摸屏修改控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，就可適應各種規(guī)格鋼絲圈基片的卷取成型，實現(xiàn)參數(shù)的柔性化調(diào)整，可以顯著簡化機械結(jié)構(gòu)，提高鋼絲圈基片的卷取成型的質(zhì)量。

2 卷取和成型系統(tǒng)控制原理

2.1 卷取系統(tǒng)控制原理

鋼絲圈基片在卷取時必須保證恒定的線速度，設當前收卷料盤的線速度為v，卷取電機的轉(zhuǎn)速為n2，標準收卷用工字料盤的直徑為D0，當前卷取層的直徑為D，鋼絲圈基片齒條的厚度為b，收卷料盤的示意圖如圖2所示。

圖2 收卷料盤示意圖Fig.2 The schematic diagram of rewinding roller

每當收卷料盤旋轉(zhuǎn)一圈，收卷料盤的直徑就增加2倍的鋼絲圈基片厚度b，當卷繞N層后，收卷料盤的直徑變?yōu)?/p>

收卷料盤的線速度v與卷取電機的轉(zhuǎn)速n2的關(guān)系為

由式（2）可知，若要保持卷取線速度v恒定，則隨著收卷料盤直徑D遞增，卷取電機轉(zhuǎn)速n2必須要相應的遞減，兩者呈反比例函數(shù)關(guān)系。卷取過程中卷取電機轉(zhuǎn)速與收卷料盤直徑的關(guān)系變化如圖3所示。

圖3 卷取電機轉(zhuǎn)速與收卷料盤直徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between rewinding motor speed and rewinding roller diameter

為了保持卷取線速度v的恒定，可以通過控制鋼絲圈基片張力的恒定間接達到控制線速度恒定的目的，使用直接張力控制，可以獲得較高的靈敏度和精確度。卷取系統(tǒng)直接張力控制原理圖見圖4。

圖4 直接張力控制原理圖Fig.4 The schematic diagram of direct tension control

卷取系統(tǒng)運行時，由外部給定1個線速度，卷取時要求鋼絲圈基片保持一致的張力通過張力測量輥，以恒定的線速度v進入收卷料盤。在牽引輥和收卷料盤之間設有張力檢測環(huán)節(jié)，張力檢測主要由張力測量輥、位移傳感器、彈簧張力機構(gòu)等組成，其主要作用是檢測鋼絲圈基片卷取時的張力，所測張力轉(zhuǎn)換為電壓值，與給定的線速度對應的電壓值作比較，經(jīng)過綜合計算與比較，其差值輸入到卷取變頻器的外部模擬量輸入端VRF，卷取變頻器就根據(jù)外部模擬量速度指令控制卷取電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)鋼絲圈基片卷取的恒張力控制，恒線速度卷取。

2.2 成型系統(tǒng)控制原理

鋼絲圈基片成型時要保持緊密排列，均勻整齊。為了實現(xiàn)成型過程較高的精度，使用伺服電機作為成型系統(tǒng)的驅(qū)動電機。成型伺服電機與卷取交流異步電機同步運行，同步控制策略主要有主從式、交叉耦合、同步主參考（SMR）、電子長軸（ELS）和相對耦合等［4］。從簡單實用角度考慮，兩電機設計成主從工作方式，即：卷取電機作為主電機，成型電機作為從電機。

在卷取電機主軸安裝高速旋轉(zhuǎn)編碼器PG，測取卷取電機M2的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換為高速脈沖串形式發(fā)送給伺服放大器，控制成型伺服電機SM轉(zhuǎn)速n3正／反旋轉(zhuǎn)，跟隨卷取電機M2主軸轉(zhuǎn)速n2，實現(xiàn)成型伺服電機與卷取交流異步電機的同步運行。在完成一層的成型后，成型電機通過安裝在絲杠左右兩端的光電傳感器自動換向。成型系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

設成型伺服電機轉(zhuǎn)速為n3，卷取電機轉(zhuǎn)速為n2，鋼絲圈基片的寬度如圖1所示為a，成型機構(gòu)傳動絲杠的螺距為l，高速旋轉(zhuǎn)編碼器PG的精度為z，z＝2 000p／r，成型伺服電機自帶的編碼器為20位，其PPR＝220＝1 048 576，減速機的減速比為i。

圖5 成型系統(tǒng)原理圖Fig.5 The schematic diagram of rewinding and forming system

成型伺服電機通過減速機連接傳動絲杠，則伺服電機的轉(zhuǎn)速n3可表示為

旋轉(zhuǎn)編碼器PG的輸出頻率f為

則伺服電機的轉(zhuǎn)速n3也可以表示成：

式中：α，β為伺服放大器內(nèi)部可調(diào)的電子齒輪系數(shù)。

由式（3）等于式（5），消去相關(guān)變量，可得：

對于一個選定的系統(tǒng)，減速比i、傳動絲杠的螺距l(xiāng)、旋轉(zhuǎn)編碼器的精度z、伺服電機自帶編碼器的精度PPR都是定值，對于式（6），假設電子齒輪系數(shù)β取值為1，則電子齒輪系數(shù)α只與鋼絲圈基片的寬度a有關(guān)。在本系統(tǒng)中，通過觸摸屏就可以設置鋼絲圈基片的寬度a，利用RS－485總線通信，無需改變?nèi)魏螜C械參數(shù)，就可以滿足各種規(guī)格鋼絲圈基片的卷取成型，實現(xiàn)了參數(shù)的柔性化調(diào)整。

