卷染機自動控制系統的改造設計

姜 磊

(浙江工業職業技術學院，浙江紹興 312000)

卷染機械中的線速度控制和張力控制是印染行業的重要環節，其控制系統的性能直接影響產品的質量。由于影響卷染機運行的因素較多，如織物的張力、收放卷張力及線速度等，所以很難準確建立相應的數學模型［1］，對線速度和張力控制系統的改造一直是企業技術革新的難題。為提高卷染機控制系統的可靠性，降低設備運行維護成本，本文提出運用PLC與變頻器相結合的控制及運用張力控制模塊對系統進行優化設計，以滿足負荷實時變化的要求，避免資源浪費，提高企業生產效率。

1 系統設計分析

1.1 卷染機控制系統現狀分析

傳統的恒張力和恒線速度系統的控制效果不佳，執行機構大都采用直流電動機控制，少數采用液壓控制，這些控制方式只是一種近似控制，存在較大的誤差。在具有高溫、高濕、強腐蝕的染整環境中，直流調速系統性能明顯下降;液壓控制系統(一般為進口設備)也因價格昂貴［2］，維護工作量大而應用受限。隨著交流變頻技術及PLC技術的日益成熟，現在的張力控制系統多以其聯合控制方式出現［3］。

通過對企業現場調研及查閱相關文獻，總結出卷染機控制系統的幾種控制方式:

1)PLC和變頻器的恒張力控制［4］。此控制方式能有效地進行卷取機構的恒張力控制，但控制器具有較大局限性，需要采用專門的張力變頻器，且控制策略較為復雜，對于大型的生產加工企業來說，系統的改造升級較為困難。

2)PLC、伺服放大器及糾偏傳感器的聯合控制［5］。此控制方式具有較高的精度，但系統的成本較大，對中小型企而言，技術改造成本及效益是首要因素，此系統控制對象較為局限，多以高端產品為主。

3)單片機和張力傳感器的張力控制。此控制方式以單片機為核心技術［1］，具有較高的性價比。但受環境影響較大，穩定性得不到相應保證。

隨著現代控制理論的發展模糊控制，神經網絡控制、自適應PID控制逐漸應用到相關的控制器中［6］，使控制效果及控制精度最大化。

1.2 系統設計方案

控制系統整體設計框圖如圖1所示。系統有2種控制方式，一種是由PLC與變頻器組成的恒線速度控制系統，另一種是由張力控制器及張力傳感器組成的恒張力控制系統。觸摸屏用于參數設定及信息交換;PLC用于控制模式轉換及數據處理;變頻器作為核心控制器。2種控制方式在一定程度上是相互聯系的，根據不同的生產情況進行選擇。

圖1 控制系統整體框圖Fig.1 Whole control system

通過系統改造可以解決如下問題:

1)防止織物與輥軸之間的滑動，實現織物的平穩傳送;

2)避免卷染機在染色過程中出現色差問題;

3)使織物在收卷和運輸過程中不出現變形散落情況，確保織物卷軸的牢固性;

4)保證織物的平穩恒速運行，降低因速度變化引起的機械故障，降低能耗。

2 控制系統硬件設計

2.1 PLC與變頻器的恒線速度控制系統

PLC與變頻器的恒線速度控制系統在卷染機系統中的具體框圖如圖2所示。

由圖可見，該系統由三菱L-700系列變頻器作為核心控制器，分別控制系統的3個電動機，其中編碼器作為閉環控制的反饋信號傳送給變頻器信號，再通過變頻器去控制電動機的轉速。

圖2 卷染機恒線速度控制系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of jigger constant linear velocity control system

1)系統框圖中的主軸電動機由變頻器2控制，其速度恒定不變，具體參數通過觸摸屏設定。

2)變頻器1與變頻器3控制收卷電動機與放卷電動機，二者速度與主軸速度保持一致，根據編碼器的反饋數據進行實時調整。

3)PLC在系統中屬于數據交換處理環節，可以同時控制滾輪1與滾輪2的正反轉，實現收卷與放卷的即時變化。

在系統運行過程中，收卷輥隨著收卷織物層數的增加轉速下降，要實現恒速控制就必須達到頻率匹配(包括轉速運算和卷徑運算)［7］。同步匹配頻率f(t)的計算公式為

式中:V為織物線速度;P為電動機極對數;i為機械傳動比;D(t)為卷筒卷徑。由式(1)可以看出，由于卷筒的卷徑不斷變化，要使織物線速度恒定，電動機的轉速也要同步變化［7］，如式(2)所示。

