Simotion D及sinamics DCM在毛紡行業(yè)走架機(jī)中的應(yīng)用

青島環(huán)海時(shí)代科技有限公司 韓金恒/文

1 項(xiàng)目簡介

紡織行業(yè)自古以來一直是人類社會不可或缺的一個(gè)行業(yè)，我國也不例外，作為紡織行業(yè)的一個(gè)重要組成部分，毛紡業(yè)也一直隨著社會的發(fā)展而發(fā)展，毛紡機(jī)械設(shè)備也一直在隨之改變，解放前我國絕大部分的自動化紡織設(shè)備都是靠進(jìn)口，建國后尤其是改革開放之后，國產(chǎn)紡織機(jī)械得到長足的發(fā)展，但距國外設(shè)備還有一定的差距。

臨沂成盛精機(jī)設(shè)備有限公司作為國產(chǎn)毛紡機(jī)械設(shè)備的制造商，其毛紡走架機(jī)設(shè)備在市場占有率超過50%，一直緊跟國際毛紡設(shè)備發(fā)展趨勢。毛紡分毛粗紡和毛精紡，毛粗紡流程大體分為合毛、梳毛、紡錠、落紗、合股等，是將毛紡原料紡成標(biāo)準(zhǔn)紗線的過程、走架機(jī)為毛粗紡流水線的一個(gè)重要組成部分，負(fù)責(zé)紡錠的過程，是整個(gè)流程中重要的一環(huán)，設(shè)備的電氣控制部分是其精華所在，是生產(chǎn)效率和成紗質(zhì)量的保證，由青島環(huán)海時(shí)代科技有限公司設(shè)計(jì)調(diào)試開發(fā)及技術(shù)轉(zhuǎn)化。電氣控制中所用西門子產(chǎn)品為simotionD425-2DP、多軸S120伺服系統(tǒng)、sinamics DCM、ET200S及MP277人機(jī)界面。設(shè)備總圖如下圖所示。

2 設(shè)備工藝介紹

走架機(jī)是將梳毛機(jī)生產(chǎn)的低強(qiáng)度、低伸長特性的紗線先通過出車加捻擰成一定強(qiáng)度及伸長特性的紗線，然后再回車把紗線纏繞到紗管上并最終紡成紗錠的設(shè)備。紗線也有各種類型，從高支紗到低支紗，大體為8～50，8支紗的意思是8米紗線重量為1克，依次類推，越高支紗越細(xì)越輕，強(qiáng)度越低。

設(shè)備中用到五臺伺服電機(jī)及一臺直流電機(jī)。

五臺伺服電機(jī)分別為：1為車架電機(jī)，用于驅(qū)動幾十米長的車架在3米或4米長的軌道上來回往復(fù)運(yùn)動；2為退卷電機(jī)，用于驅(qū)動退卷滾筒軸旋轉(zhuǎn)，將紗線從毛圈上送出，與車架有同步要求；3為羅拉電機(jī)，用于驅(qū)動羅拉軸旋轉(zhuǎn)，與退卷電機(jī)協(xié)同動作并保證加捻均勻，與車架同樣有同步要求；4為張力電機(jī)，用于在車架回車過程中給紗線提供張力來保證紗線紡到紗錠上時(shí)具有一定的張力；5為導(dǎo)紗電機(jī)，通過跟隨車架電機(jī)走Cam曲線并根據(jù)不同的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)最終不一樣的紗錠形狀。

直流電機(jī)則用來驅(qū)動錠子帶動紗錠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)加捻及回車時(shí)將紗線卷繞到紗錠的功能。

車架從出車到回車到位為一個(gè)運(yùn)行周期，出車過程中通過羅拉及退卷將紗線從毛圈中退出，加捻完畢后，導(dǎo)紗軸及張力軸到達(dá)指定位置，然后回車，回車過程中，導(dǎo)紗跟隨張力Cam曲線同步，同時(shí)直流驅(qū)動紗錠旋轉(zhuǎn)將紗線卷繞在紗錠上，回車到位時(shí)，導(dǎo)紗及張力軸回到初始位置。每個(gè)周期運(yùn)行基本類似，不過如果要實(shí)現(xiàn)紗錠的形狀，分為打小紗階段和打大紗階段，打小紗階段，即從最初紗管上沒有線到紗錠直徑達(dá)到設(shè)定值；打大紗階段，即直徑達(dá)到設(shè)定值之后再往上讓紗錠中間成為圓柱的形狀。紗錠形狀及車架動畫如圖2 HMI畫面所示。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)備采用simotionD425-2DP伺服運(yùn)動控制器，驅(qū)動選用S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)，直流驅(qū)動選用Sinamics DCM，分布式I/O選用ET200S，人機(jī)界面選用MP277的10英寸觸屏。

Simotion運(yùn)動控制器是一款高端的通用型伺服運(yùn)動控制器，在很多行業(yè)中都有應(yīng)用，其控制性能優(yōu)越強(qiáng)大、同步效果好，與S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)完美結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能強(qiáng)大。

