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1 概述
牛仔布生產(chǎn)中，漿染聯(lián)合機(jī)是其關(guān)鍵的設(shè)備之一，長(zhǎng)80多米，分為車身和車頭兩大部分。車身由上漿、染色、水洗和烘干四部分組成。在給定的工藝條件下，要求同步拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定在2 000±20r/min范圍內(nèi)，才能達(dá)到穩(wěn)定經(jīng)線生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。在進(jìn)行正常經(jīng)線操作處理時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求在50±4r/min左右，因此對(duì)電動(dòng)機(jī)有較寬的調(diào)速范圍要求。在原系統(tǒng)中，與該同步拖動(dòng)配套的電機(jī)是滑差電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械特性軟、控制精度低、傳動(dòng)效率低和電能損耗大的致命弱點(diǎn)。因此，用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低、可靠性高的交流鼠籠異步電機(jī)取代滑差電動(dòng)機(jī)，用交流變頻調(diào)速技術(shù)與PLC自動(dòng)控制技術(shù)控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保持漿染聯(lián)合機(jī)車身同步拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，是改造漿染聯(lián)合機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。由于車頭收卷卷徑的不斷變化，或車身低速運(yùn)行處理跳線、車頭仍在高速工作時(shí)，被控對(duì)象的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)或控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生了較大范圍的變化，增加了控制的難度，用普通的線性控制技術(shù)和非線性控制技術(shù)已不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。為此采用單片機(jī)系統(tǒng)，配以特定的數(shù)學(xué)模型解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)漿染聯(lián)合機(jī)的控制。
2 控制系統(tǒng)組成
漿染聯(lián)合機(jī)自動(dòng)控制原理框圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要由經(jīng)線導(dǎo)輥群、鼠籠異步電機(jī)、變頻器、PI調(diào)節(jié)器、速度傳感器五部分組成。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的目的是保證經(jīng)線速度基本上不隨負(fù)載變化或受外界的干擾而變化。PI調(diào)節(jié)器由LM741集成塊組成，它將可編程序控制器送來(lái)的給定信號(hào)與反饋信號(hào)比較后產(chǎn)生的誤差信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算，然后輸出一個(gè)控制變頻器的信號(hào)。變頻調(diào)速器帶制動(dòng)電阻。速度傳感器是以測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，它將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到PI調(diào)節(jié)器中，與給定信號(hào)比較后產(chǎn)生誤差信號(hào)。車身同步拖動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制精度主要取決于檢測(cè)元件及變送器的精度。
圖1 漿染聯(lián)合機(jī)自動(dòng)控制原理框圖
電機(jī)的變頻調(diào)速是由PLC控制器與PI運(yùn)算器來(lái)控制的，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高。為了協(xié)調(diào)車身與車頭集中又分散的情況，控制系統(tǒng)引入可編程序控制器，使車身與車頭之間實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制。
3 系統(tǒng)工作原理
可編程序控制器將來(lái)自車身和車頭操作臺(tái)的信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理后，分別給出車身恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)和車頭自適應(yīng)恒張力控制系統(tǒng)的給定信號(hào)。當(dāng)車頭換軸時(shí)，可編程序控制器將發(fā)出命令，停止車頭自適應(yīng)恒張力控制系統(tǒng)的工作，降低車身恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)車頭換軸不能結(jié)束，就發(fā)出命令停止車身恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)工作。當(dāng)車身需要低速運(yùn)行處理跳線時(shí)，可編程序控制器又將發(fā)出命令降低車身恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)降低車頭自適應(yīng)控制系統(tǒng)的經(jīng)線軸卷繞速度。根據(jù)閉環(huán)抑制定理，經(jīng)線軸卷繞速度變化不會(huì)影響經(jīng)線軸卷繞張力。
在車身恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)，PI調(diào)節(jié)器將來(lái)自速度傳感器的信號(hào)與可編程序控制器給定值進(jìn)行比較后，輸入到變頻器，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)車身兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變經(jīng)線的線速度，使經(jīng)線速度穩(wěn)定在期望值之內(nèi)。改變給定信號(hào)即可調(diào)節(jié)經(jīng)線的線速度。
在車頭自適應(yīng)控制系統(tǒng)內(nèi)，調(diào)節(jié)器將來(lái)自張力傳感器、速度傳感器的信號(hào)和可編程序控制器給定值，按照保持張力恒定的特定數(shù)學(xué)模型計(jì)算出一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的給定信號(hào)，再用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使經(jīng)線軸卷繞的張力穩(wěn)定在期望值之內(nèi)。
4 PLC工作過(guò)程
當(dāng)車頭或車身進(jìn)行經(jīng)線處理時(shí)，車頭和車身同時(shí)處于低速運(yùn)行狀態(tài)。在車頭換軸時(shí)，車頭停止工作，車身處于低速運(yùn)行狀態(tài)。如果換軸在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有結(jié)束或者儲(chǔ)紗箱浮輥到達(dá)下限位時(shí)，車身自動(dòng)停止工作。在車頭和車身同時(shí)處于正常工作狀態(tài)，如果儲(chǔ)紗箱浮輥到達(dá)上限位，車身處于正常運(yùn)行狀態(tài)，車頭處于低速運(yùn)行狀態(tài)；如果儲(chǔ)紗箱浮輥到達(dá)下限位，車身處于低速運(yùn)行狀態(tài)，車頭處于正常運(yùn)行狀態(tài)。完成上述工作過(guò)程由PLC的程序完成，梯形圖如圖2所示。
圖2 PLC程序梯形圖
5 PLC與變頻器的選用
該系統(tǒng)中，選用日本松下FP1-C40小型整體式可編程序控制器，它具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，并可擴(kuò)展一塊D/A模塊，該機(jī)具有很簡(jiǎn)單的模擬量處理功能，可將不同的十六進(jìn)制數(shù)送入D/A模塊，產(chǎn)生相應(yīng)模擬電壓0～5V，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制00～FFH共255點(diǎn)，也對(duì)應(yīng)于變頻器輸出頻率0～50Hz。
變頻器結(jié)合啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩選用一種啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較合適的變頻器，且要求使用四象限運(yùn)行的變頻器，因?yàn)樗械姆撬南笙捱\(yùn)行變頻器通過(guò)合理的選擇調(diào)節(jié)器都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速由低變高時(shí)的最優(yōu)控制，而變頻器由高變低時(shí)卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)時(shí)的最優(yōu)控制，只有使用四象限運(yùn)行變頻器再通過(guò)合理的選擇調(diào)節(jié)器才能實(shí)現(xiàn)，使用四象限運(yùn)行變頻器是滿足高動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求的必要條件，所以選用富士公司的FRENI5000G9S型，它可以帶動(dòng)22kW的電動(dòng)機(jī)。
6 系統(tǒng)投用效果
從系統(tǒng)投運(yùn)半年多的情況來(lái)看，運(yùn)行穩(wěn)定、效果良好。車間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：班產(chǎn)量平均提高4.8%，成品率平均提高2.7%；平均月節(jié)電438度；維修人員由原來(lái)每班二人減為一人，設(shè)備平均故障由原來(lái)每月5～6次降為1～1.5次；起動(dòng)沖擊電流由原來(lái)額定值的6.5倍左右變?yōu)槠交瑔?dòng)無(wú)沖擊；投資收益較好。
7 結(jié)論
系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制。除節(jié)能效果外，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)均為軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，電網(wǎng)無(wú)沖擊電流，電機(jī)也消除了電流沖擊和機(jī)械沖擊。自動(dòng)化程度也有提高，從而延長(zhǎng)了電機(jī)和系統(tǒng)的使用壽命。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)