1 引言
隨著現(xiàn)代化科技的發(fā)展，紡織生產(chǎn)工藝的改進提高，轉(zhuǎn)杯紡紗在紡織工藝過程中的應(yīng)用越來越廣泛。紡織企業(yè)對轉(zhuǎn)杯紡紗機的可靠性和易操作性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的控制方式是采用開環(huán)控制，電機的運行頻率通過變頻器面板手工設(shè)置，這種方式存在控制精度差，人機交互性差等一系列問題，這就需要開發(fā)出更合理的控制系統(tǒng)來提高機器的運行精度和改善人機交互性。PLC可編程控制器可靠性高、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點，所以越來越被廣泛的應(yīng)用于對轉(zhuǎn)杯紡紗機的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。
臺達(dá)目前可為客戶提供PLC控制器、人機界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等系列自動化產(chǎn)品，可以向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。本文以臺達(dá)DVP系列PLC為核心改進設(shè)計了一套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)紡紗控制性能的提高。
2 轉(zhuǎn)杯紡紗工藝分析
轉(zhuǎn)杯紡紗以前也稱氣流紡紗，屬于自由端紡紗方法。它是目前各種新型紡紗中較為成熟、并己大量推廣應(yīng)用的一種紡紗新技術(shù)。
自由端紡紗方法與傳統(tǒng)的紡紗方法不同之處在于：在紡紗過程中輸送的纖維不再是連續(xù) 的而是形成“斷裂”。因此，這就需要供應(yīng)的纖維在很高的速度下產(chǎn)生非常細(xì)的纖維流，并 在輸送纖維的過程中形成“斷裂”，纖維各自穿過“斷裂”而凝聚，粘附于紗條的自由端紗 尾加捻成紗。成紗過程一般包括喂給、開松、凝聚、加捻和卷繞。
圖1 轉(zhuǎn)杯紡整機
圖2 單錠轉(zhuǎn)杯紡紡紗過程
圖1和圖2分別為轉(zhuǎn)杯紡整機實物圖和單錠轉(zhuǎn)杯紡紡紗過程示意圖
轉(zhuǎn)杯紡紗機的電氣控制系統(tǒng)主要包括四個方面的控制：
A. 單錠的控制，需要實現(xiàn)斷紗檢測和標(biāo)示報警；
B. 為保證起動和停機時不斷紗，紡杯速度、引紗電機與喂棉電機之間的動作必須協(xié)調(diào)同步，同時要求較高的速度精度和動態(tài)響應(yīng)；
C. 保證單錠控制與主控的數(shù)據(jù)通訊可靠便捷；
D. 省去機械凸輪機構(gòu)，實現(xiàn)紡紗過程中防疊和防硬邊的電子化；（選配）
3 轉(zhuǎn)杯紡控制系統(tǒng)構(gòu)架
轉(zhuǎn)杯紡設(shè)備中，單錠紡紗器中喂棉羅拉采用步進電機驅(qū)動；分梳棍和轉(zhuǎn)杯采用變頻驅(qū)動，龍帶將動力分配各錠；引紗羅拉同樣采用變頻控制，利于引紗張力的同步控制；單節(jié)點控制中，采用臺達(dá) DVP12SC 型 PLC，單臺PLC發(fā)送4路脈沖，可獨立控制4錠紡紗器的4臺喂棉步進電機；整體構(gòu)架如圖3所示：
圖 3 基于臺達(dá)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)杯紡系統(tǒng)控制構(gòu)架
在整個系統(tǒng)構(gòu)架圖中,導(dǎo)紗桿的控制分機械凸輪或電子伺服控制，需根據(jù)客戶設(shè)備而定。機械凸輪在實際使用中具有易磨損、調(diào)整不便，設(shè)備成本高等缺點；利用現(xiàn)代伺服控制技術(shù)取代機械凸輪實現(xiàn)導(dǎo)紗的防疊和防硬邊成為其發(fā)展趨勢。
本構(gòu)架基于Devicenet總線控制模式，具有抗干擾能力強、通訊數(shù)據(jù)量大、響應(yīng)性好等特點；同時我們也提供基于R485 通訊控制模式的轉(zhuǎn)杯紡織控制方案
4、電子防疊紗功能的實現(xiàn)
根據(jù)客戶的設(shè)備小巧緊湊的特點，我們給客戶配置了以下產(chǎn)品，
4.1 電子防疊的控制原理
要實現(xiàn)凸輪運動的精確控制，就需建立機械凸輪運動數(shù)學(xué)曲線，通過對防疊繞運動分析， 防紗線疊繞實際就是改變每層紗線的導(dǎo)紗角不一致，一般認(rèn)為在10層以上就不會再發(fā)生疊 繞，通俗的講第一層的導(dǎo)紗角和第十一層導(dǎo)紗角相同也不會發(fā)生疊繞。導(dǎo)紗角的計算方法如 下圖 4 所示。
圖 4 導(dǎo)紗角示意
導(dǎo)紗角計算公式如下：
tg(α/2)=h/πD ①
式中：h——紗卷卷繞一周導(dǎo)紗器行程（mm）
D ——紗卷直徑（mm）
h=V×t×1000 ②
式中：V——導(dǎo)紗速度（m/min）
t ——紗卷卷繞一周所需時間（min）
t= πD/（1000×V1） ③
式中：V1——引紗速度（m/min） 將②、③式代入①式得：
tg(α/2)=V/V1 ④