S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)是西門子廣泛應(yīng)用的一款伺服系統(tǒng)，其控制精度高、性能穩(wěn)定。本項(xiàng)目采用的多軸S120伺服系統(tǒng)包括36KW的SLM，30A、雙18A及雙9A的電機(jī)模塊各一臺，伺服電機(jī)采用1FK7系列西門子伺服電機(jī)。

Sinamics DCM相較之前的直流驅(qū)動6RA70系列，其端子接口及通訊接口配置更加合理，性能穩(wěn)定，面板及軟件調(diào)試應(yīng)用更方便。本項(xiàng)目中simotion通過DP網(wǎng)絡(luò)與DCM本體自帶的DP通訊口通訊。直流驅(qū)動采用四象限應(yīng)用210A的Sinamics DCM設(shè)備。

ET200S是一款經(jīng)濟(jì)、靈活的小型分布式I/O設(shè)備，其占柜空間更小，用戶可選更靈活。本項(xiàng)目中ET200S選用帶DP網(wǎng)絡(luò)接口的接口模塊，外括了一些數(shù)字量I/O。

本項(xiàng)目的人機(jī)界面選用MP277多功能觸屏面板。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3、圖4所示。

4 控制系統(tǒng)功能

4.1 同步功能實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目中軸之間同步功能分為羅拉軸和退卷軸跟隨車架的Gear同步及導(dǎo)紗軸跟隨車架軸的Cam同步。

羅拉及退卷軸在自動運(yùn)行的出車過程中跟隨車架做速度Gear同步，工藝要求為出車過程中羅拉及退卷的速度是要根據(jù)車架的位置不同而有所變化的，同步方式為速度同步。

導(dǎo)紗軸與車架軸的Cam曲線是控制的一個(gè)核心部分，關(guān)系到紗錠的成形形狀及后續(xù)工序的質(zhì)量，工藝要求導(dǎo)紗軸先由上往下打一段束縛層，然后導(dǎo)紗的速度隨著車架的回車而向上并且速度越來越快，根據(jù)客戶工藝要求將Cam曲線分為兩段多項(xiàng)式，如圖5所示。

曲線設(shè)置會直接關(guān)系到紗錠成型的質(zhì)量，進(jìn)而會影響到后續(xù)落紗的效率。本項(xiàng)目中將Cam計(jì)算做成一個(gè)功能塊，調(diào)用程序如下：

,FB_b_calcamOK =＞ g_b_calcamOK);

整個(gè)曲線分為兩段，第一段為直線，第二段為曲線，多項(xiàng)式的系數(shù)用結(jié)構(gòu)中的A來賦值，結(jié)構(gòu)中A定義為長實(shí)型的數(shù)組，其中第一段多項(xiàng)式參數(shù)在程序中定義為g_stru_r_Segment1.A[1]:=1.0，第二段Cam曲線的多項(xiàng)式系數(shù)FB_calcam2_poly := g_stru_r_Segment2.A，其低次系數(shù)在程序中固定地定義為：

高次的系數(shù)g_stru_r_Segment2.A[4]是根據(jù)設(shè)定值并在程序中根據(jù)要求計(jì)算得出的。

設(shè)備自動運(yùn)行時(shí)，每個(gè)周期運(yùn)行之后從軸的偏移值g_lr_r_daosha_cam_offset都是增大的，而主軸的偏移值g_lr_r_chejia_huitui_postemp也會經(jīng)常變化，所以每次的曲線都需要重新計(jì)算。關(guān)于此種類型的Cam曲線，沒有標(biāo)準(zhǔn)功能塊應(yīng)用及相關(guān)資料，是經(jīng)過長時(shí)間調(diào)試試驗(yàn)出來的結(jié)果。

4.2 紗線加捻及回車卷繞控制

走架機(jī)的另一個(gè)控制核心部分是通過對直流電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)捻度的精確性及回車時(shí)紗線的張力大小，進(jìn)而也會影響到紗錠的成型質(zhì)量。

捻度是一個(gè)計(jì)量單位，一捻度為紗線頭和尾相差360度，也就是擰一圈，捻度與紗線強(qiáng)度有直接的關(guān)系，設(shè)定捻度與實(shí)際捻度精確與否是紗線質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備中采用外部編碼器來計(jì)捻，將外部編碼器接到SMC30模塊上，然后在項(xiàng)目中使用外部編碼器工藝對象來實(shí)現(xiàn)計(jì)捻功能。客戶選用的編碼器精度有限，不過尚能滿足要求。其配置如圖6所示。