3 系統(tǒng)硬件設計

PLC是整個系統(tǒng)的核心控制器，它具有體積小、可靠性高、抗干擾能力強、通用靈活與維護方便等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應用［5］。系統(tǒng)電氣控制原理圖如圖6所示。

PLC接受現(xiàn)場的操作指令、各種狀態(tài)信息的反饋及觸摸屏實時的參數(shù)修改；交流異步電機M1，M2和伺服電機SM作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，通過RS－485總線，在接受經(jīng)過PLC內(nèi)部計算處理后指令的同時，也實時的把電機的各種運行狀態(tài)經(jīng)過總線RS－4 8 5傳遞給PLC，在觸摸屏上得到直觀的顯示。

圖6 系統(tǒng)電氣控制原理圖Fig.6 The schematic diagram of electric control system

通過估算，實際的輸入輸出量I／O點數(shù)超過24點，因此，按照PLC產(chǎn)品系列進行選型，選擇三菱 FX2N系列的 FX2N－32MR 型 PLC。FX2N－32MR型PLC屬于繼電器輸出型，它的基本指令執(zhí)行時間為0.08μs，內(nèi)置的用戶存儲器為8 000步，有多種特殊功能模塊或功能擴展板。由于在本系統(tǒng)中，PLC需要和變頻器及伺服放大器進行RS－485總線通訊，因此需要配置FX2N－485－BD通信用功能擴展板。在生產(chǎn)中，設定不同規(guī)格鋼絲圈基片的寬度a、成型層數(shù)x，PLC接收光電傳感器換向信號，按式（6）編寫卷取成型的控制程序，寫入PLC內(nèi)存中，PLC就可以按照預先編寫的程序控制電機，實現(xiàn)鋼絲圈基片的恒線速卷取，緊密均勻排列。

PLC輸入端子的功能定義如表1所示，需要占用11個輸入端子，PLC輸入端外部接線示意圖如圖7所示。

表1 PLC輸入端功能定義Tab.1 The function definition of input terminals of PLC

鋼絲圈基片的卷取屬于恒功率負載，要求變頻器工作在恒功率調(diào)速狀態(tài)。因此，主軸選用三菱FR－D720S－0.75K－CAT型三相400V 變頻器驅(qū)動0.75kW的交流異步電動機，通過線速度的給定值與張力控制器的輸出值的疊加輸出結(jié)果，調(diào)節(jié)卷取電機的轉(zhuǎn)速n2，按照式（2），隨著卷取直徑D的增大而相應的減小，達到恒線速卷取的目的。同時，變頻器的PU接口具有RS－485通訊功能，可以方便地與PLC實現(xiàn)總線通信。

圖7 PLC輸入端外部接線示意圖Fig.7 The schematic diagram of external terminals of PLC

成型系統(tǒng)由高精度的伺服電機驅(qū)動，屬于小慣量系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用富士公司最新ALPAA5 Smart系列RYA401F5－VV5型單相200V伺服放大器，驅(qū)動GYS401D5－RG2型額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min，額定功率400W的交流伺服電機。伺服放大器設置為“控制”控制模式，接收高速旋轉(zhuǎn)編碼器（PG）的脈沖信號，按照光電傳感器的換向控制信號，控制成型伺服電機（SM）帶動成型機構(gòu)左右往復成型。伺服放大器的CN3口具有RS－485通信功能，當生產(chǎn)的鋼絲圈基片產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，伺服放大器可以通過RS485總線，按照式（6），實時的修改電子齒輪系數(shù)，滿足不同的生產(chǎn)要求。

系統(tǒng)選用三菱F940GOT觸摸屏作為人機界面，既可以用來實時監(jiān)控生產(chǎn)工況，還可以方便地進行產(chǎn)品參數(shù)的在線修改，而無需調(diào)整任何機械結(jié)構(gòu)，極大地提高了生產(chǎn)效率。利用GOT－F900系列觸摸屏配套 FX－PCS－DU／WIN－C組態(tài)軟件進行各種監(jiān)控畫面的設計，與PLC之間通過RS－422總線連接。當產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，通過觸摸屏就可以調(diào)整給定線速度，修改鋼絲圈基片寬度a。本設計的觸摸屏還實現(xiàn)了生產(chǎn)線的故障信息監(jiān)控，方便現(xiàn)場操作人員的維護檢修，具有良好的人機交互性。

