系統(tǒng)概述
粗紗工序是紡制細(xì)紗前的準(zhǔn)備工序，主要包括以下四個主要工序：
(1).牽伸（羅拉）:進(jìn)行5~12倍的牽伸，分擔(dān)細(xì)紗機的牽伸比。
(2).加捻（錠翼）:給牽伸后的須條加上適當(dāng)捻度，使紗具有一定的強度。
(3).卷繞（筒管）:將加捻后的粗紗卷繞在筒管上，便于貯存、搬運。
(4).成形（龍筋）:卷繞成兩端成錐形的粗紗，便于細(xì)紗機的退繞喂入。
近年來，隨著電力電子與自動化技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用與深入普及，為滿足進(jìn)一步提高紡機競爭力的內(nèi)在要求，實現(xiàn)粗紗機高速、高效、高度機電一體化已是國內(nèi)外粗紗機發(fā)展的必然趨勢。代表當(dāng)今最高技術(shù)的新型粗紗機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示，整機采用四臺變頻控制的電機分別來實現(xiàn)粗紗的牽伸、加捻、卷繞、成型工序。
圖1 四電機粗紗機傳動原理圖
方案原理圖
圖2 四電機粗紗機傳動方案原理圖
在四電機傳動粗紗機的控制系統(tǒng)中，采用Unity Premium PLC(TSX P57 0244M)作為控制器, 進(jìn)行粗紗機工藝數(shù)學(xué)模型的計算和速度閉環(huán)和張力閉環(huán)控制。四臺施耐德電氣公司的高性能、高精度ATV71變頻器分別控制羅拉電機、錠翼電機、筒管電機及龍筋電機，以實現(xiàn)粗紗機的牽伸、加捻、卷繞成形等工藝要求。同時配Magelis XBT-G 10.4” 彩色STN觸摸屏(XBT G5230)進(jìn)行操作和系統(tǒng)監(jiān)控。整個系統(tǒng)通過Unity Premium PLC和ATV71組成通訊速率高達(dá)1M的CANopen現(xiàn)場總線。
Premium+ATV71+XBTG方案硬件配置
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Premium PLC部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| TSXP570244M |
Unity Premium 570x4 CPU，帶CAN Master通信擴展卡 |
1 |
| TSXPSY2600M |
電源，110/220 VAC 26W |
1 |
| TSXRKY8 Premium |
機架，8 槽 |
1 |
| TSXDEY16D2 |
開關(guān)量輸入，16 點，24 VDC，移動端子塊 |
2 |
| TSXDSY16R5 |
開關(guān)量輸出，16 點，3A 24 VDC, 24-240 VAC 繼電器，移動端子塊 |
2 |
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ATV71變頻器部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| ATV71HU15N4Z |
3P 380VAC, 1.5KW,簡易面板,內(nèi)置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HU30N4Z |
3P 380VAC, 3KW,簡易面板,內(nèi)置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HU55N4Z |
3P 380VAC, 5.5KW,簡易面板,內(nèi)置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HD11N4Z |
3P 380VAC, 11KW,簡易面板,內(nèi)置EMC濾波器 |
1 |
| VW3A3401 |
編碼器接口卡 5V RS 422 |
4 |
| VW3A110 |
遠(yuǎn)程圖形顯示終端 |
1 |
| VW3CANTAP2 |
CANopen 適配器 |
2 |
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XBTG人機界面部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| XBTG5230 |
10.4英寸, 64色,STN, 8M內(nèi)存, CPU主頻100M,以太網(wǎng)接口 |
1 |
| XBTZ968 |
PLC連接電纜, Twido, Micro |
1 |
控制特點
控制器：Premium PLC完成數(shù)學(xué)模型計算、邏輯控制、張力閉環(huán)及CANopen通訊，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，編程簡單。
為保證粗紗質(zhì)量，四臺電機的調(diào)速和同步控制要求數(shù)據(jù)刷新速度至少為50ms，通過Unity Premium PLC和ATV71組成CANopen現(xiàn)場總線，應(yīng)用Unity Premium PLC的高效的數(shù)據(jù)處理能力和處理速度，以及CANopen總線高速傳輸和周期性、同步數(shù)據(jù)交換功能，可以很好地滿足四電機傳動粗紗機的實時調(diào)速及同步要求。
速度環(huán)：4臺ATV71（采用編碼器反饋的矢量控制模式），由ATV71自身完成。
ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現(xiàn)代控制理論矢量控制技術(shù)的具有高性能和強大功能的全系列變頻器，功率范圍0.37～500KW，頻率范圍0～1000Hz(≤37KW)，0～500Hz (>37KW)；調(diào)速范圍1～100(開環(huán))，1～1000(閉環(huán))；調(diào)速精度為10%(開環(huán))， 0.01%(閉環(huán))；過力矩能力為170%60s或220%2s。具有開環(huán)/閉環(huán)切換、擺頻功能、給定值存儲、PID調(diào)節(jié)以及各種保護(hù)等先進(jìn)功能；集成EMC A級濾波器；無傳感器電機控制；內(nèi)置可編程控制卡。在四電機傳動粗紗機控制系統(tǒng)中，ATV71采用電流矢量閉環(huán)控制模式，可以實現(xiàn)零速度下滿力矩，滿足了粗紗機對低頻傳動的特定要求。
張力環(huán)：通過CCD反饋，由Premium PLC完成。
通過CCD反饋檢測粗紗張力的變化，應(yīng)用Premium PLC的PID函數(shù)功能，對四臺變頻器之間的速度比進(jìn)行實時修正，能有效克服由于溫度、濕度及紗線品質(zhì)不一致引起的張力波動，達(dá)到恒張力紡紗的目的。
高速通信：速率高達(dá)1M的CANopen總線。
CANopen總線是基于CAN BUS的高層協(xié)議，秉承了CAN總線的抗干擾性強、高速、實時的優(yōu)點，另外CANopen應(yīng)用PDO、SDO、NMT等通訊對象，方便了總線的管理和應(yīng)用。CANopen應(yīng)用于四電機的粗紗機，可確保四電機之間速度的同步。
緊密紡細(xì)紗機控制系統(tǒng)方案
系統(tǒng)概述
細(xì)紗工序是成紗的最后一道工序，是將粗紗進(jìn)一步牽伸30～50倍并加捻，紡成具有一定特數(shù)、符合相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)紗，供捻線、機織或針織使用。傳統(tǒng)細(xì)紗機的牽伸原理與粗紗機基本相同，而卷繞和加捻則是由鋼領(lǐng)和鋼絲圈來完成的。環(huán)錠細(xì)紗機和傳統(tǒng)粗紗機一樣由一臺電機傳動，通過齒輪箱變換各機構(gòu)需要的速度。在環(huán)錠細(xì)紗機各組成部分中，牽伸系統(tǒng)是反映細(xì)紗機性能和影響紗線質(zhì)量的最關(guān)鍵因素，而新型的緊密紡紗技術(shù)通過對牽伸部分進(jìn)行創(chuàng)造性改造，將牽伸區(qū)和集合區(qū)分離，在環(huán)錠紡羅拉牽伸與加捻之間疊加對纖維須條的氣動凝聚或集聚技術(shù)，增加了須條的緊密度，毛羽減少約20％，強力則提高約10％，同時，條干均勻度、機器效率等也有不同程度的提高，不僅可以降低加工成本，同時可以減少后加工工序。緊密紡的另一優(yōu)點是與原細(xì)紗機完全一致，只多出一對集聚羅拉，在原環(huán)錠細(xì)紗機上也可進(jìn)行改裝，具有廣闊的市場前景。
緊密紡細(xì)紗機的控制系統(tǒng)較環(huán)錠細(xì)紗機復(fù)雜許多，首先是前后羅拉的嚴(yán)格同步，實現(xiàn)牽伸倍數(shù)和捻度的精密控制，保證高支數(shù)紗線的成紗質(zhì)量；其次是通過取消鋼領(lǐng)板的傳動齒輪，采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)實現(xiàn)卷裝的電子成形技術(shù)，從而實現(xiàn)了機械機構(gòu)的簡化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線支數(shù)和管紗成形的自動調(diào)節(jié)。
方案原理圖
圖1 緊密紡細(xì)紗機傳動方案原理圖
在緊密紡細(xì)紗機的控制系統(tǒng)，采用了三套施耐德電氣公司的Twin Line系列伺服驅(qū)動系統(tǒng)和無刷伺服電機，分別控制前、后羅拉以及鋼領(lǐng)板；采用1臺ATV71變頻器控制主傳動電機，采用1臺ATV31變頻器控制風(fēng)機；整個系統(tǒng)采用Micro PLC控制，Micro PLC與變頻器及伺服間采用高速CANopen總線進(jìn)行通訊，同時采用XBT-G 5.7”黑白觸摸屏進(jìn)行系統(tǒng)操作和監(jiān)控。
Micro+ATV71+ATV31+TWLIN+XBTG方案硬件配置
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Micro PLC部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| TSX3722101 |
TSX37-22本體，24V直流電源 |
1 |
| TSXDMZ28DT |
開關(guān)量混合，16 點輸入/12 點輸出，固態(tài)，螺絲端子塊 |
1 |
| TSXDEZ12D2 |
開關(guān)量輸入，12 點，24 VDC，螺絲端子塊，半高 |
3 |
| TSXDSZ08R5 |
開關(guān)量輸出，8 點，繼電器，螺絲端子塊，半高 |
1 |
| TSXMFP032P |
Flash EPROM卡，32K |
1 |
| TSXCPP110 |
CANopen Card |
1 |
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ATV變頻器部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| ATV71HD55N4 |
3P 380VAC, 55KW,中文面板,內(nèi)置EMC濾波器,內(nèi)置電抗器 |
1 |
| ATV71HD15N4 |