回車卷繞過程通過控制直流電機(jī)速度使紗錠卷線的速度與車架回車速度相匹配，才能實(shí)現(xiàn)工藝要求，紗錠的形狀是預(yù)先在HMI上設(shè)好的，包括紗錠上錐體高度、下錐體高度、紗錠總長度及一些工藝參數(shù)，如圖7所示。每個(gè)周期的回車過程中，需要根據(jù)車架每個(gè)位置對應(yīng)紗錠的直徑大小來算出直流電機(jī)需要的速度，這就要求直徑的計(jì)算要精確及直流電機(jī)的響應(yīng)性要好。計(jì)算程序比較繁雜，在此省略。直流電機(jī)的調(diào)速性能取決于Sinamics DCM的調(diào)試，Sinamics DCM同樣在Scout軟件中調(diào)試，通過配置、優(yōu)化等操作來實(shí)現(xiàn)調(diào)試，其軟件調(diào)試方式同S120驅(qū)動一脈相承。如圖8所示。

4.3 將Cam曲線的參數(shù)設(shè)置及圖形顯示在HMI上

客戶要求將Cam曲線的設(shè)置參數(shù)及圖形都顯示在HMI上，經(jīng)過查找資料，在程序中應(yīng)用西門子標(biāo)準(zhǔn)功能塊HMICam，如圖9所示。

4.4 項(xiàng)目重難點(diǎn)調(diào)試過程

項(xiàng)目調(diào)試過程中的難點(diǎn)個(gè)人認(rèn)為為兩點(diǎn)，一是Cam曲線多項(xiàng)式參數(shù)設(shè)置，二是回車卷繞過程直流電機(jī)速度的計(jì)算與控制。

Cam曲線計(jì)算在程序中采用多項(xiàng)式模式，如果曲線參數(shù)不合適，會影響到紗錠上錐體成型質(zhì)量，因?yàn)闆]有標(biāo)準(zhǔn)塊，如何調(diào)整參數(shù)也沒有資料可以參考，所以需經(jīng)過多次調(diào)試才找到合適的多項(xiàng)式系數(shù)。

回車卷繞過程直流電機(jī)設(shè)定速度計(jì)算是另一難點(diǎn)，設(shè)備的工藝要求首先計(jì)算設(shè)定速度要精確，然后才能保證紗線張力。如果計(jì)算不夠精確，就會導(dǎo)致回車過程紗線張力不均勻，如果速度計(jì)算慢了，就會導(dǎo)致紗錠上的紗線張力不夠，松松垮垮，下道工序就會出問題，而如果計(jì)算速度快了，就會導(dǎo)致回車過程紗線比車架速度快，會將紗線崩斷。客戶的要求是回車過程中張力軸應(yīng)該是不動的，這就要求計(jì)算及運(yùn)行都非常精確。而計(jì)算直流的速度，就需要計(jì)算紗錠在各個(gè)位置的直徑，直徑是由紗管直徑和紗線直徑結(jié)合導(dǎo)紗軸的位置最終算出，而且紗線支數(shù)越高，越難紡，最終也是經(jīng)過長時(shí)間調(diào)試才能達(dá)到客戶紡高支紗的要求。

5 項(xiàng)目體會

走架機(jī)設(shè)備從開始調(diào)試到樣機(jī)完成周期為三個(gè)月，調(diào)試過程是復(fù)雜而繁瑣的，周期時(shí)間長的原因個(gè)人認(rèn)為有以下幾方面，一是這種設(shè)備的主體程序沒有標(biāo)準(zhǔn)塊可以參考，程序完全是從頭到尾開發(fā)的；二是對此類設(shè)備的工藝此前了解不夠，對有關(guān)困難估計(jì)不足；三是客戶臨時(shí)加了一些更智能的功能，導(dǎo)致調(diào)試時(shí)間增長。

通過此次項(xiàng)目的調(diào)試，對于simotion及Sinamics DCM有了更加深入的了解。simotion作為2005年推出的控制系統(tǒng)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，產(chǎn)品越來越成熟穩(wěn)定，其功能強(qiáng)大，通過對各種工藝對象的控制，可以滿足市場上絕大多數(shù)客戶對于運(yùn)動控制的要求。與其他廠商的控制產(chǎn)品相比，其性能方面更具優(yōu)勢，與我們一起調(diào)試的也有國際一知名廠家的控制器，但其Cam功能只有描點(diǎn)功能，沒有多項(xiàng)式功能，無法達(dá)到客戶要求。而Sinamics DCM作為新近推出的新一代直流控制設(shè)備，個(gè)人認(rèn)為其硬件接口配置更合理，軟件調(diào)試更方便，而且客戶從成本考慮，相比同功率的伺服還是有優(yōu)勢的，這也是我們最終能勝出的一個(gè)原因吧。

最后感謝公司及西門子工程師對此次設(shè)備調(diào)試中給予的支持。

［1］ simotion同步運(yùn)行功能介紹；

［2］ Sinamics S120功能手冊2012/01；

［3］ Sinamics DCM操作說明；

［4］ Sinamics DCM參數(shù)手冊；

［5］ F0671_如何在HMI上顯示simotion的Cam曲線。