一種快速電錠控制開關(guān)的研究

[摘要] 通過對(duì)傳統(tǒng)電錠控制開關(guān)的分析，提出了一種基于能耗制動(dòng)的電錠開關(guān)新理念，并論述了新型電錠開關(guān)在單片機(jī)控制下的實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)卷繞機(jī)高效化提供了重要的理論依據(jù)和有效手段。

[關(guān)鍵詞] 卷繞機(jī)電錠控制開關(guān)單片微機(jī)控制系統(tǒng)

一、前言

在生產(chǎn)過程中，粘膠長(zhǎng)絲需要用卷繞機(jī)將其卷繞在具有一定容量的卷裝上，卷繞機(jī)一般是由卷曲機(jī)構(gòu)跟導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)組成。自從高速紡絲技術(shù)出現(xiàn)以來，特別是隨著20世紀(jì)70年代高速紡絲技術(shù)的進(jìn)步，紡絲關(guān)鍵設(shè)備之一的卷繞機(jī)正向高速化、大型化、自動(dòng)化和信息化方向飛速發(fā)展。卷繞機(jī)中電錠的啟動(dòng)與制動(dòng)是由電錠轉(zhuǎn)換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，由于電錠本身是一種高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)設(shè)備，所以它的制動(dòng)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

二、傳統(tǒng)電錠控制開關(guān)的分析

傳統(tǒng)的電錠控制開關(guān)是目前紡絲企業(yè)廣泛采用的一種控制開關(guān)，它是利用反接制動(dòng)原理進(jìn)行制動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電錠起動(dòng)時(shí)，1、2和3、4接點(diǎn)分別接通;當(dāng)電錠制動(dòng)時(shí)，1、4和2、3接點(diǎn)分別接通，此時(shí)定子繞組兩相反接，以達(dá)到反接制動(dòng)的目的;待電錠停止后，將開關(guān)置于零位，各接點(diǎn)均斷開，但另一相電源仍與電錠連接。

電錠兩相反接運(yùn)行的機(jī)械特性在圖2中給出。由曲線所示，當(dāng)電錠速度受反力矩慢慢降為零時(shí)，反力矩并沒有降為零，此時(shí)若沒有及時(shí)地切斷電源，電錠會(huì)在力矩的作用下反轉(zhuǎn)，這就容易造成反捻絲餅的出現(xiàn)。同時(shí)，由于有一相電源始終跟電錠接通，當(dāng)電路接地時(shí)，就很難分清是開關(guān)或匯流排的原因，還是電錠本身的原因。

在傳統(tǒng)控制開關(guān)中，存在下面一些主要問題:

1.制動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，影響了紡絲機(jī)的生產(chǎn)效率，增加了水廢絲。

2.熔斷器裝載了開關(guān)內(nèi)部，撤卸的時(shí)候不方便。

3.當(dāng)工藝工控制停車不及時(shí)，電錠容易反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)反捻絲餅等。

三、新型電錠控制開關(guān)的研究

為了解決目前所廣泛使用的傳統(tǒng)電錠控制器所帶來的一系列問題，從而提高生產(chǎn)效率，研究新型的電錠開關(guān)就成為了必要。新型電錠開關(guān)是利用了能耗制動(dòng)的原理，圖3中曲線2表示能耗制動(dòng)過程電錠所表現(xiàn)的機(jī)械特性。在能耗制動(dòng)過程中，當(dāng)電錠的速度為零時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T也為零，這就避免了不及時(shí)停車所造成的絲餅反捻現(xiàn)象。

1.新型控制開關(guān)的主電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的快速性與穩(wěn)定性，可采用直流能耗制動(dòng)的原理來設(shè)計(jì)新型控制開關(guān)。其主電路如圖3所示。在圖3中，熔斷器FU采用了熔斷器座，在外部就可以隨時(shí)將其取出;利用高頻感應(yīng)原理增加了LED發(fā)光二極管，用以指示熔斷器的熔斷情況;發(fā)光二極管與IN4007二極管反并聯(lián)，電阻R為限流電阻，與IN4007二極管一起起到保護(hù)發(fā)光二極管的作用;電錠開關(guān)采用了線電壓整流方式，這就避免了由于電錠供電系統(tǒng)接地造成的相電壓不平衡因素的影響;為了增加整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)中只用了兩個(gè)10 A10HY整流管。電錠起動(dòng)時(shí)，1和2、3和4、5和6分別接通;制動(dòng)檔時(shí)，1和7、3和8、5和6分別接通;停止檔時(shí)，每個(gè)接點(diǎn)都不接通。