從式④中可看出，要改變導(dǎo)紗角只需改變引紗速度或?qū)Ъ喫俣，紡紗品種確定后引紗速度是恒定不變的，因此要改變導(dǎo)紗角就必須變化導(dǎo)紗速度。為簡化控制程序，設(shè)定在每一個 往返動程（為一個小周期）內(nèi)導(dǎo)紗速度不變，相鄰的5個小周期導(dǎo)紗速度不相同，導(dǎo)紗速度 在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)紗速度的±10%變化，連續(xù)5個小周期構(gòu)成一個大周期，大周期進行循環(huán)，就可以達(dá)到防疊繞功能（見圖6）。
防硬邊功能的實現(xiàn)，機械凸輪是依靠導(dǎo)程整體軸向移動來改變紗線換向點的位置，以此 來消除硬邊的形成；電子凸輪實現(xiàn)方案為：改變小周期內(nèi)動程的距離從而改變換向點的位置， 達(dá)到消除硬邊的目的（見圖5）。
圖5導(dǎo)紗桿運動曲線圖
4.2 電子防疊紗功能的實現(xiàn)
機械上需取消原復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，增加伺服電機安裝位置，通過同步帶輪，直接驅(qū)動導(dǎo) 紗桿來回運動。如圖6所示。
圖 6 導(dǎo)紗伺服電機的傳動
需要考慮的是，導(dǎo)桿往復(fù)運動中，對機械的沖擊較大，在伺服選型時，在滿足功率和 轉(zhuǎn)速情況下，盡量選用低慣量伺服電機。
在系統(tǒng)控制上，伺服在位置模式下接受主機PLC脈沖，在帶加減速的脈沖輸出控制指令PLSR下，改變一個周期來回行程的最高脈沖頻率設(shè)定值，即可實現(xiàn)，間隔周期行程內(nèi)的擺桿速度不同，即改變tg(α/2)=V/V1導(dǎo)紗速度 V,在引紗速度V1不變的情況下，導(dǎo)紗角α即改變，從而達(dá)到防疊紗功能。
4.3 電子防硬邊功能的實現(xiàn)
在人機中設(shè)定紗錠行程 L="AB" 距離，如圖 7
圖7 差繞長度和往復(fù)行程的示意
在實際卷繞中，若一直按照AB往復(fù)運動，紗線會在兩邊形成凸起的現(xiàn)象（俗稱電阻效應(yīng)），不利于紗線在下一工藝中退繞。為防止紗錠的電阻效應(yīng)，需要擺桿換向點每層不同。換向區(qū)寬度設(shè)計時，筒紗上如換向區(qū)過寬，不僅容易形成硬邊，而且易造成端面掛紗，導(dǎo)致壞筒紗。換向區(qū)一般占導(dǎo)程的8%，在換向區(qū)內(nèi)導(dǎo)紗速度從正常速度降至零，假設(shè)換向區(qū)內(nèi)按勻減速運動，那么在換向區(qū)內(nèi)同樣導(dǎo)紗距離，所用時間是正常的兩倍。當(dāng)導(dǎo)紗速度為250m/min 、導(dǎo)紗角 36°、導(dǎo)紗動程 150mm 時，換向時間 t 計算如下：
導(dǎo)紗速度：V= V1×tg(α/2)=250 ×tg18°=81 m/min；
換向區(qū)長度：n=150×8%×2=24mm ；
換向時間：t=2×n/V=2 ×24/1.35=35.6ms
實際擺桿運動過程實際是：行程為 A 點至D 點，D 點至C點，C點至B點，再由B點至A點依序循環(huán)。這就是說，擺桿伺服每個周期的脈沖總數(shù)是不同的，五個周期性循環(huán)一次，每個周期擺桿行程變化 l= n×20%=150×8%×20%×2=4.8mm.。
圖8 電子防疊功能的轉(zhuǎn)杯紡導(dǎo)桿伺服安裝結(jié)構(gòu)
5、轉(zhuǎn)杯紡動作過程
1、點動運行狀態(tài)——人機界面提供各個電機的點動運行、停止功能并顯示各電機狀態(tài)。
2、整機運行狀態(tài)——PLC 按要求依次啟動或停止各電機并在人機界面顯示主機狀態(tài)，其中輸送帶電機為單獨動作。啟動或停止的各個步驟之間均有延時時間，延時時間要求可以在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定。
1）、整機啟動——PLC 按要求依次啟動各個電機，使設(shè)備進入紡紗狀態(tài)。動作順序如下： 點擊整機啟動按鈕→左轉(zhuǎn)杯電機運轉(zhuǎn)→右轉(zhuǎn)杯電機運轉(zhuǎn)→工藝風(fēng)機運轉(zhuǎn)→左分梳電機運轉(zhuǎn)→ 右分梳電機運轉(zhuǎn)→引紗電機運轉(zhuǎn)→排雜輸送帶電機運轉(zhuǎn)；
2）、整機停止——PLC 按要求依次停止各個電機。動作順序如下：
點擊整機停止按鈕→所有步進電機停止運轉(zhuǎn)→引紗電機停止→其他電機停止。
6、結(jié)束語
通過采用以上控制方案，較好的解決了傳統(tǒng)單片機控制中可靠性和操作便利性不足的問題，同時本文探討了轉(zhuǎn)杯紡最新控制技術(shù)及基于臺達(dá)機電產(chǎn)品的實現(xiàn)過程。應(yīng)用臺達(dá)完成的機電控制產(chǎn)品鏈，可提供可靠的轉(zhuǎn)杯紡控制方案，同時為客戶提供定制的程序服務(wù)，完成客戶對轉(zhuǎn)杯紡設(shè)備的特殊控制要求。運行實踐證明：本系統(tǒng)采用臺達(dá)產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，性價比高，得到最終客戶的認(rèn)可和稱許。
【參考文獻】
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[2] 臺達(dá) DVP 系列 PLC 編程手冊.上海：中達(dá)電通股份有限公司.2007
[3] 臺達(dá) VFD B-P 變頻器使用手冊.上海：中達(dá)電通股份有限公司.2008