自動筒紗包裝機控制系統(tǒng)的設(shè)計

馮徐鑫，鄧成鋼，戴 曦，劉國梁，葛永亮

（ 浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018）

近年來，我國紡織業(yè)飛速發(fā)展，市場對紡織機械也提出了更高的要求，向自動化、信息化、智能化以及高速、高效、高可靠性方向發(fā)展，向適應(yīng)紡織新品種、新工藝、差異化方向發(fā)展[1]。 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和市場全球化的深入，無論國內(nèi)還是國外市場，服裝業(yè)的競爭異常激烈，對支撐其發(fā)展的紡織行業(yè)也提出了更高的要求，企業(yè)管理和設(shè)備的自動化程度必須與國際接軌。 尤其在包裝環(huán)節(jié)，在保證質(zhì)量的同時， 生產(chǎn)成本要降低， 生產(chǎn)效率要提高[2 -3]。 為了提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，近年來國內(nèi)廠家不斷引進國外生產(chǎn)設(shè)備。 先進的紡紗核心設(shè)備大大提升了企業(yè)的生產(chǎn)能力，但末端包裝設(shè)備的陳舊成為了整個生產(chǎn)流程的瓶頸。 目前大多數(shù)企業(yè)的成品紗打包與還是半自動設(shè)備甚至人工為主，造成了生產(chǎn)線紡紗主設(shè)備的高產(chǎn)能與末端包裝設(shè)備低生產(chǎn)率的矛盾， 嚴重影響了成品紗入庫效率[4]。 末端包裝設(shè)備過多的人工參與勢必造成用工、生產(chǎn)和倉儲管理的成本增加，使用自動化的包裝設(shè)備，實現(xiàn)“ 機器換人” 成為紡織企業(yè)的必選之路[5]。 控制系統(tǒng)的研發(fā)是實現(xiàn)包裝設(shè)備自動化的重要環(huán)節(jié)，所以研發(fā)適應(yīng)我國紡紗企業(yè)的包裝機控制系統(tǒng)，對于改變紡紗生產(chǎn)線末端的生產(chǎn)現(xiàn)狀，推進紡紗生產(chǎn)線設(shè)備自動化進程，加速 “ 智能工廠” 建設(shè)有著積極的意義[6]。

1 自動筒紗包裝機工作原理

圖1 包裝機系統(tǒng)組成

筒紗包裝機系統(tǒng)（ 見圖1） 由上下紗系統(tǒng)、套袋系統(tǒng)、轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和熱縮稱重系統(tǒng)組成。 各子系統(tǒng)由循環(huán)軌道聯(lián)系在一起，協(xié)調(diào)工作完成包裝流程，并可在局部獨立實現(xiàn)相應(yīng)功能。和熱縮稱重等工序。 筒紗從渦流紡傳輸至上紗工位，由上紗機構(gòu)在伺服電機控制下送至循環(huán)軌道的吊籠中；筒紗吊籠運行至套袋工位時，由下紗機構(gòu)將其從循環(huán)軌道中取下放入套袋傳送帶；筒紗隨輸送帶運行至翻轉(zhuǎn)工位時完成翻轉(zhuǎn)動作，隨后進入套袋工位；套袋后的筒紗由輸送帶送至整列等待區(qū)，并在輸送過程中完成計數(shù)；當整列等待區(qū)的筒紗數(shù)量達到設(shè)定值，完成整列并發(fā)出等待轉(zhuǎn)運指令；轉(zhuǎn)運車在收到指令后將整列完成的紗包送入熱縮機，在熱縮機內(nèi)停留時間達到設(shè)定值后， 熱縮工序完成；稱重完成后進入碼垛等待區(qū)，至此包裝系統(tǒng)的全部工序完成。

2 包裝機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

筒紗包裝機的工作方式分為自動和手動兩種方式。 自動運行為系統(tǒng)的常規(guī)運行方式，無需人工參與自動實現(xiàn)上下紗、位置檢測與翻轉(zhuǎn)、包膜套袋

2.1 系統(tǒng)控制流程

控制系統(tǒng)整體采用上位機監(jiān)控和PLC（ program logic control）下位執(zhí)行的聯(lián)合模式。 PLC即可編程邏輯控制器，是一種新型工業(yè)控制裝置[7-8]，其協(xié)調(diào)上下紗、套袋和轉(zhuǎn)運三個子系統(tǒng)的協(xié)同動作，同時每個子系統(tǒng)又可以實現(xiàn)單獨控制。

