梳棉機自調勻整器探討與應用

曲學忠

（青島宏大紡織機械有限責任公司，山東 青島266101）

目前清梳聯工藝流程日臻完善，因其用工少、產量高且占地面積少等優勢已被棉紡廠廣泛認同和使用，在清梳聯流程中淘汰了成卷過程，梳棉機自調勻整器從而承擔起了對生條重不勻的控制。因此，在清梳聯工藝研究的初期，梳棉機自調勻整控制裝置也得到重視并一同進入有針對性的研發。

1 梳棉機自調勻整器的作用

采用清梳聯工藝流程后，原棉通過管道由棉箱直接喂入梳棉機，經棉箱開松后喂入的延棉因縱橫向的波動，單位時間內喂入梳棉機的喂棉量產生差異，直接導致生條重量不勻的差異。實驗發現因受清梳聯供棉系統穩定性和棉箱差異的影響，梳棉機在不加勻整裝置的情況下，生條的重量不勻率（CV%）一般在4%～8%之間，遠遠達不到97烏斯特公報CV%值2.5%以內的要求，因此必須對延棉的喂給量進行實時控制，以控制生條重量不勻。

針對延棉波動導致條重不勻這一因素，對電機轉速實施自動調節控制，通過改變牽伸的方式，將生條的重量不勻控制在理想的范圍內，這一過程被稱為勻整過程，該控制裝置被稱為自調勻整裝置。

2 自調勻整器的控制形式

自調勻整器的控制形式是根據檢測和執行機構的位置來決定的，一般包括長片段控制、短片段控制和超短片段控制及開環、閉環、混合環控制等形式。

2.1 長片段控制

根據給棉羅拉與給棉板的初始隔距，事先設定給棉羅拉位移傳感器的初始值，以理想棉層厚度喂入時產生的位移值作為設定比較值，當位移傳感器檢測到棉層在理想棉層厚度基礎上發生縱橫向波動時，通過改變后部給棉羅拉的轉速，以調整牽伸形式改變喂給量，實現棉條重量不勻的調整。它的特點是反應快，缺點是滯后調整。因為在調整前，已儲存在整個梳理區內的棉量已無法改變。該區域存儲棉條的長度可用一個簡單的方法進行測量：在延棉處撒上彩色的粉末做標記，當帶標記點的棉層喂入給棉羅拉的瞬間，將輸出端的棉條扯斷作為計量長度的首端，直到帶彩色標記的棉條在檢測點出現時，再扯斷將其作為計量長度的末端，測量首末段長度即為失調長度，該區域也是大家常說的調整死區，死區長度的計算與梳棉機結構的不同和梳理區長度有很大影響。

長片段控制也被稱為開環控制，因為在棉條，輸出點未設置條重結果驗證檢測，不能進行信息反饋，無法對喂入量進行補充修正，是一種開放的控制形式，只能通過調整外部補償和給定值進行調整，特別是外部擾動及梳理過程中因棉網脫落等因素造成的重量不勻無法有效監控，因此可靠性、穩定性較差。

2.2 短片段控制

短片段控制檢測點一般設在棉條輸出羅拉處，輸出羅拉直接由單獨電機傳動，當棉條通過時，通過檢測點處的位移傳感器檢出的位移量與標準棉條設定值的偏差量來調整電機的轉速，不斷調整輸出羅拉牽伸方式，實現棉條重不勻的調整。它的不足是中短片段條干CV%較差，目前很少被采用。

2.3 超短片段控制

超短片段控制是將檢測點進一步后移至圈條器上的小壓輥處，一般在要求高產，且大壓輥輸出端是大定量條重并帶預牽伸的圈條器上使用，通過檢測條重的變化，改變圈條器上電機的轉速，實現實時變牽伸調速，該控制類同于并條機勻整控制，可被理解為超短片段控制方式。

