簡(jiǎn)析BWA40II-1800型卷繞機(jī)控制系統(tǒng)

（北京中麗制機(jī)電氣有限公司 北京 101111）

1 引言

近年來(lái)，隨著化纖市場(chǎng)的迅速發(fā)展，對(duì)化纖長(zhǎng)絲的品質(zhì)要求越來(lái)越高，同時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步增長(zhǎng)，也提高了化纖企業(yè)的用工成本，這就要求化纖長(zhǎng)絲企業(yè)不僅要提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，也要控制生產(chǎn)成本和提高設(shè)備利用效率。北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司順應(yīng)市場(chǎng)需求，從2013年開(kāi)始投入大量人力和物力進(jìn)行新型卷繞機(jī)的研發(fā)。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和前瞻性判斷，決定在原有紡絲10 頭卷繞機(jī)的基礎(chǔ)上，研發(fā)12 頭全自動(dòng)高產(chǎn)量新型卷繞機(jī)，這就是BWA40II-1800 型卷繞機(jī)。

作為新型卷繞機(jī)，對(duì)其控制系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要實(shí)現(xiàn)基本的控制功能，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，更要使絲餅質(zhì)量實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛越，使一種卷繞機(jī)適合紡多種規(guī)格的絲，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。因此，粗放式的三角波擾動(dòng)卷繞方式已無(wú)法滿足復(fù)雜的控制要求。精密卷繞控制算法是一種精確控制理論，它能很好解決底層絲問(wèn)題、疊絲問(wèn)題以及使絲餅有很好的成型外觀。

2 控制系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的基本情況

本文的研究?jī)?nèi)容，采用明電舍公司DSF2-14 精密卷繞控制器的分段式控制系統(tǒng)。明電舍DSF2-14 集變頻器和計(jì)算控制器為一體，驅(qū)動(dòng)2 臺(tái)卡頭電機(jī)，1 臺(tái)摩擦輥電機(jī)和1 臺(tái)橫動(dòng)電機(jī)，其速度控制和精密卷繞算法在一個(gè)獨(dú)立的控制單元完成。采取嵌入式控制器結(jié)構(gòu)，內(nèi)置卡頭電機(jī)速度控制系統(tǒng)、摩擦輥電機(jī)和橫動(dòng)電機(jī)速度控制系統(tǒng)。速度檢測(cè)模塊可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)卡頭、摩擦輥和橫動(dòng)的實(shí)際速度。系統(tǒng)并集成通訊控制器與RS485 通訊端口，可采取MODBUS 等多種通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與PLC 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

CTH2-223 可編程控制器是一個(gè)小型且功能強(qiáng)大的邏輯控制器，不但集成有MPI 通信協(xié)議，通信串口，還有模擬量輸出等多種功能。完成卷繞機(jī)的相關(guān)機(jī)械動(dòng)作控制，以及同上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。

上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)參數(shù)、工藝參數(shù)等相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)定。手持參數(shù)設(shè)置面板：對(duì)工藝參數(shù)、變頻驅(qū)動(dòng)、設(shè)備電機(jī)參數(shù)等進(jìn)行設(shè)定。

2.2 工作原理

精密卷繞控制系統(tǒng)的原理圖，如圖1所示。

2.3 精密卷繞控制算法

在精密卷繞算法中，引用了卷繞比概念，即卡頭轉(zhuǎn)速與橫動(dòng)轉(zhuǎn)速的比值，當(dāng)該值為正整數(shù)時(shí)，即是紡絲的疊絲點(diǎn)。當(dāng)控制橫動(dòng)電機(jī)TR 的轉(zhuǎn)速所依據(jù)的卷繞比WN（=BH[rpm]/TR[rpm]）不變時(shí)，隨著卡頭BH 的卷繞直徑不斷增大，卷繞角WA 減小，由于卷繞角不能小于最小卷繞角，當(dāng)卷繞角達(dá)到最小卷繞角時(shí)，就需要改變卷繞比，因此就產(chǎn)生了多段卷繞比的算法。根據(jù)卷繞比WN 列表，卷繞比WN 的數(shù)值自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)卷繞比，其變化過(guò)程如圖2所示。

隨著卡頭BH 直徑的增大，最小卷繞角的數(shù)值也在變化，以保證絲束的張力保持穩(wěn)定，其變化曲線如圖3所示。

在紡絲過(guò)程中，經(jīng)過(guò)DSF2-14 控制器優(yōu)化的實(shí)際橫動(dòng)TR 速度控制曲線，如圖4所示。

3 功能實(shí)現(xiàn)及技術(shù)創(chuàng)新

3.1 主動(dòng)式壓輥

以前，舊式卷繞機(jī)壓輥都是采用從動(dòng)式（或稱被動(dòng)式）運(yùn)轉(zhuǎn)，依靠與卡頭接觸，由卡頭帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求在“生頭”時(shí)上下兩個(gè)卡頭都必須啟動(dòng)，上卡頭把壓輥提速到紡絲速度，下卡頭用于紡絲“生頭”。存在的問(wèn)題就是當(dāng)卡頭切換時(shí)，卡頭與壓輥脫離，壓輥轉(zhuǎn)速就會(huì)減少；當(dāng)壓輥與卡頭再次接觸時(shí)，由于壓輥轉(zhuǎn)速與卡頭轉(zhuǎn)速不匹配而產(chǎn)生硬性摩擦，嚴(yán)重影響絲餅底層絲的質(zhì)量。