包裝機系統(tǒng)的控制邏輯（ 見圖2），當“ 自動運行” 按鈕按下，系統(tǒng)啟動，循環(huán)軌道隨即進入運轉(zhuǎn)狀態(tài)；上下紗系統(tǒng)進入編碼檢測狀態(tài)，當設(shè)定編碼的吊籠經(jīng)過上下紗位置時，執(zhí)行機構(gòu)動作，將筒紗運送至后道工序的等待位置。 當筒紗到達包膜套袋工位，套袋機進行套袋整列并計數(shù)，當一包紗整列完成時發(fā)出轉(zhuǎn)運請求；轉(zhuǎn)運車收到請求信號后從初始位置運行至請求位置，將紗包運至熱縮稱重工位。

圖2 包裝機系統(tǒng)控制時序圖

三個子系統(tǒng)中，上下紗系統(tǒng)相對獨立，而包膜套袋和轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，是整個程序設(shè)計的重要環(huán)節(jié)， 所以在這兩個系統(tǒng)的銜接過程設(shè)計了兩次“握手” 信號。 第一次 “ 握手” 為紗包整列完成后向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)發(fā)出一次請求信號，轉(zhuǎn)運系統(tǒng)收到請求信號控制轉(zhuǎn)運小車運行至請求位置，然后向套袋系統(tǒng)發(fā)出到達信號，套袋系統(tǒng)接收到轉(zhuǎn)運到達信號后，第一次 “握手” 完成。 隨后轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進入轉(zhuǎn)運紗包的轉(zhuǎn)運狀態(tài)，當轉(zhuǎn)運小車將紗包運送至熱縮稱重工位，并返回原點后，轉(zhuǎn)運狀態(tài)清零，進入轉(zhuǎn)運等待，此時第二次 “握手” 完成。

2.2 包裝機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

包裝機控制系統(tǒng)硬件上由上位機、人機交互界面、控制柜、稱重儀表等組成。 上位機實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸功能，人機交互界面實現(xiàn)基本的人機交互，控制柜安裝空開、PLC、伺服驅(qū)動器、繼電器、接觸器等電器元件，稱重儀表實時顯示紗包重量，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

包裝機系統(tǒng)電控系統(tǒng)采用基于PLC的模塊化設(shè)計，根據(jù)功能要求和現(xiàn)場情況選擇相應(yīng)模塊進行組合和調(diào)配[9]。 控制單元主體由工控機、 臺達DVP40ES00T2、 DVP60ES200T 和 DVP80EH300T PLC組成，并輔以相應(yīng)擴展模塊。 其中，DVP40ES0為上紗系統(tǒng)的主控模塊， 執(zhí)行單元為伺服電機；DVP60ES2 為套袋系統(tǒng)的主控PLC，控制交流電機、氣缸及溫控模塊工作；DVP80EH3 為轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主控PLC，在接近開關(guān)和光電傳感器的配合下，控制伺服 系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)運車的精確定位， 定位系統(tǒng)選用臺達ASD-B2 -0121B伺服驅(qū)動器。 電氣系統(tǒng)框架如圖3 所示。

圖3 電氣系統(tǒng)框架

3 包裝機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC控制程序IDEF0分析

IDEF0 的基本思想是結(jié)構(gòu)化分析方法，來源于SADT方法[10]。 包裝系統(tǒng)的IDEF0 分析如圖4 所示。 方框表示活動， 箭頭用以連接系統(tǒng)中各個活動。

圖4 包裝系統(tǒng)IDEF0 圖

包裝機系統(tǒng)的下紗動作由伺服系統(tǒng)驅(qū)動。 驅(qū)動功能的實現(xiàn)需要原位和限位傳感器輸入信號以及PLC指令的配合；筒紗翻轉(zhuǎn)動作的執(zhí)行元件為氣缸和電機，動作的完成需要位置傳感器、氣缸磁性開關(guān)以及PLC給出的電機正反轉(zhuǎn)指令的配合；套袋整列流程則是利用氣缸、電機、熱刀等執(zhí)行元件共同完成，同時需要位置傳感器、紗包參數(shù)、預(yù)設(shè)溫度值等輸入信息的采集為前提，以及PLC控制氣缸伸縮、電機啟停、加熱通斷等輸出按程序設(shè)定邏輯進行工作；套袋整列與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的銜接則需要在整列完成后發(fā)出轉(zhuǎn)運請求信號。

