淺談全自動卷繞頭電氣控制系統(tǒng)

張勤勤 吳長泰

【摘 要】介紹了一種新型的全自動高速卷繞頭電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于最新的速度控制理論，實(shí)現(xiàn)了絲餅的全自動高速卷繞，保證其邏輯控制、運(yùn)動控制和工藝控制集成為一體，響應(yīng)速度快，控制精度高，防疊效果顯著，成品及其成形質(zhì)量更好。

【關(guān)鍵詞】全自動高速卷繞頭；電氣控制系統(tǒng)；自動控制；PLC

化纖行業(yè)一般把長絲紡絲系統(tǒng)的卷繞裝置稱為卷繞頭（又稱卷繞機(jī)），有半自動和全自動兩個系列，有高速和低速、民用絲用和工業(yè)用絲用等不同規(guī)格。高速全自動卷繞頭是集機(jī)械、電氣為一體的高科技產(chǎn)品。卷繞頭自控系統(tǒng)的研究是整個設(shè)備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。就電氣技術(shù)本身來說，需要硬件與軟件的有機(jī)結(jié)合。硬件（如變頻器等），根據(jù)各公司的一般慣例，均采用知名廠家的成熟產(chǎn)品；軟件，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，獨(dú)立自主地研究和開發(fā)。本文將根據(jù)BWrA860T型全自動高速卷繞頭自控系統(tǒng)的研發(fā)過程和實(shí)用效果，探討變頻器、工控機(jī)等硬件及配套軟件在卷繞頭的應(yīng)用。

一、全自動高速卷繞頭電氣控制系統(tǒng)

隨著化纖紡織機(jī)械的快速發(fā)展，對電氣控制系統(tǒng)的要求越來越高。高速卷繞頭作為化纖紡織機(jī)械的關(guān)鍵組成部分，其控制系統(tǒng)極其重要。特別是隨著紡絲速度越來越高，對卷繞速度的控制精度的要求也越來越高。卷繞系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的非線性電氣控制系統(tǒng)，為滿足系統(tǒng)要求，必須確保電機(jī)之間要相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是保證速度之間的協(xié)調(diào)。本文所使用的電氣控制系統(tǒng)就是利用PLC加變頻器控制的方法，同時結(jié)合最新速度控制理論，對卷繞頭速度與動作進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)卷繞頭的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；利用先進(jìn)的ADRC控制方式控制線速度，卷繞速度的精度控制有了很大提高；在橫動速度控制方面，結(jié)合最新的致密精密卷繞（CPW）技術(shù)，使絲筒的成形質(zhì)量有了很大改善。全自動高速卷繞頭是一個連續(xù)生產(chǎn)使用的設(shè)備，除了檢修，一年幾乎不停車，是紡織機(jī)械關(guān)鍵的組成部分，所以要求主件必須具有高精度，裝配高度一致性，系統(tǒng)要求動作可靠，控制精度高，同時還必須操作方便，因此卷繞系統(tǒng)的自動控制極其重要。本文介紹了一種新型的全自動卷繞頭電氣控制系統(tǒng)，它結(jié)合最新速度控制理論，實(shí)現(xiàn)了絲餅的全自動高速卷繞，保證其邏輯控制、運(yùn)動控制及工藝控制集成為一體，響應(yīng)速度快，控制精度更高，防疊效果顯著，成品及其成形質(zhì)量更好。PLC作為主控制器，由按鈕、傳感器等部件完成速度與位置的檢測，由繼電器和指示燈等部件完成動作的執(zhí)行。卷繞頭上共安裝有5個電機(jī)，包括2個卡盤電機(jī)、1個橫動電機(jī)、1個轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)和1個壓輥啟動電機(jī)。工控機(jī)用于對速度的計(jì)算并進(jìn)行速度比對，把結(jié)果送給PLC，最后由PLC來控制調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器驅(qū)動電動機(jī)來完成，且均采用每個變頻器對應(yīng)驅(qū)動一個電機(jī)的控制方式，這樣既可以有效地降低故障率，又能實(shí)現(xiàn)對單個錠子防疊參數(shù)的微調(diào)，有效地改善卷取筒子的成形質(zhì)量[1]。系統(tǒng)開始運(yùn)行時，利用壓力輥啟動電機(jī)，使壓輥轉(zhuǎn)速提到與錠軸相同的速度，從而使它們接觸時降低接觸壓力，甚至達(dá)到同步運(yùn)轉(zhuǎn)，這可以有效地減少毛絲或者紙管破損等現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。高速卷繞頭電氣控制系統(tǒng)主要包括卡盤點(diǎn)機(jī)的速度控制部分、橫動電機(jī)的速度控制部分以及各個動作的控制部分。