2.4 閉環控制

為解決開環控制的不足，在棉條的輸出端（階梯羅拉處）增設位移傳感器，設定標準條重時的位移量為給定值，當檢測到條重發生變化時，傳輸至控制單元，對喂給量進行補充調整。但是該調整方式因其滯后性仍然不能解決死區內棉條的條重。對檢出及控制的處理時間要設置得當，否則將產生超調和震蕩波，勻整效果惡化，因此，在勻整控制過程中，前環檢測參與實時控制僅占20%左右。但通過合理的軟件編程設計，該方案對本機臺和機臺間的外不勻起到了非常有效的控制效果，是目前應用較為廣泛的一種控制形式。

2.5 混合環控制

自動化控制原理中的混合環控制，一般是由電壓、電流、速度及溫度等多變量反饋、參與調整，以滿足輸出穩定的控制過程。而在勻整控制系統中，混合環控制是在閉環控制的基礎上，將棉箱單元納入此控制環節，進一步改善棉箱輸出延棉的穩定性和連續性。如通過棉箱內設置壓力傳感器，檢測棉箱儲棉量的動態變化，或通過梳棉機給棉羅拉的轉速及棉層的變化，實時控制棉箱給棉羅拉的轉速，保持原棉連續喂給，達到棉箱穩定輸出延棉的目的。

該方案成本增加較大且參數調整環節多，改善效果不明顯。實際上棉箱如同儲水池，保持一定的棉花儲有量和壓力即可，實踐證明勻整器對棉箱給棉羅拉的控制改善效果不明顯。

3 自調勻整裝置的基本控制原理及組成

梳棉機自調勻整控制裝置的任務是按工藝要求給梳棉機喂入恒定的纖維量，以保證棉條均勻。為了改善棉條的均勻度，勻整系統根據棉層厚度的變化，控制給棉羅拉轉速，不斷改變給棉羅拉與道夫的牽伸值。速度牽伸的改變，帶動單位長度棉層重量與棉條重量之比的改變，從而實現棉條重量不勻的調整。

勻整裝置由控制單元（中央處理器）、外部檢測單元（傳感器、接近開關）、驅動裝置（調速器）、執行機構（電動機）等組成。

3.1 檢測單元及功能

檢測信號的準確拾取對條重控制結果的影響至關重要，是控制調整的重要依據。

3.1.1 棉層波動的檢測

根據棉層喂給方式確定檢測方式。

（1）逆向給棉方式：給棉板固定，給棉羅拉在給棉板的上方，給棉羅拉通過加壓可上下移動。當棉層通過給棉板和給棉羅拉之間發生縱向（上下）波動時，給棉羅拉上下移動，設置在給棉羅拉兩端（左右）的兩只位移傳感器分別將位移信號轉換為電信號，傳送至控制單元進行分析處理，控制給棉電機速度。棉層橫向的波動（左右兩端棉層厚度的差異），則通過左右兩只傳感器的檢測值取平均的方式進行處理。

（2）順向給棉方式：給棉羅拉固定，給棉板在給棉羅拉的上方，給棉板通過加壓后可根據棉層波動產生位移，通過設置在給棉板處位移傳感器檢測到的位移變化，控制給棉電機速度。為了準確地檢測棉層的波動，早期特呂茨勒公司生產的梳棉機的給棉板采用琴鍵式分段（8段）設計結構，對棉層橫向斷面分8段進行檢測，位移變化取平均值后送至控制單元進行調整，類似于目前成卷機后部的重錘檢測原理。該給棉板因加工制造復雜，維護調整不便，隨著棉箱延棉輸出的改善，該結構已不再被采用。

后部位移傳感器還可設置棉層厚度極限喂給量位移值的閾值，起到檢測異物作用，當檢測值超過閾值時可及時停止喂給，避免設備擠壞。

在棉層波動的檢測過程中，位移傳感器只是起到棉層經過給棉羅拉及給棉板時位移變化量的信號檢出作用，變化量的準確性完全取決于整個后部的喂給部件，因此給棉羅拉、給棉板不僅僅是完成機械結構中對棉層的壓緊、握持、轉移功能，同時也是勻整器檢測部件的重要組成部分，必須兼顧勻整器檢測部件的功能，其結構設計、加工精度及安裝能夠達到棉層變化信號的準確檢出的要求。

