TWJ200-A6 噴水織機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計

劉顧泉 LIU Gu-quan；宋冬萍 SONG Dong-ping

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，蘇州 215100）

0 引言

隨著紡織工業(yè)的發(fā)展和對外貿(mào)易的需要，對織物的質(zhì)量及品種要求越來越高。噴水織機(jī)利用高速水流代替梭子，相較于老式傳統(tǒng)有梭織機(jī)，具有能耗低、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于高速織布和編織所有不吸水的纖維織物的需要，主要應(yīng)用于編織聚丙烯、聚乙烯、合成纖維等各種規(guī)格的織物。

目前國內(nèi)的噴水織機(jī)，技術(shù)上多數(shù)采用主從式多級控制系統(tǒng)或單片機(jī)集散控制系統(tǒng)，存在控制精度較低、故障率較高的缺點(diǎn)。為進(jìn)一步提高織物品質(zhì)，實現(xiàn)噴水織機(jī)機(jī)電一體化，主要要在電子送經(jīng)、電子卷取、電子剪刀、電子絞邊等方面，對織機(jī)的主電動機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制，如伺服電機(jī)、直驅(qū)電機(jī)、變頻器、伺服驅(qū)動器的采用，使織機(jī)的智能化控制和整體性能大大提高[1]。本文采用TWJ200 系列-A6 噴水織機(jī)電控系統(tǒng)，采用高度集成化的工藝設(shè)計，內(nèi)置二合一驅(qū)動器，實現(xiàn)噴水織機(jī)智能控制，并支持花樣板、電送電卷、電子提花、電子多臂定制化需求。

1 噴水織機(jī)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是噴水織機(jī)的核心，決定著織機(jī)的運(yùn)算處理能力和各項操作流程。利用編碼器對電機(jī)主軸角度進(jìn)行檢測、將位移量信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號，通過控制系統(tǒng)的算法分析，實現(xiàn)對織機(jī)電子送經(jīng)、電子卷取、開口、引緯、打緯、自動定位停車等流程的控制[2]。

本文設(shè)計的噴水織機(jī)控制系統(tǒng)如圖1 所示，硬件組成主要包括電源板、伺服驅(qū)動器、變頻器、花樣控制板、I/0 板及外部設(shè)備等基本配置。當(dāng)I/0 獲取信號后，將信號發(fā)送給主控板，由主控進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，再通過通訊傳輸給伺服、變頻器等輸出設(shè)備上，從而控制噴水織機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。噴水織機(jī)電控系統(tǒng)各模塊功能如下：①變頻器：用于控制主傳動電機(jī)，實現(xiàn)超啟動、變轉(zhuǎn)速、多段速功能；②剎車電源板：整流，并有剎車消磁與剎車高低壓控制；③I/0 板：信號輸入輸出，并通過CAN 總線與主控通訊；④驅(qū)動器：噴水工藝控制及電子送經(jīng)控制；⑤花樣板：儲緯器、夾紗器、轉(zhuǎn)向閥控制；⑥多臂板：控制多臂開口裝置。

圖1 噴水織機(jī)電控系統(tǒng)

1.1 控制器

噴水織機(jī)電控系統(tǒng)對處理器和控制網(wǎng)絡(luò)的實時性有較高要求。目前國內(nèi)的噴水織機(jī)多采用單CPU 或單PLC的主從式多級控制系統(tǒng)，或是基于RS-485 的16 位單片機(jī)集散控制系統(tǒng)，存在功能簡單、自動化水平較低、控制精度較低、故障率較高的缺點(diǎn)，難以滿足高速織機(jī)對電控系統(tǒng)的要求[3]。

本文采用32 位高性能微處理器，通過CAN 通訊，主軸編碼器發(fā)送角度信號給伺服控制，經(jīng)PID 控制算法，輸出控制信號實現(xiàn)電子送經(jīng)控制，如圖2 所示。主控板作為控制中樞，除了對織機(jī)的起停、正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行、定位制動進(jìn)行控制，還能對紗超張力、左右絞邊、前后廢絲、定長、緯絲等異常現(xiàn)象進(jìn)行檢測，通過數(shù)據(jù)采集和分析處理，驅(qū)動執(zhí)行元件進(jìn)行有效控制。系統(tǒng)響應(yīng)時間快，解決了信號不匹配、性能不穩(wěn)定等問題。