3.2 套袋整列PLC程序流程設(shè)計

套袋整列PLC程序的流程如圖5 所示，當系統(tǒng)進入運行狀態(tài)時，首先對送膜收膜裝置、熱封刀組、翻紗機構(gòu)以及推送機構(gòu)的初始位置進行檢測，若不滿足啟動條件，則進行報警，并退出自動運行狀態(tài)。操作人員可通過人機交互界面查詢報警信息。

若滿足啟動條件，系統(tǒng)將進入自動運行流程，首先進行套袋請求，然后對需要翻轉(zhuǎn)的筒紗進行翻轉(zhuǎn)操作，進而撥入套袋工位進行套袋封口。 系統(tǒng)會對封口完成的筒紗進行計數(shù)，當數(shù)量達到預(yù)設(shè)的單排個數(shù)的時候，將此排筒紗推入整列區(qū)，繼而對整列區(qū)筒紗排數(shù)進行計數(shù)，當排數(shù)達到預(yù)設(shè)值時，整列工序完成，發(fā)出轉(zhuǎn)運請求。 待轉(zhuǎn)運車到達后，整列區(qū)和轉(zhuǎn)運車的皮帶同時動作，完成紗包輸送，套袋整列操作完成。

圖5 套袋整列流程圖

3.3 人機交互界面設(shè)計

人機交互界面的設(shè)計采用臺達DOP-B07S100觸摸屏完成，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示、按鈕操作與提示、參數(shù)設(shè)置以及報警信息顯示等功能。 交互系統(tǒng)主要由主控界面、手動操作面板、參數(shù)設(shè)置、報警面板以及感應(yīng)信號狀態(tài)顯示面板以上下級菜單形式呈現(xiàn)。

主界面包括操作區(qū)與顯示設(shè)置區(qū)，操作區(qū)設(shè)置有各子單元的啟停和臨時停車按鈕，同時可以通過右側(cè)的界面切換按鈕切換至手動操作、參數(shù)設(shè)置等下一級界面。 中間部分為主要參數(shù)的顯示以及紗包規(guī)格的選擇。 參數(shù)設(shè)置界面（ 見圖6），提供了包裝系統(tǒng)運行過程中需要調(diào)整的參數(shù)的顯示與修改功能，保證在不同運行情況或者不同紗包規(guī)格的切換后參數(shù)的匹配性。 在參數(shù)設(shè)置頁面可以通過頁面轉(zhuǎn)換鍵返回主界面或者切換至手動界面。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

4 系統(tǒng)調(diào)試

自動筒紗包裝機控制系統(tǒng)在蘇州鑫鳳集團的紡紗生產(chǎn)線上進行了調(diào)試及試運行。 首先對單體動作單元進行調(diào)試，對動作的準確性和實時性進行了確認，特別對延時動作的延時時間進行反復(fù)試驗和調(diào)整。 然后放入筒紗在實際生產(chǎn)條件下進行整機帶料聯(lián)調(diào)并試運行，同時測試人機交互界面的設(shè)計的合理性。

調(diào)試后的試運行， 系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行兩個班次，平均1 min 可以完成一包紗的包裝，能夠到達車間的生產(chǎn)效率要求。 但同時也發(fā)現(xiàn)了封口質(zhì)量不穩(wěn)定問題，即有的封口沒有完全粘合，而有的封口加熱過度，強度不夠。 經(jīng)分析，造成這種現(xiàn)象的原因是封口動作對加熱刀的溫度要求精確，而現(xiàn)有系統(tǒng)對溫度的控制存在波動。 最終采用增加臺達溫控模塊的方案， 解決了溫度控制存在較大波動的問題。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)運行過程基本穩(wěn)定，設(shè)計功能能夠滿足實際生產(chǎn)線的需求。 通過試運行也明確了今后改進的方向，如建立各子系統(tǒng)之間的通訊，方便上位機統(tǒng)一監(jiān)控與調(diào)度；簡化系統(tǒng)，減少不必要的控制邏輯；進一步提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及故障自恢復(fù)能力。