隨著梳棉機產量的提高，為保證給棉羅拉的有效握持喂給，國內有些機型的梳棉機的給棉羅拉包覆了鋸齒型針布，由于針布高低針的影響，對設定給棉羅拉和給棉板的初始隔距在橫向勢必產生差異，即便是保證了針高的一致性和羅拉的表面直線度，但初始隔距對應電器的初始值已發生了變化，電氣的初始值變為針高值加給棉羅拉和給棉板的初始隔距，光羅拉可對延棉在300～730 g／m2的波動范圍內進行有效勻整。羅拉包針布后，在針高加初始隔距的棉層厚度內，棉層的變化無法通過位移檢測進行勻整，而針布高度一般在1mm左右，按初始隔距設定0.127mm計算，延棉至少大于800g／m2時，后部才能檢出棉層的波動變化。這樣勢必要加大延棉的厚度才能滿足產生位移的需要，但對延棉生頭喂入又造成困難，還容易拱起。因此國外設備一般不簡單地采用包針布方式，而是對光羅拉的表面進行滾花或加工成寶塔形齒狀，可以解決握持和有效檢測棉層變化，達到勻整的檢測要求。

目前國產梳棉機順向給棉的信號檢出效果與逆向相比穩定性可靠性卻差異較大，機械設計結構較以前復雜，器件加工難度加大。

3.1.2 大壓輥輸出羅拉處條重檢測

棉條輸出羅拉處設置標準條重通過時位移傳感位移檢測值為設定值，當通過階梯羅拉的棉條條重發生變化時，位移傳感器將位移變化量轉換為電信號傳送至控制單元，實現給棉電機的速度調整。該檢測傳感器的設置可通過軟件編程實現條重數值的取樣采集、CV%值變化的實時監控及動態圖形的描繪，信息交流更加直觀，同時還可設定不同的閾值，起到堵管停車的檢測保護作用。

大定量帶預牽伸圈條器的檢測則設置在小壓輥處，原理同上。

3.1.3 測速接近開關

為實現電機速度反饋及速度比例跟蹤而設置。

（1）給棉電機測速接近開關：以脈沖輸出方式檢測當前電機實際轉速，實現給棉電機的速度反饋，并計算當前電機實際轉速值。與道夫測速接近開關的脈沖數，通過計算實現給棉與道夫初始牽伸的設定，并可通過電機與給棉羅拉的傳動比計算當前實際給棉轉速。

（2）道夫測速接近開關：根據初始安裝位置計算脈沖數與前述給棉電機脈沖數，計算道夫給棉間的初始牽伸比。在道夫實際運轉和升降速過程中，對給棉電機進行比例跟蹤，并可根據測速點到出條羅拉的傳動比計算當前出條速度值。合適的安裝位置可對設備起到安全保護作用，當檢測到道夫意外停轉時（如斷皮帶），可及時停止給棉電機運轉，避免過量棉花喂入導致擠車。

3.2 驅動裝置

由終端執行機構決定，若選用伺服電機需配置伺服驅動器，變頻電機選用變頻器控制即可。

3.3 執行機構

執行機構主要指電動機。電動機的選擇與梳棉機配置要求相關，高產梳棉機一般選用伺服電機驅動，其具有低速輸出力矩大、硬度好，調速范圍寬、傳動結構簡單、控制精度高、響應快等優點，但成本較高。目前采用變頻器控制變頻電機的調速形式較多，大多能夠滿足一般控制調速要求。

