TWJ200-A6 噴水織機電控系統的設計

劉顧泉 LIU Gu-quan；宋冬萍 SONG Dong-ping

（蘇州工業職業技術學院機電系，蘇州 215100）

0 引言

隨著紡織工業的發展和對外貿易的需要，對織物的質量及品種要求越來越高。噴水織機利用高速水流代替梭子，相較于老式傳統有梭織機，具有能耗低、應用范圍廣等優點，適應于高速織布和編織所有不吸水的纖維織物的需要，主要應用于編織聚丙烯、聚乙烯、合成纖維等各種規格的織物。

目前國內的噴水織機，技術上多數采用主從式多級控制系統或單片機集散控制系統，存在控制精度較低、故障率較高的缺點。為進一步提高織物品質，實現噴水織機機電一體化，主要要在電子送經、電子卷取、電子剪刀、電子絞邊等方面，對織機的主電動機進行數字化控制，如伺服電機、直驅電機、變頻器、伺服驅動器的采用，使織機的智能化控制和整體性能大大提高[1]。本文采用TWJ200 系列-A6 噴水織機電控系統，采用高度集成化的工藝設計，內置二合一驅動器，實現噴水織機智能控制，并支持花樣板、電送電卷、電子提花、電子多臂定制化需求。

1 噴水織機硬件設計

控制系統是噴水織機的核心，決定著織機的運算處理能力和各項操作流程。利用編碼器對電機主軸角度進行檢測、將位移量信號轉換為模擬量信號，通過控制系統的算法分析，實現對織機電子送經、電子卷取、開口、引緯、打緯、自動定位停車等流程的控制[2]。

本文設計的噴水織機控制系統如圖1 所示，硬件組成主要包括電源板、伺服驅動器、變頻器、花樣控制板、I/0 板及外部設備等基本配置。當I/0 獲取信號后，將信號發送給主控板，由主控進行數據分析處理，再通過通訊傳輸給伺服、變頻器等輸出設備上，從而控制噴水織機的穩定運行。噴水織機電控系統各模塊功能如下：①變頻器：用于控制主傳動電機，實現超啟動、變轉速、多段速功能；②剎車電源板：整流，并有剎車消磁與剎車高低壓控制；③I/0 板：信號輸入輸出，并通過CAN 總線與主控通訊；④驅動器：噴水工藝控制及電子送經控制；⑤花樣板：儲緯器、夾紗器、轉向閥控制；⑥多臂板：控制多臂開口裝置。

圖1 噴水織機電控系統

1.1 控制器

噴水織機電控系統對處理器和控制網絡的實時性有較高要求。目前國內的噴水織機多采用單CPU 或單PLC的主從式多級控制系統，或是基于RS-485 的16 位單片機集散控制系統，存在功能簡單、自動化水平較低、控制精度較低、故障率較高的缺點，難以滿足高速織機對電控系統的要求[3]。

本文采用32 位高性能微處理器，通過CAN 通訊，主軸編碼器發送角度信號給伺服控制，經PID 控制算法，輸出控制信號實現電子送經控制，如圖2 所示。主控板作為控制中樞，除了對織機的起停、正、反轉運行、定位制動進行控制，還能對紗超張力、左右絞邊、前后廢絲、定長、緯絲等異常現象進行檢測，通過數據采集和分析處理，驅動執行元件進行有效控制。系統響應時間快，解決了信號不匹配、性能不穩定等問題。

圖2 電送電卷邏輯圖

1.2 主軸電機

織造設備中負載轉動慣量大，要求高牽入轉矩。永磁同步電動機的空載漏磁系數、凸極比、永磁體尺寸和定子繞組，決定了其牽入性能。本文選用MX 系列織機主軸電機MX3-50C70B，運用MTPA+IPM 技術，可輸出極大的峰值扭矩，內置剎車工藝算法，確保了優秀的啟動與制動性能。電機控制采用閉環矢量控制技術，保證了主軸極低的轉速波動，在峰值轉速1200rpm 以下均可持續穩定運行。永磁電機與TWJ200-A6 系統配合使用，優越的轉矩慣量比，構成高效節能、便捷安裝、極簡維護、無極調速的織機主軸打緯裝置。

1.3 變頻器

在系統中，變頻器承擔著信號處理計算和控制主軸電機的關鍵作用。本系統采用一款高性能電流矢量變頻器ITD500，主要用于控制和調節三相交流同步電機的速度和轉矩，并能針對紡織行業，內置斷電同步、故障同步等控制，低速高轉矩輸出，具有良好的動態特性、超強的過載能力、增加了用戶可編程功能及后臺監控軟件，通訊總線功能，支持多種PG 卡等，組合功能豐富強大，性能穩定。

