【摘 要】介紹了一種新型的全自動(dòng)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(dòng)高速卷繞，保證其邏輯控制、運(yùn)動(dòng)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(dòng)高速卷繞頭；電氣控制系統(tǒng)；自動(dòng)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(dòng)和全自動(dòng)兩個(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(gè)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(shí)結(jié)合最新速度控制理論，對(duì)卷繞頭速度與動(dòng)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(dòng)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(dòng)高速卷繞頭是一個(gè)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(dòng)作可靠，控制精度高，同時(shí)還必須操作方便，因此卷繞系統(tǒng)的自動(dòng)控制極其重要。本文介紹了一種新型的全自動(dòng)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(dòng)高速卷繞，保證其邏輯控制、運(yùn)動(dòng)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(cè)，由繼電器和指示燈等部件完成動(dòng)作的執(zhí)行。卷繞頭上共安裝有5個(gè)電機(jī)，包括2個(gè)卡盤電機(jī)、1個(gè)橫動(dòng)電機(jī)、1個(gè)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)和1個(gè)壓輥啟動(dòng)電機(jī)。工控機(jī)用于對(duì)速度的計(jì)算并進(jìn)行速度比對(duì)，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(dòng)電動(dòng)機(jī)來完成，且均采用每個(gè)變頻器對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(duì)單個(gè)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(shí)，利用壓力輥啟動(dòng)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(shí)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(dòng)電機(jī)的速度控制部分以及各個(gè)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)不斷增大，這時(shí)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(duì)變頻器的頻率進(jìn)行精確控制。而系統(tǒng)通過實(shí)際的測(cè)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(shí)為減少外部信號(hào)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(cè)得信號(hào)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(hào)，把壓力輥的速度作為反饋信號(hào)，對(duì)整個(gè)控制過程進(jìn)行認(rèn)真的動(dòng)靜態(tài)分析，形成一個(gè)動(dòng)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(duì)外部干擾等進(jìn)行數(shù)據(jù)上的補(bǔ)償，從而做到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)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(duì)被控對(duì)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(dòng)速度控制
橫動(dòng)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(dòng)和橫動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)斷絲等現(xiàn)象。在卷繞過程中，根據(jù)不同時(shí)刻的實(shí)際數(shù)據(jù)算出每時(shí)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(duì)應(yīng)的卷繞比，由PLC根據(jù)卷繞比通過變頻器對(duì)橫動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)控，確保不會(huì)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ǹ梢苑乐谷遣ǖ恼穹扛膭?dòng)時(shí)的慣性波動(dòng)，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(dòng)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(dòng)作控制
卷繞系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)作控制復(fù)雜，因此各部件要求精密配合，這就要求PLC的動(dòng)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(dòng)與停止。同時(shí)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(dòng)作，完成生頭和切換的系列動(dòng)作；轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)控制既包括滿筒時(shí)上下卡盤軸的快速切換（目的是完成卷繞機(jī)全自動(dòng)換筒），又包括在卷繞過程中卷裝直徑增加時(shí)轉(zhuǎn)盤的微動(dòng)，提高絲餅卷裝質(zhì)量。微動(dòng)時(shí)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(dòng)，當(dāng)上卡盤完成卷繞時(shí)，PLC控制伺服電機(jī)帶動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)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)】
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