紡織機(jī)械電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

周 舜

（荊楚理工學(xué)院，湖北 荊門 448000）

通過(guò)數(shù)十年的科研努力，我國(guó)紡織行業(yè)取得了世界矚目的驕人成績(jī)，更是我國(guó)穩(wěn)定人民幣匯率、平衡國(guó)際收支、解決社會(huì)就業(yè)等可持續(xù)性發(fā)展政策的執(zhí)行保證。紡織機(jī)械設(shè)備作為支撐紡織工作正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要基礎(chǔ)，其電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)更是制約紡織機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵。

1 紡織機(jī)械電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)概述

1.1 紡織機(jī)械與電氣自動(dòng)化的含義

紡織機(jī)械即將天然纖維（棉花、蠶絲、動(dòng)物毛等）、化學(xué)纖維（人工合成或天然高分子化合物）等加工為紡織品的機(jī)械設(shè)備，從廣義上理解還應(yīng)包括生產(chǎn)化學(xué)纖維的化工機(jī)械。

而電氣自動(dòng)化是指電力電子、信息處理、自動(dòng)控制等電氣工程類方面的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域，是一門新興的高等院校學(xué)科，人才缺口極大。

1.2 電氣自動(dòng)化應(yīng)用于紡織機(jī)械的價(jià)值

一方面，將電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用于紡織機(jī)械中，是提升相關(guān)行業(yè)工作效率的重要革新方向。我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，大眾生活品質(zhì)隨之提升，對(duì)于高品質(zhì)紡織品的需求日益增加。因此，紡織業(yè)進(jìn)行革新，改變傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，將電氣自動(dòng)化控制技術(shù)融入設(shè)備，不僅降低了人力資源的浪費(fèi)，提升了工作效率，縮短了生產(chǎn)周期，還解決了一定的行業(yè)污染問(wèn)題，加深了紡織行業(yè)高新科技應(yīng)用程度。

另一方面，在提升整體效率的同時(shí)，電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)于提升紡織品質(zhì)量也有著重要的推動(dòng)作用。過(guò)去，我國(guó)紡織行業(yè)在紡織品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)等方面存在不足，在一定程度上影響了對(duì)外出口與對(duì)外貿(mào)易。隨著電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)與紡織機(jī)械的深度融合，自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)、智能化控制技術(shù)水平也隨之上升，大大提升了我國(guó)紡織品在世界經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

1.3 電氣自動(dòng)化應(yīng)用于紡織機(jī)械的問(wèn)題

（1）我國(guó)紡織機(jī)械往往因?yàn)榘l(fā)展類型的不同，電氣自動(dòng)化程度與應(yīng)用技術(shù)也會(huì)有所不同。如棉紡、織造等電氣自動(dòng)化控制程度較為發(fā)達(dá)，但化纖等程度較低，還存在一定的提升空間。

（2）作為一門新興學(xué)科，電氣自動(dòng)化專業(yè)人才極為匱乏，無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)外發(fā)展需求，導(dǎo)致在一定程度上阻礙了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，部分紡織企業(yè)雖然引進(jìn)了高端的自動(dòng)化紡織機(jī)械，但現(xiàn)有員工的專業(yè)技能、綜合素質(zhì)等

投稿日期：2020-01-24

作者簡(jiǎn)介：周舜（1996— ），男，漢族，湖北羅田人，本科生；研究方向：電氣工程及自動(dòng)化。存在一定的不足，無(wú)法有效發(fā)揮其真正功用，這對(duì)于相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展也帶來(lái)了不良影響。

2 紡織機(jī)械電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)研究

2.1 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)Web語(yǔ)言

Web計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言可分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)通常就是超文本標(biāo)記語(yǔ)言，而動(dòng)態(tài)則是執(zhí)行靈活的互聯(lián)網(wǎng)程序，如Java、英文超級(jí)文本預(yù)處理語(yǔ)言（Hypertext Preprocessor，PHP）等。Web技術(shù)以其開放性、靈活性等被廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)的開發(fā)，是當(dāng)前紡織機(jī)械的主流開發(fā)技術(shù)之一。以B/S為最流行的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)，應(yīng)注意3個(gè)方面。

第一，紡織機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)描述中，可使用以萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟（World Wide Web Consortium，W3C）為基礎(chǔ)定制的可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（Extensible Markup Language，XML）數(shù)據(jù)為交換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述，并且應(yīng)建立樹形模型來(lái)對(duì)XML數(shù)據(jù)文件進(jìn)行描述，同時(shí)將每一個(gè)應(yīng)用模塊與樹形模型進(jìn)行一一匹配，如應(yīng)用本身劃分為“根”，程序、數(shù)據(jù)等信息為“樹枝”節(jié)點(diǎn)，且需要將下屬“樹杈”子節(jié)點(diǎn)與其相對(duì)性的具體單位做好關(guān)聯(lián)。

