DK903型梳棉機(jī)電氣控制系統(tǒng)的智能化升級(jí)改造

尚旭輝 吳紅兵 匡 濤

（1.青島艾菲特紡織電氣有限責(zé)任公司，山東青島，266042；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津，300191）

目前以DK903型為代表的部分老舊機(jī)型梳棉機(jī)已經(jīng)使用15年～20年以上，一些電氣件嚴(yán)重老化，部分電氣件已經(jīng)停產(chǎn)，維護(hù)困難。國(guó)內(nèi)紡紗企業(yè)在維護(hù)使用進(jìn)口梳棉機(jī)時(shí)遇到了較大的困難，以DK903型梳棉機(jī)為例，電氣備件價(jià)格昂貴，如一個(gè)前環(huán)傳感器就需要上萬(wàn)元，一套伺服系統(tǒng)需要2萬(wàn)元左右，并且采購(gòu)周期長(zhǎng)，經(jīng)常因?yàn)閭浼?yīng)不及時(shí)造成停車，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。但梳棉機(jī)的機(jī)械部分，如錫林、道夫、刺輥則比較完好，更換針布后，不影響梳理效果和成紗質(zhì)量。紡紗企業(yè)迫切需要對(duì)類似機(jī)型電氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以減少安全隱患，提高生產(chǎn)效率，降低維護(hù)保養(yǎng)成本。由于DK903型梳棉機(jī)相對(duì)比較復(fù)雜，我們以此為例探討對(duì)電氣控制系統(tǒng)智能化升級(jí)改造的具體方案。

1 DK903型梳棉機(jī)的特點(diǎn)

DK903型梳棉機(jī)是特呂茨勒公司繼DK803型梳棉機(jī)后，于1999年推出的新一代高產(chǎn)梳棉機(jī)，最高產(chǎn)量達(dá)140 kg/h，出條速度最高達(dá)到220 m/min，帶混合環(huán)自調(diào)勻整，長(zhǎng)片段勻整與短片段勻整相結(jié)合，保證了重量?jī)?nèi)不勻率在1.2%左右、外不勻率在2.0%以內(nèi)，條干不勻率在3.9%左右。

DK903型梳棉機(jī)電氣控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，錫林、道夫、刺輥、圈條、給棉、棉箱喂入、蓋板均為單獨(dú)控制，采用了3臺(tái)伺服電機(jī)、2臺(tái)變頻電機(jī)，其他采用異步電機(jī)；換筒采用自動(dòng)旋轉(zhuǎn)換筒，斷條采用喇叭口自動(dòng)斷頭技術(shù)；棉箱采用純氣壓棉箱控制。該機(jī)型在2000年左右代表了梳棉機(jī)的最高水平，一些設(shè)計(jì)理念直到現(xiàn)在也不過時(shí)。

1.1 梳棉機(jī)電氣控制系統(tǒng)

道夫、圈條、梳棉喂入等采用伺服電機(jī)控制，錫林、刺輥采用普通三相電機(jī)控制；蓋板、棉箱喂入采用變頻電機(jī)控制；清潔輥、棉箱開松輥、棉箱風(fēng)機(jī)采用三相電機(jī)控制［1］。

輸入系統(tǒng)通過液晶面板LCD輸入，啟停運(yùn)行通過面板按鈕輸入，報(bào)警輸入包括負(fù)壓濾塵、電機(jī)過熱、斷條、缺筒、金屬異物、伺服、變頻等報(bào)警；其他輸入包括換筒到位、斷條復(fù)位氣缸、罩殼保護(hù)等；速度輸入包括道夫、錫林、刺輥、蓋板、棉箱打手、產(chǎn)量計(jì)長(zhǎng)輸入。

與清棉系統(tǒng)采用通訊方式連接，清棉系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)梳棉機(jī)自動(dòng)停車；梳棉機(jī)開車后會(huì)給清棉系統(tǒng)信號(hào)，清棉系統(tǒng)根據(jù)開車臺(tái)數(shù)自動(dòng)調(diào)整供棉量。