在實(shí)際的生產(chǎn)中，企業(yè)越來越追求控制的高度自動(dòng)化，以達(dá)到可靠、安全、高效的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可采用單片機(jī)實(shí)行適時(shí)監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行過程。對(duì)于電錠速度相對(duì)穩(wěn)定的紡絲生產(chǎn)過程，從卷裝開始到卷繞滿徑的時(shí)間在理想情況下是某一定值，那么就可以利用單片機(jī)計(jì)時(shí)到卷裝滿時(shí)開啟制動(dòng)開關(guān)，然后利用另一定時(shí)器所預(yù)先設(shè)定的制動(dòng)時(shí)間來停止電錠的運(yùn)行，這樣不但不會(huì)出現(xiàn)絲餅的反轉(zhuǎn)，也不會(huì)出現(xiàn)能耗制動(dòng)停車不及時(shí)所帶來的熔斷絲熔斷。

2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上面所分析的控制效果，可設(shè)計(jì)如圖4所示的單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)的控制核心部分主要是由主機(jī)電路、人機(jī)界面(鍵盤/顯示電路)、輸入輸出電路以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控電路(聲光報(bào)警電路)等環(huán)節(jié)，通過過橋母板連接。在主機(jī)電路設(shè)計(jì)中，選用AT89C2051單片機(jī)作為中央處理單元，同時(shí)包括電源與芯片復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)的2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器分別存儲(chǔ)從卷繞運(yùn)行開始到卷裝滿徑的所需時(shí)間和制動(dòng)過程所需時(shí)間，并可根據(jù)生產(chǎn)的需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié);復(fù)位電路具有上電復(fù)位和人工復(fù)位的作用;利用串行通信接口還可將本系統(tǒng)作為紡絲生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)(DCS)的下位機(jī)使用。在鍵盤/顯示電路中，應(yīng)用8279接口芯片，外接10數(shù)字鍵和4個(gè)LED顯示器，分別用來鍵入數(shù)據(jù)和顯示運(yùn)行狀態(tài)。為了提高控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的抗干擾能力，在輸入輸出電路與受控主電路通過設(shè)置光耦電路來提高可靠性。

圖6所示為中央處理單元的輸出口與受控繼電器之間的電路圖。光電耦合器G5LC-14-12VDC是用來隔離大電流的反串，起到抗干擾的作用;反向放大三極管T1用來放大光電耦合器輸出的電流以驅(qū)動(dòng)繼電器;T1集體管集電極上的二極管起到箝位作用。

3.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要采用了C語言按模塊程序、容錯(cuò)技術(shù)、數(shù)字濾波等方面進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)分為主程序、設(shè)定命令處理程序、讀出命令處理程序、寫入命令處理程序以及若干個(gè)子程序等部分。下面主要介紹主程序的流程圖。

圖7為主程序的流程圖，從流程圖中可以看出，在按下開始按鈕后，電錠的正常運(yùn)行、制動(dòng)以及停車過程都不需要人為地去干預(yù)，這就在很大程度上提高了生產(chǎn)效率。

四、結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的能耗制動(dòng)電錠開關(guān)是一種新型的轉(zhuǎn)換開關(guān)，用能耗制動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)電錠的控制具有制動(dòng)速度快、穩(wěn)定性高、自動(dòng)化技術(shù)明顯以及不會(huì)出現(xiàn)絲餅反捻等特點(diǎn)，應(yīng)用價(jià)值廣泛。本文涉及的基本原理和控制系統(tǒng)方法的設(shè)計(jì)為電錠的控制建立了理論基礎(chǔ)和時(shí)間用途。

注:絲錠負(fù)載為4.5Kg

上表為新型電錠控制器與傳統(tǒng)電錠控制器在實(shí)際控制效果上的比較，從而反映除了新型控制器的快速型。

參考文獻(xiàn):

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