第二，以W 3 C為基礎(chǔ)形成的文檔對(duì)象模型（Document Object Model，DOM）規(guī)范對(duì)于XML數(shù)據(jù)文件來(lái)說(shuō)是較為良好的操作與訪問(wèn)方式，可以保證在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中讓XML與應(yīng)用不具關(guān)聯(lián)，僅作為跨平臺(tái)的一種編程語(yǔ)言。以此為基礎(chǔ)，在自動(dòng)化控制及系統(tǒng)中可以使用DOM作為接口，利用XML、超文本標(biāo)記語(yǔ)言（Hyper Text Markup Language，HTML）文檔提升其可靠性、擴(kuò)張性。如人們較為熟知的microsoft DOM引擎，目前可最大限度地發(fā)揮DOM的功用，以便開發(fā)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。

第三，在紡織機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，可使用XQL語(yǔ)言作為查詢語(yǔ)言，并充當(dāng)實(shí)際數(shù)據(jù)文件內(nèi)容。相較于結(jié)構(gòu)化查詢（Structured Query Language，SQL）語(yǔ)言，二者存儲(chǔ)方式具有較大差異，SQL無(wú)法對(duì)同屬元素展開索引，且無(wú)法對(duì)綁定數(shù)目字段進(jìn)行相關(guān)操作。反觀XQL語(yǔ)言，卻可以將XML中文件進(jìn)行一對(duì)一、一對(duì)多的查詢，并利用DOM引擎進(jìn)行優(yōu)化、提升[2]。

2.2 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

紡織機(jī)械電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循其基本工作原理，分別設(shè)計(jì)軟件與硬件，從而讓電氣自動(dòng)化技術(shù)最大限度地發(fā)揮自身功用。

首先，控制系統(tǒng)基本工作原理就是主電機(jī)帶動(dòng)工作軸上的編碼器產(chǎn)生伺服電機(jī)控制參數(shù)信號(hào)，在該信號(hào)傳入伺服控制器后，傳回伺服電機(jī)時(shí)與編碼器反饋信號(hào)共同形成一個(gè)相對(duì)封閉的控制形式，從而促動(dòng)紡織機(jī)械開始自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。主編碼器產(chǎn)生的基本信號(hào)是其他工作軸的參考控制信號(hào)，并保證內(nèi)部總線讓伺服控制與主電機(jī)變頻器互相連接，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）模塊具有生成開關(guān)、光電開關(guān)安裝、檢測(cè)整機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品等能力。人機(jī)交互界面具有反映整機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的功能，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的同時(shí)，可以及時(shí)輔助發(fā)現(xiàn)故障、修正參數(shù)。

其次，軟件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)由PLC主程序、伺服控制程序共同構(gòu)成，充分發(fā)揮接收、發(fā)送、中斷、定時(shí)中斷等功能。同時(shí)，應(yīng)用軟件可以使電擊高頻率倒順運(yùn)轉(zhuǎn)，可以通過(guò)控制電機(jī)位置、關(guān)系等，提升相關(guān)紡織品的質(zhì)量。需要注意的是，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的停車問(wèn)題、特殊啟動(dòng)問(wèn)題等進(jìn)行充分研究、參考，并作相應(yīng)調(diào)整。

最后，硬件設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)是電機(jī)數(shù)控技術(shù)應(yīng)用其中，并由伺服控制器、編碼器、電機(jī)共同組成。因此，應(yīng)利用PLC對(duì)控制系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的部件進(jìn)行協(xié)調(diào)，確保運(yùn)轉(zhuǎn)的同步與傳統(tǒng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，減低機(jī)械引起的停車問(wèn)題，提升系統(tǒng)的可靠性，保證紡織機(jī)械的生產(chǎn)周期與效率；還可利用數(shù)頻線將系統(tǒng)數(shù)字頻率信號(hào)進(jìn)行逐級(jí)連接、串行，進(jìn)一步提高多電機(jī)傳動(dòng)紡織機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的可靠性與安全性。

2.3 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

在應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)開發(fā)相關(guān)紡織機(jī)械控制系統(tǒng)時(shí)，大致可分為兩類技術(shù)難點(diǎn)。第一，針對(duì)紡織機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)建設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如何讓構(gòu)件快速反應(yīng)是研發(fā)工作的核心問(wèn)題。某紡織機(jī)械制造廠，承諾錠子速度可達(dá)到 1 200（純棉）～1 400（化纖）r/min，但經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試使用后，其生產(chǎn)效率卻只能在90%左右，快速反應(yīng)技術(shù)明顯存在不足。