工作過程：首先啟動(dòng)錫林和刺輥電機(jī)，啟動(dòng)蓋板和清潔輥電機(jī)，達(dá)到設(shè)定下限速度后，才能啟動(dòng)道夫運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中速度低于保護(hù)值時(shí)，則報(bào)警停車。

1.2 混合環(huán)自調(diào)勻整系統(tǒng)

采用混合環(huán)自調(diào)勻整，同時(shí)檢測(cè)喂入棉層厚度和出條粗細(xì)，根據(jù)道夫速度，控制喂入伺服電機(jī)。

1.3 純氣壓棉箱控制系統(tǒng)

采用純氣壓棉箱控制，檢測(cè)棉箱壓力，根據(jù)棉箱設(shè)定壓力，采用智能控制，使棉箱壓力保持恒定，根據(jù)輸出筵棉厚度，設(shè)定不同的棉箱壓力；棉箱喂入采用變頻電機(jī)控制；風(fēng)機(jī)和打手采用普通三相電機(jī)控制；棉箱壓力可以達(dá)到300 Pa左右，整個(gè)棉箱比較封閉，保證了輸出棉層縱向密度一致。

1.4 自動(dòng)換筒控制系統(tǒng)

采用直徑1 000 mm的大條筒，旋轉(zhuǎn)換筒，滿筒時(shí)，降低出條速度，當(dāng)出條速度降低到70 m/min時(shí)，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)換筒。控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)控制斷條氣缸和喇叭口，進(jìn)行快速翻轉(zhuǎn)，扯斷棉條；當(dāng)檢測(cè)到旋轉(zhuǎn)到位，停止旋轉(zhuǎn)電機(jī)，然后提高出條速度到道夫高速設(shè)定值。

2 電氣控制系統(tǒng)智能化升級(jí)改造方案

DK903型梳棉機(jī)電氣控制系統(tǒng)智能化升級(jí)改造的原則：不改變?cè)瓩C(jī)梳理質(zhì)量，不降低性能指標(biāo)，如出條速度、棉條不勻率等；不改變?cè)崦迿C(jī)操作習(xí)慣；具備物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展接口。圖1為DK903型梳棉機(jī)電氣智能化升級(jí)改造控制框圖。

圖1 DK903型梳棉機(jī)電氣智能化升級(jí)改造控制框圖

2.1 電氣控制系統(tǒng)的升級(jí)替換

以意法半導(dǎo)體F2高端系列嵌入式系統(tǒng)STM32F205為核心搭建控制系統(tǒng)，STM32F205微控制器面向需要實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能、嵌入式存儲(chǔ)器和外設(shè)的工業(yè)應(yīng)用。性能：在120 MHz頻率下，從Flash存儲(chǔ)器執(zhí)行時(shí)，STM32F205微控制器能夠提供150 DMIPS/398 CoreMark性能，并且利用意法半導(dǎo)體的ART加速器實(shí)現(xiàn)了Flash存儲(chǔ)器的零等待狀態(tài)。通信接口多達(dá)15個(gè)，包括6個(gè)速度高達(dá)7.5 Mb/s的USART，3個(gè)速度高達(dá)30 Mb/s的SPI，3個(gè)I2C，2個(gè)CAN，1個(gè)SDIO。模擬模塊：2個(gè)12位DAC，3個(gè)速度為2 M/s采樣或6 M/s采樣（交錯(cuò)模式）的12位ADC。因此，嵌入式系統(tǒng)STM32F205微控制器非常適合梳棉機(jī)和自調(diào)勻整的底層控制。