主動(dòng)式壓輥，則是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓輥旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是“生頭”時(shí)不再需要上卡頭帶動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)，壓輥旋轉(zhuǎn)的線速度可始終與卡頭線速度保持一致，無(wú)論壓輥與卡頭是否脫離都不會(huì)產(chǎn)生降速的問(wèn)題，因此大大提高了底層絲的品質(zhì)。

3.2 精密卷繞

精密卷繞是一種最新的防疊絲控制理論，采取多段卷繞比控制理論。在2.3 中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

3.3 伺服轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)

伺服電機(jī)的使用，使在切換過(guò)程中的卷繞機(jī)更加穩(wěn)定、安全。伺服系統(tǒng)中采取最大脈沖輸出保護(hù)功能，即使卡頭定位傳感器循壞，卡頭切換時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生切換超位打壞卷繞機(jī)的現(xiàn)象。此外，伺服系統(tǒng)速度控制采用多段速模式，切換時(shí)先高速旋轉(zhuǎn)，快到位時(shí)切換到低速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣既保證了切換時(shí)間短，又保證了切換停止時(shí)的柔性，對(duì)整個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性有很大的提高。

圖1 系統(tǒng)原理圖

圖2 卷繞比取值曲線圖

圖4 橫動(dòng)TR 速度曲線

圖5 被動(dòng)摩擦輥的普通卷繞方式底層絲

圖6 主動(dòng)摩擦輥的精密卷繞方式底層絲

圖7 被動(dòng)壓輥普通卷繞方式絲餅

圖8 主動(dòng)壓輥精密卷繞方式絲餅

3.4 無(wú)極接觸壓力調(diào)節(jié)

在紡絲生產(chǎn)過(guò)程中，隨著絲餅的逐漸增大，轉(zhuǎn)盤(pán)位置也會(huì)發(fā)生變化。如果壓輥垂直向下的力不變，其對(duì)絲餅切線的垂直壓力就會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生絲餅壓力不一樣的現(xiàn)象。為了使絲餅受力一樣，在控制中添加了模擬量無(wú)極調(diào)節(jié)壓力控制系統(tǒng)，根據(jù)絲餅直徑的大小調(diào)節(jié)氣壓大小。

3.5 邏輯控制優(yōu)化

從動(dòng)壓輥卷繞機(jī)在“生頭”時(shí)，上卡頭需要啟動(dòng)，“生頭”完成后，下卡頭還要進(jìn)行一次松筒、推筒、更換紙管的工作。主動(dòng)壓輥由于有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，“生頭”時(shí)上卡頭無(wú)需啟動(dòng)，“生頭”完成后直接將頭生桿復(fù)位即可，大大簡(jiǎn)化了“生頭”操作流程。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)觀察，主動(dòng)壓輥、精密卷繞控制系統(tǒng)大大改善了底層絲品質(zhì)，有效地實(shí)現(xiàn)了防疊絲功能。圖5和圖6分別給出了被動(dòng)壓輥普通卷繞和主動(dòng)壓輥精密卷繞的底層絲效果圖。圖7和圖8分別給出了被動(dòng)壓輥普通卷繞和主動(dòng)壓輥精密卷繞的防疊絲效果圖。

化纖行業(yè)如今再次步入高速發(fā)展時(shí)期，若生產(chǎn)廠家的設(shè)備嚴(yán)重老化、技術(shù)相對(duì)落后，其產(chǎn)品質(zhì)量就難以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。因此，國(guó)內(nèi)具有較大的設(shè)備改造空間及新設(shè)備擴(kuò)展需求空間。

目前，大部分國(guó)產(chǎn)卷繞機(jī)技術(shù)上依然落后于進(jìn)口設(shè)備，而國(guó)外進(jìn)口同類機(jī)型早已選用主動(dòng)摩擦輥加精密卷繞控制系統(tǒng)的配置方案。本文的研究?jī)?nèi)容，采用明電舍公司DSF2-14 精密卷繞控制器的分段式控制系統(tǒng)，正是適應(yīng)了全自動(dòng)高速卷繞機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向，可以達(dá)到提高國(guó)產(chǎn)卷繞機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低最終客戶的升級(jí)改造成本，以及后續(xù)維護(hù)成本和生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量的目的，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。