第二，與快速反應(yīng)技術(shù)相對(duì)的是同步運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)，即保證紡織機(jī)械運(yùn)行部件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中與相應(yīng)電機(jī)保持同步工作。以某紡織工廠的紡織機(jī)械為例，使用4臺(tái)電機(jī)對(duì)應(yīng)單獨(dú)控制龍筋、錠翼、羅拉、筒管運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)，要在啟動(dòng)、運(yùn)行、停止、緊急斷電時(shí)，嚴(yán)格保持4臺(tái)電機(jī)的速度一致，才能有效保障粗紗質(zhì)量[3]。

2.4 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2.4.1 自動(dòng)化智能托盤包裝

在傳統(tǒng)成品紗的包裝過(guò)程中，工作量巨大、工序復(fù)雜，要對(duì)每一個(gè)筒紗依次進(jìn)行內(nèi)袋包裝、襯袋套裝、外袋包裝，且針對(duì)不同類型、質(zhì)量的成品紗需要進(jìn)行不同的包裝工序，如使用紙箱打包、包裝袋打包等。由于工序較為復(fù)雜，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度較高，錯(cuò)誤率也較高，同時(shí)，入庫(kù)點(diǎn)紗、找紗也會(huì)耗費(fèi)較多時(shí)間，工作效率明顯不足。

針對(duì)這一問(wèn)題，某紡織廠決定安裝自動(dòng)化智能托盤包裝控制系統(tǒng)與設(shè)備，將筒紗放置于托盤隔板間進(jìn)行固定，讓包裝設(shè)備對(duì)成品紗進(jìn)行薄膜打包，形成獨(dú)立包裝，再通過(guò)叉車進(jìn)行運(yùn)輸、入庫(kù)。如此一來(lái)，不僅可以減少人力浪費(fèi)，提升工作效率，還可以減少包裝成本與包裝磨損率，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動(dòng)化機(jī)械包裝流程。

2.4.2 自動(dòng)換卷裝置

在以往的換卷生頭過(guò)程中，必須依靠人工將卷子頭進(jìn)行拉薄處理，反復(fù)確認(rèn)卷子頭均勻并對(duì)接無(wú)誤才可以啟動(dòng)精梳機(jī)，且針對(duì)生頭質(zhì)量，只能隔一段時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，以保證符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但往往在空擋時(shí)間內(nèi)，生頭質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

某企業(yè)為解決換卷問(wèn)題，決定引入E80號(hào)精梳機(jī)，利用電器自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成自動(dòng)換卷、自動(dòng)梳理等工作，并可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)控制條子對(duì)搭位置，有效提升條子的質(zhì)量與均勻度，且降低35%的人工浪費(fèi)。

2.4.3 清花成卷機(jī)器

清花成卷機(jī)器是全棉紡織過(guò)程中最為常用的設(shè)備之一。設(shè)備通常使用鐵質(zhì)材料制成，運(yùn)行效率相對(duì)不足。如何提升其傳動(dòng)性、減少?gòu)U卷，是需要重點(diǎn)研究的方向。

以此為前提，可加入電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻。對(duì)纖維層進(jìn)行厚度設(shè)定后，其信號(hào)可根據(jù)設(shè)備傳動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)設(shè)值計(jì)算，后續(xù)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行分析、調(diào)整，可以最大限度保證運(yùn)轉(zhuǎn)效率的均勻性，降低廢卷產(chǎn)生率，提升棉卷均勻度。

2.5 電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)技術(shù)人才

一方面，紡織行業(yè)相關(guān)企業(yè)應(yīng)正視電氣自動(dòng)化技術(shù)人才不足的問(wèn)題，除合理的薪金、良好的待遇外，還可以制定一定的激勵(lì)政策、績(jī)效考核制度。這不僅可以鼓勵(lì)更多的人才主動(dòng)加入，還可提升現(xiàn)有工作隊(duì)伍的工作積極性與道德心，滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需求。

另一方面，針對(duì)現(xiàn)有員工，應(yīng)加強(qiáng)培訓(xùn)力度，如專家座談、企業(yè)交流會(huì)、國(guó)內(nèi)外經(jīng)典案例等，不僅要提升員工電氣自動(dòng)化技術(shù)水平，還要加強(qiáng)綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，并安排合理、科學(xué)的實(shí)際訓(xùn)練環(huán)節(jié)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用能力，推動(dòng)紡織企業(yè)不斷提升核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

紡織機(jī)械電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)是提升紡織生產(chǎn)質(zhì)量、管理效率的重要智能化技術(shù)，還具有減少支出成本、提升經(jīng)濟(jì)效益的重要作用。通過(guò)與國(guó)際領(lǐng)先水平相比較，我國(guó)的技術(shù)水平仍有一定的進(jìn)步空間，因此，應(yīng)加強(qiáng)自主研發(fā)力度，促進(jìn)紡織機(jī)械技術(shù)的提升，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。