利用5個(gè)捕獲單元檢測(cè)錫林、刺輥、蓋板、道夫和棉箱開松電機(jī)的速度；具有雙12位A/D轉(zhuǎn)換器，一路檢測(cè)入口棉層厚度的變化，另一路檢測(cè)出口棉條的粗細(xì)變化，兩路同時(shí)轉(zhuǎn)換，互不干擾；串行通信接口SCI采用一路485通信方式與觸摸屏交互信息，一路與道夫、圈條器伺服電機(jī)進(jìn)行通訊，預(yù)留一路通過物聯(lián)網(wǎng)和工廠管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；看門狗更是增加了系統(tǒng)的可靠性。STM32F205微控制器內(nèi)核的高性能運(yùn)算能力，使得可以采用復(fù)雜控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理與電機(jī)控制，大大減少了控制系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。

2.2 梳棉機(jī)混合環(huán)自調(diào)勻整儀的升級(jí)替換

DK903型梳棉機(jī)所采用的自調(diào)勻整是開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合的勻整器，兼有開、閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，既能保持勻整效果，又能自動(dòng)修正由各種因素波動(dòng)所造成的偏差；不僅能勻整中、短片段不勻，也能勻整長(zhǎng)片段不勻，是較理想的自調(diào)勻整裝置。因此，前反饋-后反饋復(fù)合控制結(jié)構(gòu)（即混合環(huán)）是一種比較理想的控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 混合環(huán)自調(diào)勻整原理圖

自調(diào)勻整的目的：控制生條定量達(dá)到預(yù)期值，減少梳棉機(jī)臺(tái)間生條的重量差異，改善生條外不勻率；控制單臺(tái)生條中長(zhǎng)片段的重量不勻率，改善生條重量?jī)?nèi)不勻率。圖3為改造后梳棉混合環(huán)自調(diào)勻整控制圖。

圖3 混合環(huán)自調(diào)勻整控制圖

改造前后生條質(zhì)量指標(biāo)基本保持一致，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

自調(diào)勻整棉層和棉條檢測(cè)裝置的好壞，將會(huì)直接影響到勻整效果，只有檢測(cè)裝置提供真實(shí)反映棉層厚度和棉條粗細(xì)的數(shù)據(jù)給自調(diào)勻整，才能保證正確勻整，否則會(huì)起相反作用。自調(diào)勻整的工藝參數(shù)也很重要，合適的工藝參數(shù)使自調(diào)勻整調(diào)節(jié)既不會(huì)超調(diào)也不會(huì)欠調(diào)。這些都是自調(diào)勻整系統(tǒng)最基本的要求。

2.3 棉箱系統(tǒng)的升級(jí)替換

位于清棉和梳棉之間的棉箱直接影響生條重量不勻率。其主要作用按規(guī)定定量，保持穩(wěn)定的棉絮密度和橫向均勻的棉層喂入梳棉機(jī)［2］。

DK903型梳棉機(jī)的棉箱采用純氣壓棉箱，棉箱壓力設(shè)定比較高，一般為260 Pa～350 Pa，而目前國(guó)內(nèi)一般的氣壓式棉箱氣壓設(shè)定都在250 Pa以下。棉箱壓力設(shè)定高，并且棉箱至給棉羅拉處采用封閉結(jié)構(gòu)，這樣的筵棉輸出均勻一致性非常好，大大提升了梳理質(zhì)量［3］。

改造后的系統(tǒng)采用智能PID控制，使上棉箱給棉電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，保持壓力相對(duì)穩(wěn)定。PID屬于閉環(huán)控制，將壓力傳感器采集的棉箱壓力反饋到PID控制器，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力值進(jìn)行比較，PID控制器根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓力和實(shí)際壓力值之差，進(jìn)行比例、積分、微分控制，從而輸出一個(gè)合適的電流值驅(qū)動(dòng)給棉電機(jī)，促使棉箱壓力保持在設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力附近。其控制過程如圖4所示。

圖4 棉箱PID控制原理圖

棉箱壓力的穩(wěn)定程度會(huì)直接影響生條重量不勻率，保持下棉箱壓力趨于穩(wěn)定這是保證喂入梳棉機(jī)棉層重量均勻、波動(dòng)小的關(guān)鍵所在。并且要求喂棉箱內(nèi)給棉羅拉100%運(yùn)轉(zhuǎn)，均勻連續(xù)平穩(wěn)喂棉。