圖2 電送電卷邏輯圖

1.2 主軸電機(jī)

織造設(shè)備中負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量大，要求高牽入轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動機(jī)的空載漏磁系數(shù)、凸極比、永磁體尺寸和定子繞組，決定了其牽入性能。本文選用MX 系列織機(jī)主軸電機(jī)MX3-50C70B，運(yùn)用MTPA+IPM 技術(shù)，可輸出極大的峰值扭矩，內(nèi)置剎車工藝算法，確保了優(yōu)秀的啟動與制動性能。電機(jī)控制采用閉環(huán)矢量控制技術(shù)，保證了主軸極低的轉(zhuǎn)速波動，在峰值轉(zhuǎn)速1200rpm 以下均可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。永磁電機(jī)與TWJ200-A6 系統(tǒng)配合使用，優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩慣量比，構(gòu)成高效節(jié)能、便捷安裝、極簡維護(hù)、無極調(diào)速的織機(jī)主軸打緯裝置。

1.3 變頻器

在系統(tǒng)中，變頻器承擔(dān)著信號處理計算和控制主軸電機(jī)的關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)采用一款高性能電流矢量變頻器ITD500，主要用于控制和調(diào)節(jié)三相交流同步電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，并能針對紡織行業(yè)，內(nèi)置斷電同步、故障同步等控制，低速高轉(zhuǎn)矩輸出，具有良好的動態(tài)特性、超強(qiáng)的過載能力、增加了用戶可編程功能及后臺監(jiān)控軟件，通訊總線功能，支持多種PG 卡等，組合功能豐富強(qiáng)大，性能穩(wěn)定。

1.4 伺服電機(jī)

綜合考慮本系統(tǒng)中的負(fù)載、機(jī)械特性要求及性價比等因素，在交流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)加驅(qū)動伺服系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)和直流無刷電機(jī)四種控制方案中，最終選定MS1V1-75B30CB 型交流伺服電機(jī)作為系統(tǒng)送經(jīng)電機(jī)，MS1 系列電機(jī)能夠為系統(tǒng)提供多種慣量配置和轉(zhuǎn)速段配置，還能根據(jù)客戶需求，提供不同配置的編碼器類型，實現(xiàn)快速精確的位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和軌跡控制。

1.5 手操面板及觸摸屏

手操面板上具有預(yù)備、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車和急停按鈕。系統(tǒng)采用IT7070E 型觸摸屏，觸摸屏界面具有主頁、快捷、設(shè)置和報表四個模塊。主頁界面如圖3 所示，界面上方是狀態(tài)顯示和一級菜單。狀態(tài)顯示包含：①公司Logo 和系統(tǒng)時間顯示；②織機(jī)角度顯示；③轉(zhuǎn)向閥方向切換；④織機(jī)狀態(tài)和故障信息顯示。快捷頁面具有調(diào)試、檢測開關(guān)、狀態(tài)監(jiān)控、保養(yǎng)、工藝、記錄和高級7 個子模塊。設(shè)置模塊中，可以對送卷參數(shù)、檔子調(diào)整、落布、換經(jīng)、引緯、花紋等進(jìn)行設(shè)置操作?？旖菽K涵蓋工藝、保養(yǎng)、記錄、高級等。報表模塊可以進(jìn)行日報表和周報表的統(tǒng)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)清晰化，可以實時了解織機(jī)的生產(chǎn)情況。

圖3 觸摸屏主頁界面

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電控系統(tǒng)內(nèi)置噴水主控、電送電卷、花樣板控制工藝的伺服驅(qū)動一體機(jī)，顛覆了傳統(tǒng)的控制器+標(biāo)準(zhǔn)伺服的控制方案，實現(xiàn)了噴水工藝與驅(qū)動工藝的高度結(jié)合。使用伺服內(nèi)置的32 位高性能工業(yè)級微處理器，可直接利用伺服驅(qū)動器的PWM 驅(qū)動塊以及PID 控制算法，提高了響應(yīng)速度。