1.4 伺服電機

綜合考慮本系統中的負載、機械特性要求及性價比等因素，在交流伺服電機、步進電機加驅動伺服系統、開關磁阻電機和直流無刷電機四種控制方案中，最終選定MS1V1-75B30CB 型交流伺服電機作為系統送經電機，MS1 系列電機能夠為系統提供多種慣量配置和轉速段配置，還能根據客戶需求，提供不同配置的編碼器類型，實現快速精確的位置控制、速度控制、轉矩控制和軌跡控制。

1.5 手操面板及觸摸屏

手操面板上具有預備、正轉、反轉、剎車和急停按鈕。系統采用IT7070E 型觸摸屏，觸摸屏界面具有主頁、快捷、設置和報表四個模塊。主頁界面如圖3 所示，界面上方是狀態顯示和一級菜單。狀態顯示包含：①公司Logo 和系統時間顯示；②織機角度顯示；③轉向閥方向切換；④織機狀態和故障信息顯示。快捷頁面具有調試、檢測開關、狀態監控、保養、工藝、記錄和高級7 個子模塊。設置模塊中，可以對送卷參數、檔子調整、落布、換經、引緯、花紋等進行設置操作。快捷模塊涵蓋工藝、保養、記錄、高級等。報表模塊可以進行日報表和周報表的統計，實現數據清晰化，可以實時了解織機的生產情況。

圖3 觸摸屏主頁界面

2 系統軟件設計

電控系統內置噴水主控、電送電卷、花樣板控制工藝的伺服驅動一體機，顛覆了傳統的控制器+標準伺服的控制方案，實現了噴水工藝與驅動工藝的高度結合。使用伺服內置的32 位高性能工業級微處理器，可直接利用伺服驅動器的PWM 驅動塊以及PID 控制算法，提高了響應速度。

電子卷取工藝流程：伺服通過CAN 通訊，接收主軸編碼器角度信號，通過內部函數與噴水主控交互，根據織機轉速卷布棍直徑、緯密等設定參數來控制卷取電機實時轉速電子送經張力控制策略和流程，如圖4 所示，首先通過張力傳感器反饋張力模擬量信號，由于該信號含有大量干擾信號，需根據張力濾波算法得出反饋張力，根據設定張力和反饋張力的差值，得出偏差張力，根據偏差張力的大小等特征，通過比例、積分系數自整定算法得出比例、積分系數，通過PID 計算出送經速度，繼而控制送經電機按此速度運動。

圖4 電子送經張力控制流程圖

送經控制的要點是對張力的控制，為保證張力均勻，必須先將經紗的動態張力采集出來。經紗從經軸引出，經過后梁、停經架，穿過棕框至織口，再從胸梁到卷布輥，由于這6 個區域中，經紗的張力是動態的，需要在不同區域對張力進行檢測。系統采用增量式旋轉編碼器，檢測織機主軸的轉速和轉盤位置，考慮到經紗張力在不同主軸轉盤位置上值的大小不同，設計時需要考慮選擇合適的張力采樣方法，本系統采用相對比較準確的平均采樣法。

3 系統調試

織機系統空載時，點動運行，觀察碼盤角度方向是否變換，如果碼盤角度減小且用戶沒有使用變頻器或者尋緯變頻開關關閉，則將外部供電相序調換：如果用戶使用變頻器且尋緯變頻開關打開，則將變頻供電相序調換。確認后再次點動檢查，隨即按下正轉按鈕快車運行，無報警則空車調試結束；若有報警，需根據觸摸屏報警提示進行調整[4]。

織機系統帶載時，確保機器設備運行正常，按要求完成系統指定任務，調試的流程如圖5 所示，主要包括上軸、送經、儲緯設置、花樣板設置、運行、落布設置和探緯設置。儲緯器的設定包括放紗直徑、放紗長度、放紗圈數、儲紗圈數、旋轉方向、織機類型等。

圖5 上機調試流程圖

4 診斷與排故

TWJ200-A6 噴水織機電控系統的常見故障與排除方法如表1 所示。

表1 TWJ200-A6 噴水織機電控系統的常見故障與解決辦法

5 結語

TWJ200-A6 型噴水織機系統以工藝集成化為思路，采用工藝高度集成化設計，由二合一伺服驅動器內置噴水主控、I/O 板、電源板基本配置組成，選配超啟動變頻器、花樣板、電子多臂控制器、數字探緯板以及物聯網等模塊，能實現噴水織機智能控制，支持電子送經、電子卷取、伺服機外卷、電子提花、電子多臂、變頻超啟動等定制化需求，適用于絕大多數國內外噴水織機，能為用戶提供更加專業、高效、個性化的解決方案。