2.4 生頭和自動(dòng)換筒降速過程中棉條重量波動(dòng)

DK903型梳棉機(jī)在生頭過程中，梳棉機(jī)的車速由低速轉(zhuǎn)換到高速；滿筒后自動(dòng)換筒，需要將車速由190 m/min降低到70 m/min，然后再升速到190 m/min，如何最大限度地降低速度變化對(duì)梳棉生條定量的影響，這是在智能化改造中需要解決的最大問題。生頭過程中，低速生條定量正常，在升速過程中生條定量會(huì)逐漸變輕，雖然采用了高低速兩種牽伸值，但也不能很好地解決該問題；同樣在自動(dòng)換筒過程中，也存在生條定量在降速過程中會(huì)偏重，在升速過程中會(huì)偏輕的問題。

分析原因是：筵棉從給棉羅拉喂入，經(jīng)過刺輥、錫林、道夫，再到剝棉，經(jīng)過喇叭口，到條筒成形，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)大的延時(shí)，是一個(gè)大延時(shí)系統(tǒng)，存在大的控制死區(qū)。因此，必須優(yōu)化算法，進(jìn)行智能化補(bǔ)償。滿筒后取上部生條，測(cè)量減速過程中的生條定量，表1為采取對(duì)死區(qū)智能化補(bǔ)償前后生條定量的對(duì)比情況，每5 m取1個(gè)樣。降速補(bǔ)償前，前25 m生條定量偏重，降速補(bǔ)償后，前5 m生條定量變輕，以后的20 m生條定量恢復(fù)正常，大大改善了換筒減速過程中生條的重量不勻率。

表1 對(duì)死區(qū)智能化補(bǔ)償前后生條定量對(duì)比

對(duì)生頭升速過程，則進(jìn)行提前喂入補(bǔ)償，提前彌補(bǔ)升速牽伸，有效改善了生條定量變輕的程度。

3 電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造的國(guó)產(chǎn)化及質(zhì)量指標(biāo)

改造器件選用原則：全部選用當(dāng)前主流品牌，確保10年以內(nèi)不會(huì)停產(chǎn)，優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)品牌。

給棉喂入、道夫和圈條盤驅(qū)動(dòng)選用國(guó)產(chǎn)匯川伺服驅(qū)動(dòng)；棉箱喂入、蓋板驅(qū)動(dòng)選用歐姆龍變頻器驅(qū)動(dòng)；前環(huán)及棉層位移傳感器選用國(guó)產(chǎn)品牌；觸屏及其他電氣件選用施耐德品牌；測(cè)速及其他接近開關(guān)選用國(guó)產(chǎn)品牌?；緦?shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，大大降低了維護(hù)保養(yǎng)成本。

人機(jī)界面人性化設(shè)計(jì)，拆除原有的LCD液晶顯示，采用施耐德彩色觸摸屏。

智能化電氣控制系統(tǒng)升級(jí)改造后，出條速度可以達(dá)到220 m/min；長(zhǎng)片段勻整與短片段勻整相結(jié)合，保證了重量?jī)?nèi)不勻率達(dá)到1.3%左右，重量外不勻率達(dá)到2.0%以內(nèi)，條干不勻率達(dá)到3.9%左右，與改造前質(zhì)量水平基本一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)DK903型為代表的老舊機(jī)型梳棉機(jī)電氣升級(jí)改造背景的分析，以DK903型梳棉機(jī)為例，制定了智能化升級(jí)改造國(guó)產(chǎn)化替代方案，對(duì)于其他老舊機(jī)型梳棉機(jī)的電氣控制同樣可以采用國(guó)產(chǎn)化替代升級(jí)方案，以達(dá)到減少老舊機(jī)型梳棉機(jī)電氣故障率，降低維修保養(yǎng)成本，延長(zhǎng)梳棉機(jī)的壽命。采用智能化電氣控制升級(jí)改造后，梳棉機(jī)的各項(xiàng)性能和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)均能達(dá)到改造前的水平。