電子卷取工藝流程：伺服通過CAN 通訊，接收主軸編碼器角度信號，通過內(nèi)部函數(shù)與噴水主控交互，根據(jù)織機(jī)轉(zhuǎn)速卷布棍直徑、緯密等設(shè)定參數(shù)來控制卷取電機(jī)實時轉(zhuǎn)速電子送經(jīng)張力控制策略和流程，如圖4 所示，首先通過張力傳感器反饋張力模擬量信號，由于該信號含有大量干擾信號，需根據(jù)張力濾波算法得出反饋張力，根據(jù)設(shè)定張力和反饋張力的差值，得出偏差張力，根據(jù)偏差張力的大小等特征，通過比例、積分系數(shù)自整定算法得出比例、積分系數(shù)，通過PID 計算出送經(jīng)速度，繼而控制送經(jīng)電機(jī)按此速度運(yùn)動。

圖4 電子送經(jīng)張力控制流程圖

送經(jīng)控制的要點(diǎn)是對張力的控制，為保證張力均勻，必須先將經(jīng)紗的動態(tài)張力采集出來。經(jīng)紗從經(jīng)軸引出，經(jīng)過后梁、停經(jīng)架，穿過棕框至織口，再從胸梁到卷布輥，由于這6 個區(qū)域中，經(jīng)紗的張力是動態(tài)的，需要在不同區(qū)域?qū)埩M(jìn)行檢測。系統(tǒng)采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，檢測織機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)盤位置，考慮到經(jīng)紗張力在不同主軸轉(zhuǎn)盤位置上值的大小不同，設(shè)計時需要考慮選擇合適的張力采樣方法，本系統(tǒng)采用相對比較準(zhǔn)確的平均采樣法。

3 系統(tǒng)調(diào)試

織機(jī)系統(tǒng)空載時，點(diǎn)動運(yùn)行，觀察碼盤角度方向是否變換，如果碼盤角度減小且用戶沒有使用變頻器或者尋緯變頻開關(guān)關(guān)閉，則將外部供電相序調(diào)換：如果用戶使用變頻器且尋緯變頻開關(guān)打開，則將變頻供電相序調(diào)換。確認(rèn)后再次點(diǎn)動檢查，隨即按下正轉(zhuǎn)按鈕快車運(yùn)行，無報警則空車調(diào)試結(jié)束；若有報警，需根據(jù)觸摸屏報警提示進(jìn)行調(diào)整[4]。

織機(jī)系統(tǒng)帶載時，確保機(jī)器設(shè)備運(yùn)行正常，按要求完成系統(tǒng)指定任務(wù)，調(diào)試的流程如圖5 所示，主要包括上軸、送經(jīng)、儲緯設(shè)置、花樣板設(shè)置、運(yùn)行、落布設(shè)置和探緯設(shè)置。儲緯器的設(shè)定包括放紗直徑、放紗長度、放紗圈數(shù)、儲紗圈數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、織機(jī)類型等。

圖5 上機(jī)調(diào)試流程圖

4 診斷與排故

TWJ200-A6 噴水織機(jī)電控系統(tǒng)的常見故障與排除方法如表1 所示。

表1 TWJ200-A6 噴水織機(jī)電控系統(tǒng)的常見故障與解決辦法

5 結(jié)語

TWJ200-A6 型噴水織機(jī)系統(tǒng)以工藝集成化為思路，采用工藝高度集成化設(shè)計，由二合一伺服驅(qū)動器內(nèi)置噴水主控、I/O 板、電源板基本配置組成，選配超啟動變頻器、花樣板、電子多臂控制器、數(shù)字探緯板以及物聯(lián)網(wǎng)等模塊，能實現(xiàn)噴水織機(jī)智能控制，支持電子送經(jīng)、電子卷取、伺服機(jī)外卷、電子提花、電子多臂、變頻超啟動等定制化需求，適用于絕大多數(shù)國內(nèi)外噴水織機(jī)，能為用戶提供更加專業(yè)、高效、個性化的解決方案。