式中:N為電動機的轉速;f為電源的頻率;P為電動機極對數;s為轉差率。

由于系統的卷徑(滾輪厚度)不斷增大，所以需要通過人機界面及傳感器傳給控制器(PLC)［8］，再由PLC傳給變頻器，如圖1框圖所示。本控制系統運用變頻器內部的PID控制程序進行控制，通過編碼器進行數據反饋，所以實現了是閉環PID控制。3個變頻器的參數設置如表1、2所示。

表1 變頻器1、3的主要參數設置及說明Tab.1 Main parameters and description of inverters 1 and 3

表2 變頻器2的485通訊參數設置Tab.2 485 Communication parameters of inverter 2

在接線過程中需要注意的是，如果旋轉編碼器的型號選擇是集電極開路的，變頻器上的接線端子A7AP需要接通。

2.2 變頻器的PID控制算法

根據系統的實際運行情況，需要實現負反饋作用，因此將Pr.128設置為40(PID負反饋，41為正反饋)。又由現場測試分析得，控制系統通過PI控制即可滿足控制要求，即設置比例參數為50(Pr.129=50)，積分時間為1.6 s(Pr.130=1.6 s)，其他設置如表1所示。

2.2.1 PID控制算法介紹

圖3示出PID控制基本構成。其中Kp為比例常數;Ti為積分時間;S為運算;Td為積分時間。

圖3 PID控制基本構成框圖Fig.3 Block diagram of PID control

在設置PID參數過程中需要注意:

1)當PID的比例參數P的設定值較小時，測定值的微小變化可以得到大的輸出變化。參數設置過大可能會引起系統超調，降低穩定性。

2)積分時間不宜設定太大，系統響應速度變慢。隨著積分時間變小，完成速度越快，但是有超調的危險。

2.2.2 PID增益調整說明

圖4示出系統調節過程中的變化曲線。控制系統在進行調試的過程中要呈現圖4(b)的狀態，使系統在加速、勻速、減速和急減速時的狀態均正常運行。可以通過調整變頻器Pr.129(PID比例參數)和Pr.130(PID積分時間)實現。

圖4 系統調節過程中的變化曲線Fig.4 Change curve in system regulation process.(a)System response speed is slow;(b)System response speed is moderate;(c)System response speed is high

1)系統響應速度慢時的調整方法。將Pr.129(PID比例參數)降低10%，同時將Pr.130(PID積分時間)減小0.1 s。使系統在任何運行狀態下都能達到圖4(b)的狀態。

2)響應速度快時(振蕩不收斂時)的調整方法。將 Pr.129(PID比例參數)增加10%，同時將Pr.130(PID積分時間)增加0.1 s。使系統在任何運行狀態下都能達到圖4(b)的狀態。

2.3 全自動張力控制系統設計

2.3.1 影響張力控制的因素

在卷染機械中影響張力F的主要因素有卷軸的扭矩 T和卷徑 D，三者之間關系如式(3)所示。

由式(3)可知，扭矩一定時，張力與卷徑成反比，因此在放卷或者收卷時，為了確保張力恒定需要伴隨卷徑的變化改變扭矩。此外，引起張力變化的因素除卷徑外，還有損失扭矩變動產生的影響，以及速度變化時慣性的影響。

2.3.2 張力控制設計

文獻［9］介紹了張力控制的幾種方式，如手動張力控制、卷徑檢測式張力控制(半自動控制)、全自動控制(閉環控制)方式。在這幾種控制系統中，全自動張力控制是反饋張力控制，與卷徑檢測控制相比張力精度較高，本文的張力控制為全自動張力控制，系統結構如圖5所示。

圖5 全自動張力控制系統結構Fig.5 Structure of automatic tension control system

控制系統在硬件選擇上采用三菱系列產品。

1)張力檢測器。選用三菱LX-050TD型張力檢測器，其中050為額定負載除以10后得到的數值，單位為N。因此該系統為500 N的額定負載量，檢測器屬于微偏位型張力檢測器。

2)張力控制器。張力控制器選用三菱的LE-40MTA-E型。其工作原理為:張力控制器接收來自張力檢測器的信號，自動控制織物的放卷、中間輔助軸和收卷時的材料張力。并針對執行機構發出0～24 V的控制電壓。圖6示出張力控制器與PLC的CAD接線圖。