二、卡盤電機(jī)速度控制

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，卡盤電機(jī)帶動卡盤軸旋轉(zhuǎn)，由于卡盤和壓力輥處于接觸狀態(tài)，從而帶動壓力輥一起旋轉(zhuǎn)，所以壓力輥的旋轉(zhuǎn)速度就可以當(dāng)成實(shí)際的卷繞速度。由于卷繞不斷進(jìn)行，絲餅卷裝直徑也會不斷增大，這時電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要逐漸降低，才能保證卷繞線速度的恒定，這需要對變頻器的頻率進(jìn)行精確控制。而系統(tǒng)通過實(shí)際的測定值與整定值的比較，精確計(jì)算出控制變頻器的給定值，通過改變頻率，從而控制筒管夾頭轉(zhuǎn)速；同時為減少外部信號的干擾，還需要采取一些相應(yīng)的抗干擾措施，確保系統(tǒng)測得信號的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的ADRC控制方式，把比較后的速度值作為輸入信號，把壓力輥的速度作為反饋信號，對整個控制過程進(jìn)行認(rèn)真的動靜態(tài)分析，形成一個動態(tài)的閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，從而維持卷繞線速度的恒定。由于這種控制方式能對外部干擾等進(jìn)行數(shù)據(jù)上的補(bǔ)償，從而做到對整個系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)反饋以及線性化控制，所以與其他的控制方式相比，比如非線性PID和PID控制等，其控制性能更優(yōu)，對被控對象控制的魯棒性更好?？偟膩碚f，與傳統(tǒng)的卡盤電機(jī)速度控制相比，這種方式線速度控制更加平穩(wěn)，噪聲也有所降低，而且精度提高了0.5%左右[2]。

三、橫動速度控制

橫動導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)主要是利用撥叉導(dǎo)絲原理，由絲筒的圓周運(yùn)動和橫動機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動復(fù)合而成的。由于在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下容易出現(xiàn)疊絲，嚴(yán)重時還可能出現(xiàn)絲束打滑、卷裝無法成形和退繞困難等現(xiàn)象，因此橫動速度的控制關(guān)系到卷裝產(chǎn)品成形的質(zhì)量的好壞。因此，本系統(tǒng)中采用設(shè)置卷繞角與三角波擺頻+防疊卷繞的控制方式，結(jié)合了先進(jìn)的致密精密卷繞（CPW）方式，利用其等升角和等螺距卷繞的原理，確保了卷裝既能在高速運(yùn)轉(zhuǎn)且保證其質(zhì)量情況下完成大直徑的卷繞，而且做到在后道工序中順利退繞，確保退繞時不會出現(xiàn)斷絲等現(xiàn)象。在卷繞過程中，根據(jù)不同時刻的實(shí)際數(shù)據(jù)算出每時每刻卷裝的直徑，從設(shè)定的程序中選出比其小且最接近它的所對應(yīng)的卷繞比，由PLC根據(jù)卷繞比通過變頻器對橫動速度進(jìn)行調(diào)控，確保不會出現(xiàn)的疊絲，從而達(dá)到精密卷繞，最終達(dá)到卷裝不重疊的目的。而采用突變?nèi)遣ê头侄诬S跳相結(jié)合方法可有效避免疊絲的產(chǎn)生，使絲餅成型更加美觀，退繞更加容易。突變?nèi)遣梢苑乐谷遣ǖ恼穹扛膭訒r的慣性波動，分段躍跳可以避開疊絲的卷徑。恒定的絲筒圓周轉(zhuǎn)速與橫動導(dǎo)絲往返速度保證了鋪絲與絲餅硬度的均勻性，絲束的張力也就恒定，有效避免了毛絲、絆絲的產(chǎn)生，從而確保了卷裝的良好成形[3]。

四、動作控制

卷繞系統(tǒng)的動作控制部分包括生頭尾絲、轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)、松筒和漲筒等。由于動作控制復(fù)雜，因此各部件要求精密配合，這就要求PLC的動作要快，可靠性要高。系統(tǒng)中，PLC通過位置傳感器判斷轉(zhuǎn)盤的實(shí)際位置，根據(jù)轉(zhuǎn)盤的位置確定轉(zhuǎn)盤電機(jī)是否啟動與停止。同時PLC根據(jù)轉(zhuǎn)盤的位置來控制生頭機(jī)構(gòu)和尾絲機(jī)構(gòu)的動作，完成生頭和切換的系列動作；轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)控制既包括滿筒時上下卡盤軸的快速切換（目的是完成卷繞機(jī)全自動換筒），又包括在卷繞過程中卷裝直徑增加時轉(zhuǎn)盤的微動，提高絲餅卷裝質(zhì)量。微動時的旋轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)卷裝直徑的增加率以及機(jī)構(gòu)本身的尺寸來確定，而這一過程選擇一伺服電機(jī)進(jìn)行拖動，當(dāng)上卡盤完成卷繞時，PLC控制伺服電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤快速回轉(zhuǎn)，完成上下卡盤軸的快速切換，從而完成卷繞的全自動換筒過程[4]。

五、結(jié)語

本文采用的PLC+變頻器電氣控制系統(tǒng)，結(jié)合最新速度控制理論，能很好地實(shí)現(xiàn)對卷繞頭的電氣控制。卷繞線速度控制利用ADRC控制方式，卷繞線速度的控制精度有了很大程度的提高；橫動控制上利用致密精密卷繞技術(shù)，絲餅卷裝的成形質(zhì)量得到了很大改善，有效地降低了毛絲、斷絲、疊絲、蛛網(wǎng)絲等現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了紡絲的品質(zhì)，確保了卷繞的連續(xù)不間斷。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李勇彬，鄒彩虹，劉亮.淺談全自動高速卷繞頭電氣系統(tǒng)的自動控制[J].圖書情報(bào)導(dǎo)刊，2012，22（8）：153-155.

[2]李海明.淺談橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018，No.164（32）：152.

[3]江玲.基于BRF的自動插秧機(jī)電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（8）：228-231.

[4]李斌.淺談電氣自動化控制中的人工智能技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（4）：252-252.