4 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)鋼絲圈基片卷取成型機的原理及生產(chǎn)工藝的要求，確定程序的基本結(jié)構(gòu)，主要有5部分組成：PLC主控制程序、牽引變頻與PLC通訊程序、卷取變頻與PLC通訊程序、成型伺服與PLC通訊程序及觸摸屏組態(tài)畫面程序。

4.1 控制系統(tǒng)軟件設計流程圖

如圖8所示為控制系統(tǒng)的主程序設計流程圖。系統(tǒng)上電，PLC開始運行后，先對系統(tǒng)初始化，把數(shù)據(jù)寄存器和通用寄存器清零，讀入設定的給定線速度及鋼絲圈基片的寬度a等參數(shù)。檢測系統(tǒng)是否正常，正常則進行自動和手動狀態(tài)選擇，否則轉(zhuǎn)到故障報警，系統(tǒng)停機。選擇自動運行則開始生產(chǎn)線全線啟動，手動運行則轉(zhuǎn)到手動調(diào)試狀態(tài)。生產(chǎn)線運行后，程序?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)線運行情況，出現(xiàn)不正常立即進行故障報警并停機。并且，在光電傳感器控制左右成型換向時，進行成型圈數(shù)計數(shù)，達到設定的成型圈數(shù)時，程序停止運行，生產(chǎn)線自動停機。

圖8 PLC控制程序流程圖Fig.8 The flow chart of PLC control program

4.2 PLC與各外圍設備的通訊

本系統(tǒng)PLC與變頻器及伺服放大器通過RS－485總線進行數(shù)據(jù)通信，傳遞控制命令和接收實時運行參數(shù)；PLC與觸摸屏之間通過RS－422總線進行連接，接受來自觸摸屏的參數(shù)設定，并把變頻器及伺服放大器的運行參數(shù)在觸摸屏上直觀的顯示。

利用FX系列PLC自帶的外部設備命令及一些特殊的輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，可以方便地實現(xiàn)PLC與外部設備的通訊［6］。

當系統(tǒng)選用無協(xié)議通信方式時，為使PLC與外部設備進行RS－485通信，必須設置波特率、停止位、奇偶校驗和數(shù)據(jù)長度等通信參數(shù)，可以通過特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120來設置串行通信格式，如表2所示。

本設計選用的數(shù)據(jù)位為8位，偶校驗，1位停止位，波特率為19 200bit／s，故D8120設定為0C97A。

表2 D8120通訊參數(shù)設置Tab.2 The communication parameters setting of D8120

通過特殊輔助繼電器M8161來選擇數(shù)據(jù)處理格式。當M8161設為0時為16位模式，當M8161設為1時為8位模式。本設計選擇8位模式。設置好相關(guān)的參數(shù)，用串行通信指令RS存儲到D8120中，外圍設備設置好一致的通信參數(shù)，按照通信協(xié)議就可以進行相互通信了。

5 結(jié)論

本文針對鋼絲圈基片卷取的工藝要求，利用先進的變頻控制和高精度伺服系統(tǒng)，設計了一種新型的鋼絲圈基片卷取成型機，改變了傳統(tǒng)鋼絲圈基片卷取成型機構(gòu)的機械耦合傳動模式，克服了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)復雜、噪音大、磨損嚴重等問題；采用高性能PLC作為核心控制器，提高系統(tǒng)在復雜工業(yè)環(huán)境中的可靠性；采用高精度伺服電機成型，進一步提高成型的精度，滿足生產(chǎn)工藝的要求；利用觸摸屏進行參數(shù)設置，簡化硬件電路連接，實現(xiàn)參數(shù)的柔性化調(diào)整。系統(tǒng)具有控制精度高、操作簡單、運行平穩(wěn)、無噪音等優(yōu)點，可以實現(xiàn)各種規(guī)格的鋼絲圈基片的恒線速卷取，均勻緊密成型。

新型鋼絲圈基片卷取機使卷取線速度由原來的120m／min提高到200m／min，可以滿足0.6～3.6mm寬度鋼絲圈基片的卷取成型，實現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)字化和自動化，具有廣泛的應用前景，稍加改進和調(diào)整，就可以直接應用到造紙、包裝、線材、印染等不同領(lǐng)域的卷取成型控制。

［1］劉榮清.鋼領(lǐng)、鋼絲圈對細紗斷頭和毛羽的影響［J］.紡織器材，2007，34（4）：303－307.

［2］惠晶.繞線機步進驅(qū)動自動控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2005，35（8）：56－59.

［3］程明.微特電機及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］Chen Shuping，Zhang Kuan，Zhang wei，et al.Design of Multi－motor Synchronous Control System［C］∥Proceedings of the 29th Chinese Control Conference，Beijing，China，2010：3367－3371.

［5］郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應用技術(shù)［M］.南京：東南大學出版社，2009.

［6］廖常初.FX系列PLC編程及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.