1 問(wèn)題的提出
化纖長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程需要應(yīng)用卷繞機(jī)將化學(xué)纖維的絲條卷繞成為具有一定容量的圓柱形卷裝。卷繞機(jī)通常由卷取機(jī)構(gòu)和導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)兩大部分組成 。隨著化纖生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是高速紡絲技術(shù)的發(fā)展，化纖機(jī)械日益趨向高速化、連續(xù)化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化和機(jī)電一體化。因此，在化纖長(zhǎng)絲的整個(gè)卷繞過(guò)程中，為了避免絲條的斷頭、伸長(zhǎng)不勻、條干不勻，以提高絲條的染色性能和卷裝的成形良好，經(jīng)常采用錠軸傳動(dòng)方式的卷取機(jī)構(gòu)作為高速卷繞機(jī)的重要組成部分。
文獻(xiàn)[4]介紹了以化纖長(zhǎng)絲成品纖維線密度的定義導(dǎo)出的錠軸傳動(dòng)控制模式及其采用單片微機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。這里在對(duì)化纖長(zhǎng)絲高速卷繞機(jī)錠軸傳動(dòng)方式深人研究的基礎(chǔ)上，論述了一種由某一卷繞時(shí)間內(nèi)卷裝質(zhì)量導(dǎo)出的錠軸傳動(dòng)控制模型及其應(yīng)用可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）的實(shí)施方案，以構(gòu)成又一種錠軸傳動(dòng)的控制技術(shù)。
2 錠軸傳動(dòng)的建模分析
現(xiàn)設(shè)do 為紙質(zhì)筒管的外徑（其單位為mm）、H 為導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)的往復(fù)動(dòng)程（其單位為mm）、P 為卷裝的視在密度（其單位為g/c㎡）、G為高速紡絲機(jī)計(jì)量泵熔體吐出量（其單位為g/min ，它主要取決于化纖長(zhǎng)絲成品纖維含濕量與含油量系數(shù)、化纖長(zhǎng)絲成品纖維線密度、卷繞速度和牽伸倍數(shù)等因素）、tx為某一卷繞時(shí)間（其單位為s）、dx 為對(duì)應(yīng)于tx的某一卷裝外徑（其單位為mm) ，則根據(jù)tx的卷裝質(zhì)量可得：
(l)
從式（1）可導(dǎo)出：
(2)
又由于卷繞速度v（其單位為m/min）與卷裝表面圓周速度v1、橫動(dòng)導(dǎo)絲速度v2之間可構(gòu)成一個(gè)如圖l 所示的卷繞速度矢量圖(圖中的a 為卷繞角、m 為導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)每分鐘往復(fù)次數(shù)），于是對(duì)應(yīng)于tx的錠軸轉(zhuǎn)速nK （其單位為r／min）的某一值為：
(3)
圖1 卷繞速度矢量圖
把式（2）代人式（3）便得出某一卷繞時(shí)間tx與對(duì)應(yīng)的某一錠軸轉(zhuǎn)速 之間的函數(shù)關(guān)系式：
(4)
式（4 ）即為一種錠軸傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和錠軸轉(zhuǎn)速的控制基礎(chǔ)，它表明可按預(yù)先設(shè)定的v、a、G、p、H 、do等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)和機(jī)械參數(shù)求得錠軸轉(zhuǎn)速隨卷繞時(shí)間變化的特殊規(guī)律。
3 錠軸傳動(dòng)的實(shí)施方案
為了實(shí)施上述錠軸傳動(dòng)的特殊轉(zhuǎn)速規(guī)律，可采用結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示的機(jī)電一體化控制方案。錠軸傳動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受的指令為錠軸轉(zhuǎn)速實(shí)際給出值n ：它是以函數(shù)關(guān)系式（4）所確定的錠軸轉(zhuǎn)速計(jì)算值n 作為主要內(nèi)容；同時(shí)，考慮到隨著卷裝外徑的不斷增大，卷取機(jī)構(gòu)的慣性、卷裝旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)阻和摩擦力矩亦隨之增大，考慮到接觸輥打滑的影響，則將接觸輥實(shí)際轉(zhuǎn)速n 與對(duì)應(yīng)v的接觸輥設(shè)定轉(zhuǎn)速n 進(jìn)行比較，把兩者之間的本次偏差e 通過(guò)自動(dòng)可變比例增益的比例積分（PI）控制算法，對(duì)式(4）的計(jì)算值n 進(jìn)行輔助的微量修正，以進(jìn)一步改善控制過(guò)程的靜動(dòng)態(tài)特性和保證高速卷繞機(jī)的恒線速卷繞。所以，錠軸轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制時(shí)的實(shí)際給出值為：
（5 )
式中的P為與卷裝外徑有關(guān)的自動(dòng)可變比例系數(shù)、I 為積分系數(shù)、。e 為上一次的偏差值。
圖2 錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)框圖
4 錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)PCC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 PCC 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
在具體實(shí)現(xiàn)式（5）所要求的檢測(cè)、計(jì)算和控制任務(wù)時(shí)，可應(yīng)用PCC 控制技術(shù)按圖2 的示意設(shè)計(jì)成為如圖3 所示的一種錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)機(jī)電一體化的PCC 控制系統(tǒng)：紙質(zhì)筒管上繞有卷裝，卷裝上有施加一定接觸壓力的接觸輥，接觸輥的實(shí)際轉(zhuǎn)速由其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)拾取，裝有紙質(zhì)筒管的錠軸由錠軸電機(jī)直接傳動(dòng)，錠軸電機(jī)通過(guò)其變頻器調(diào)速，整個(gè)系統(tǒng)的核心部件是PCC 。圖3 中的PCC 選用了奧地利貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司B&R2000PCC 系列B&R2003PCC 及其模塊化擴(kuò)展技術(shù)，它主要由B&R2003PCC 子系列中的CP474CPU 主模塊、DI135 高速數(shù)字量輸人模塊、IF321RS485 接口模塊和IF3llRS232 接口模塊等組成。