圖6中FX3U-48MT為48點的PLC控制器，FX3U-4DA為PLC的4通道模擬量輸出模塊，FX3U-4AD為PLC的4通道模擬量輸入模塊。系統中有2個張力控制器，分別控制圖2中滾筒1與滾筒2的張力。由于系統是對稱結構，所以本文僅對張力控制器LE-40MTA-E(1)進行分析。

PLC輸出端 Y0-Y3控制 LE-40MTA-E(1)的MC1(運行/停止)、MC4(停止保持記憶復位)、MC5(控制模式1)、MC6(控制模式2)。FX3U-4DA的4個模擬量輸出通道與控制器的模擬輸入信號AI1(外部張力設定)、AIC(內部電阻)、AI2(功能設置)、AI3(功能設置)相連。FX3U-ADA的4個模擬量輸入通道與控制器的模擬輸出信號SA(控制信號輸出)、SN(選擇信號)、AOC(張力顯示輸出)、TMO(張力顯示輸出)相連。圖7示出張力控制器與檢測器連接圖。

上述控制系統可以通過PLC來實現模式的切換，從而實現恒線速度與恒轉矩控制。由于PLC本身也具有PID算法，所以在系統改造中更加靈活多變，維護也更加方便。

圖6 張力控制器與PLC的CAD接線圖Fig.6 CAD wiring diagram of tension controller and PLC

圖7 張力控制器與檢測器連接圖Fig.7 Connection diagram of tension controller and tester

3 控制系統軟件設計

3.1 控制系統流程分析

根據上述控制原理進行程序設計，系統的控制流程如圖8所示。

圖8 系統的控制流程圖Fig.8 Control flow chart of system

由三菱GTO1000觸摸屏通過RS422通訊形式來控制FX3U-48MPLC，在經FX3U-485通訊模塊與3臺變頻器進行通訊。

3.2 觸摸屏界面設計

觸摸屏控制模式選擇界面中變頻器速度控制按鈕對應程序軟元件為M300，而張力轉矩控制按鈕對應程序軟元件為M400。

張力控制模式界面中啟動按鈕對應程序軟元件中的M1502，右放左收按鈕對應程序軟元件中的M1501，當M1501為OFF時觸摸屏顯示右放左收，當M1501為ON時顯示為左放右收。

速度控制模式界面中啟動按鈕對應程序軟元件的M502，右放左收按鈕對應程序軟元件中的M501，當M501為OFF時顯示右放左收，當M501為ON時顯示左放左收。在觸摸屏上還有循環/單動模式，手動調節模式，還有一個轉速顯示對應于程序軟元件的D18。

3.3 控制程序設計

啟動與模式選擇參考程序如圖9所示。M502與M1502接收來自觸摸屏的信號，將相應的速度傳給電動機。程序中M300與M400分別是2種控制模式的選擇按鈕，當速度控制有效時，轉矩控制相關軟件被復位，反之亦然。

圖9 啟動與模式選擇參考程序Fig.9 Slection reference program of start and mode

變頻器參數運行讀取參考程序如圖10所示。程序中IVDR為變頻器的運行控制專用指令，前面的K1為變頻器的站號。H0ED為寫入設定頻率(RAM)，H0FA為運行指令。后面的 K1為PLC的使用通道，本設計為通道1。

圖10 變頻器參數運行讀取參考程序Fig.10 Inverter parameter run read reference program

M700對應速度控制模式界面中的“收卷”，當為OFF時顯示收卷，為ON時顯示放卷。M701對應滾輪顯示，M800對應張力控制模式界面中的“收卷”，當為 OFF時顯示收卷，為 ON時顯示放卷。M801對應滾輪顯示。

4 改造設計效果

通過對紹興某印染廠卷染設備進行數據測試，在進行了恒線速度恒張力控制改造設計后，卷染機卷徑變化與速度和張力的關系如表3所示。

表3 改造測試數據Tab.3 Transformation test data

從數據可見，本文設計方案滿足了規定的設計要求，隨著設備的運行，卷染織物的卷徑不斷變化，以往的控制系統中經常會出現斷布，停機的情況。而經過改造后的系統，只要在觸摸屏上設定好相應的參數及控制模式，其運行的線速度及轉矩將基本保持不變。

由于卷染材料通常以彈性織物為主，所以傳感器在檢測過程中會產生微小的誤差，從而影響控制精度。這樣的誤差可以通過設置變頻器參數及調用PLC程序來進行補償。

5 結論

卷染機自動控制系統設計改造后系統的控制模式靈活方便，可以滿足生產線上不同的工藝需求。實現企業智能控制管理，提高生產效率。本文控制系統的設計布線簡單，控制系統的后期改造升級更為方便。

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