通過上述介紹，自調勻整器其外圍單元結構已經比較簡單明了，在此基礎上根據工藝要求建立相應的數學模型，通過軟件的編程設計，可達到一般的調速控制要求。梳棉機所紡原料的對象有棉、粘膠、化纖及特種纖維等，它們受擠壓的變異特性各有不同，而梳棉機的喂給結構和信號檢出方式的影響也決定了它最終的使用效果，這就是為什么為了解決棉條重量不勻這一結果，人們會探討和采取多種不同的控制形式和推出多種型號的勻整控制裝置之所在。

4 自調勻整器應用實例簡介

青島宏大紡織機械有限責任公司梳棉機配置的自調勻整器，隨著自動化技術的發展經歷了從FT021到FT029系列自調勻整器的研發，FT024以前系列勻整器，作為獨立控制單元與梳棉機配套，FT025以后系列勻整器通過總線技術實現了與梳棉機主機電氣系統的通訊，而新型FT028型自調勻整器則與梳棉機主機電器控制實現了集成化設計，成為整機電器控制的組成之一，進一步降低了成本，簡化了配置。

現以FT025型勻整器為例做一簡介。

4.1 采用混合環控制，給棉羅拉兩端加位移傳感器檢測棉層厚度的變化，前端大壓輥處位移傳感器檢測條重變化，道夫、給棉傳動位置加測速傳感器，實時跟蹤和檢測給棉、道夫電機轉速，實現生條的勻整控制。

4.2 采用CAN總線技術實現與梳棉機主機PLC和顯示屏的通訊，可通過梳棉機顯示屏對其進行數據設定、信息交換及實時數據和圖表、圖形的顯示，也可通過勻整器自身顯視屏按鍵進行參數設定，作為獨立單元使用，更為靈活方便。

4.3 采用雙CPU計算機運算系統，一片負責管理數據的信息處理，一片進行檢測信號的實時運算控制處理，響應速度快，滿足了高產梳棉機棉層快速喂給時棉層波動的檢測處理和控制。

4.4 根據所紡原料的纖維被擠壓特性不同所產生的位移差異，如：純棉、純滌、粘膠纖維等預設增益補償值（Gain）。首先設置勻整器為比例跟蹤狀態，通過調整牽伸設定，取生條定量稱重，當達到或接近標準定量值時，將此時出條傳感器位移量所轉換的電壓值設定為標準條重值；轉換勻整器狀態由比例跟蹤狀態轉為勻整狀態，后部位移信號參與控制，勻整器根據棉層波動進行牽伸調整，再取樣稱重比較，如偏離標準定量，則進行相應的加減定量補償微調，直至達到要求。

4.5 實時顯示棉層的狀態和變化趨勢。在棉層的勻整范圍內，若在棉層勻整厚度下限運行，勻整器進行加速調整；若在上限運行則減速調整；若出現加速調整時生條偏重，減速調整時棉條偏輕，說明增益補償超調，要對增益Gain值進行修訂，直至滿足要求。

4.6 設置大壓輥生條出口處檢測傳感器，形成閉環控制系統，方便生條標準定量的設置，并根據生條定量的變化值計算顯示生條的CV%值及變化趨勢圖；經過內部存儲器定時采集數據，分組取樣對比分析，若出現偏離標準條重的趨勢，通過計算進行補償修正；該閉環控制系統很好地解決了給定值偏移產生的條重偏移，有效地控制了本機臺及機臺間的生條重量外不勻。

5 結束語

自調勻整控制裝置對梳棉機生條重不勻指標的改善和提高起到了很好的控制作用，但延棉波動是造成生條重不勻的首要原因，因此改進和完善棉箱的結構設計、改善棉箱延棉的穩定輸出，對生條重不勻指標的提高起到事半功倍的作用。自調勻整器作為梳棉機這一特定條件下應用的電器裝置，對機械檢測部件的結構及精度都密切相關。所以自調勻整裝置在梳棉機上若能夠發揮很好的勻整作用，也就是該裝置機電一體化設計的最完美體現。