CP474CPU 主模塊內(nèi)含2003 的處理器、looKB 的SRAM 、512KB 的Flash PROM 、用于CPU 編程和下載程序的RS232接口、用于聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的CAN 接口和4 個(gè)CP 插槽，它可固化系統(tǒng)程序，存儲(chǔ)化纖卷繞生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)和機(jī)械參數(shù)、PI 調(diào)節(jié)的系數(shù)、中間變量等，完成有關(guān)計(jì)算、檢測(cè)和控制等任務(wù)。插人CP474CPU 主模塊CP 插槽的Dl135 模塊，具有高速數(shù)字量輸入的功能，可充分利用其內(nèi)部4 MHz 高頻脈沖信號(hào)、高速計(jì)數(shù)器以及CP474 所特有的獨(dú)立時(shí)間處理器單元（TPU）功能，通過(guò)數(shù)字濾波法實(shí)時(shí)檢測(cè)接觸輥實(shí)際轉(zhuǎn)速n ，從而有效地提高了測(cè)速的精度。插入CP474CPU 主模塊CP 插槽的IF311 模塊，具有RS485 接口的功能，完成將錠軸轉(zhuǎn)速實(shí)際給出值n 送至錠軸電機(jī)變頻器的RS485 接口，實(shí)現(xiàn)錠軸傳動(dòng)的過(guò)程控制，使錠軸轉(zhuǎn)速符合式（4）所描述的目標(biāo)函數(shù)。插人CP474CPU 主模塊CP 插槽的IF311 模塊，具有RS232 接口的功能，用于連接HITECH PWS 一700TSTN型觸摸屏，以進(jìn)行功能選擇、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)指示等有關(guān)鍵盤操作和信息顯示。一旦完成設(shè)置任務(wù)，觸摸屏亦可處于脫機(jī)狀態(tài)。
圖3 錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)的PCC 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
4.2 PCC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
圖3 所示的錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)PCC 控制系統(tǒng)的軟件部分主要采用B&R2003PCC系列編程軟件包PG200所提供的PL2000高級(jí)語(yǔ)言和HITECH PWS 編程軟件包ADP3進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可分為若干個(gè)模塊，其中的特色部分是錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)運(yùn)行前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理程序模塊和錠軸傳動(dòng)卷繞機(jī)運(yùn)行后的過(guò)程控制處理程序模塊。
圖4 所示的為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理程序流程圖，它可按化纖卷繞生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的v、a 、G 、p 、H 、do以及卷裝滿筒外徑d 等工藝參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，在CP474CPU 主模塊的存儲(chǔ)器中按式（2）和式（4）建立有關(guān)中間變量、參照式（4）建立錠軸轉(zhuǎn)速的初始設(shè)定值n 、參照式（3）建立接觸輥設(shè)定轉(zhuǎn)速n 等有關(guān)數(shù)據(jù)，以擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
圖5 所示的為過(guò)程控制處理程序流程圖，它是以函數(shù)關(guān)系式（4）為主要參照物，通過(guò)檢測(cè)拾取n 計(jì)算求出e ，按式（5）的PI 算法得出n ，經(jīng)變頻器調(diào)速，使錠軸轉(zhuǎn)速按照式（4）的目標(biāo)函數(shù)運(yùn)行,直至到達(dá)卷裝滿筒外徑d 為止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)錠軸傳動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)實(shí)時(shí)控制。
圖4 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理程序流程圖
圖5 過(guò)程控制處理程序流程圖
5 結(jié)論
這里重點(diǎn)研究并論述了一種由卷繞時(shí)間內(nèi)卷裝質(zhì)量導(dǎo)出的錠軸傳動(dòng)原理及其PCC 控制模型，為具體實(shí)施錠軸傳動(dòng)控制提供了又一種行之有效的技術(shù)方案，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，在卷裝成形等方面已呈現(xiàn)出良好的效果。
由于B&R2003PCC是一種集工業(yè)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)于一體的集成化、智能化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的自動(dòng)控制裝置，具有較高的可靠性、較強(qiáng)的抗干擾能力、較短的開(kāi)發(fā)周期并易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部等特點(diǎn)，是化纖工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單邏輯控制到復(fù)雜集散控制的理想手段。