3P 380VAC, 15KW,中文面板,內(nèi)置EMC濾波 |
1 |
| ATV31HU75N4A |
3P 380VAC, 7.5KW, 亞洲版 |
1 |
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伺服驅(qū)動部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| TLC6382F322141 |
TLC6,CAN總線，RS422編碼器接入 |
1 |
| TLC6382D312141 |
TLC6,CAN總線，RS422編碼器接入 |
1 |
| SER3BD4L7SSOA48 |
SER伺服電機，帶8:1減速機 |
1 |
| SER3BD4L5DSOA38 |
SER伺服電機，帶8:1減速機 |
1 |
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人機界面HMI部分 |
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| 型號 |
說明 |
數(shù)量 |
| XBTG2110 |
5.7英寸, 藍(lán)屏, 4M內(nèi)存, CPU主頻100M |
1 |
| XBTZ968 |
PLC連接電纜, Twido,Micro |
1 |
控制特點
控制器：由Micro PLC實現(xiàn)整機的邏輯控制和參數(shù)計算，實現(xiàn)整機的最優(yōu)控制。
Micro系列PLC是施耐德電氣公司推出的具有強大處理能力和較大的存儲空間的中小型PLC(I/O點最多256點)。通過Micro PLC準(zhǔn)確的運算和高精度的模擬量輸出，控制Twin Line系列伺服系統(tǒng)，可以實現(xiàn)緊密紡細(xì)紗機所要求的前、后羅拉精密同步、以及鋼領(lǐng)板電子成形；Micro PLC的內(nèi)存擴展功能也為緊密紡細(xì)紗機控制所需的大容量數(shù)據(jù)存儲區(qū)提供了有力的保障。
人機界面：由觸摸屏XBTG HMI實現(xiàn)紡紗參數(shù)的設(shè)定、顯示和故障監(jiān)控。
錠子和羅拉的變頻調(diào)速（ATV71）
錠子利用變頻器的多段速功能很好地滿足了細(xì)紗的工藝要求,前后羅拉通過ATV71進(jìn)行嚴(yán)格速度同步，實現(xiàn)對粗紗的精密牽伸。其主要優(yōu)勢在于能夠根據(jù)落紗大、中、小紗的張力變化，實現(xiàn)自動無級變速，優(yōu)化紡紗條件，以盡可能地保持紡紗各階段的張力穩(wěn)定，對進(jìn)一步降低斷頭，減少毛羽，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，降低能耗和減輕值車工勞動強度都將起到積極作用。
ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現(xiàn)代控制理論矢量控制技術(shù)的具有高性能和強大功能的全系列變頻器。調(diào)速范圍1～100(開環(huán))，1～1000(閉環(huán))；調(diào)速精度為10%(開環(huán))， 0.01%(閉環(huán))；過力矩能力為170%60s或220%2s。集成EMC A級濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業(yè)現(xiàn)場總線。
風(fēng)機的變頻調(diào)速（ATV31）: ATV31系列變頻器具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于使用等特點，內(nèi)置A級EMC濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業(yè)現(xiàn)場總線。
圖2 緊密紡細(xì)紗機錠子的多段速
細(xì)紗的成形：由伺服控制鋼領(lǐng)板升降。
應(yīng)用伺服控制器的電子凸輪功能， 預(yù)先下載兩條曲線至伺服驅(qū)動器，在機器啟動后，伺服接受信號輸入啟動凸輪曲線后兩條曲線交替切換工作。用戶可從人機界面上輸入相關(guān)參數(shù)，然后通過通訊傳到伺服相關(guān)參數(shù)可以修正曲線以適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求。關(guān)于停電后恢復(fù)生產(chǎn)的功能，電子凸輪提供實時讀取當(dāng)前主軸位置的功能，TLC6的內(nèi)存區(qū)內(nèi)可以提供若干斷電記憶的變量區(qū)間，我們利用這些功能將斷電前瞬間的位置記住，在恢復(fù)電源之后重新進(jìn)行生產(chǎn)過程。
圖3 鋼領(lǐng)板升降電子凸輪曲線
自動落紗:由位置型伺服實現(xiàn)細(xì)紗的高速、精準(zhǔn)、全自動落紗。
應(yīng)用伺服控制器的(位置型) 點到點精確定位，同時應(yīng)用伺服控制器的內(nèi)置編程功能實現(xiàn)停電時的位置記憶。
現(xiàn)場總線通訊：速率高達(dá)1M的CANopen總線。
CANopen總線是基于CAN BUS的高層協(xié)議，秉承了CAN總線的抗干擾性強、高速、實時的優(yōu)點，另外CANopen應(yīng)用PDO、SDO、NMT等通訊對象，方便了總線的管理和應(yīng)用。施耐德的ATV31、ATV71及伺服系統(tǒng)TWLIN均內(nèi)置了CANopen，因此，將CANopen應(yīng)用于多電機傳動的緊密紡細(xì)紗機，不僅可獲得高性能的總線通訊，而且非常經(jīng)濟。
