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案例頻道1 引言
微絲在紡織行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，微拉屬于拉絲機(jī)行業(yè)，它是新興的未來發(fā)展?jié)撛诳臻g極大的行業(yè)。近年來隨著人們生活水平的不斷提高，對于穿衣的要求也逐漸趨于理性。在高檔體恤、襯衣、毛衣、手套、襪子等衣物中都會用到微絲，以減少電磁輻射和防止靜電對人體的影響。該行業(yè)在國外已經(jīng)趨于成熟，但在國內(nèi)該行業(yè)還處于起步階段，中國是紡織大國，可以預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來隨著生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)的解決，該產(chǎn)業(yè)將會迅速發(fā)展。微拉拉出的微絲要能成為成品絲，必須經(jīng)過退火這一道關(guān)鍵的工序，以去除不銹鋼絲的張力。在為客戶成功地開發(fā)出了微拉機(jī)后，緊接著又為客戶成功地開發(fā)出了退火裝置，生產(chǎn)實(shí)踐表明，開發(fā)出的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。以下對開發(fā)中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題作粗略討論。
2 微拉機(jī)控制相關(guān)技術(shù)
現(xiàn)在以設(shè)備的左右兩邊各20頭的退火一邊為例（另一邊相同），系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)中的硬件設(shè)備選型，如可編程控制器，步進(jìn)電機(jī)、接近開關(guān)和開關(guān)電源等如表1 所示。
圖1 退火設(shè)備單邊配置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
對微拉機(jī)控制的要求有別于退火控制系統(tǒng)，盡管兩個(gè)系統(tǒng)有一定的相似之處，退火系統(tǒng)在控制要求方面更加強(qiáng)調(diào)排線的效果，因?yàn)槌善方z目前主要市場是在國外，國外廠家用戶對于排線的要求非常高，以保證在倒絲時(shí)不會出現(xiàn)疊絲和繞絲的現(xiàn)象，相比之下微拉機(jī)則更加注重張力的控制，因此兩個(gè)控制系統(tǒng)在控制要求誰是有差別的。但它們有相似之處，以往的微拉退火設(shè)備在電氣傳動方面要求比較簡單，設(shè)備的左右兩邊一般各10個(gè)頭，共20個(gè)單元。每邊只有一套電氣設(shè)備（收絲、排線），其它全部是機(jī)械聯(lián)動，所以導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中，如果有一個(gè)頭斷絲或者出現(xiàn)問題，該單元不能單獨(dú)停止工作，要停止工作只能20個(gè)頭或10個(gè)頭都全部停止，以進(jìn)行故障處理，排除故障后再啟動機(jī)器運(yùn)行，因此影響生產(chǎn)效率。此外不能同時(shí)將不同規(guī)格的絲進(jìn)行同時(shí)退火，很不靈活，加上機(jī)械的磨損，使得排線參差效果不齊，控制效果極差。在這種情況下，設(shè)備廠家紛紛要求電氣升級，要求做到單頭單控，我們用臺達(dá)工控套件產(chǎn)品開發(fā)出了性價(jià)比極高的系統(tǒng)。
表1 系統(tǒng)硬件配置表
從圖1可見，電氣設(shè)備的控制由PLC執(zhí)行。控制中用到的相關(guān)專業(yè)術(shù)語解釋如下：節(jié)距，指排線時(shí)每兩根絲之間的距離,單位為絲；步距角，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖所轉(zhuǎn)動的角度，本系統(tǒng)所選KINCO的步進(jìn)電機(jī),步距角為1.8°,選擇4細(xì)分。因此步進(jìn)轉(zhuǎn)動一圈需要800個(gè)脈沖，因?yàn)椴竭M(jìn)通過絲桿連接排線裝置.絲桿的導(dǎo)程為4mm=400絲,所以1絲對應(yīng)于兩個(gè)脈沖。
控制工藝及要求可概括如下：
（1）退火速度最高達(dá)到15m/s以上,退火絲徑:1.03-6絲；
（2）退火的線速度恒定；
（3）啟動、停車要平穩(wěn)，不能斷絲；
（4）排線要均勻，不能中間高兩頭低或中間低兩頭高；
（5）斜排量要精確,啟動時(shí)排線從右極限開始向左極限運(yùn)行,當(dāng)運(yùn)行至左極限,排線電機(jī)立即反向向右極限運(yùn)行；
（6）自動停車的功能,當(dāng)實(shí)際收線的重量大于或等于在人機(jī)上設(shè)定的重量后,自動停車,同時(shí)保證定排線和收線電機(jī)同步減速停止，保證張力的恒定,不能斷絲；
（7）能實(shí)時(shí)根據(jù)材料密度,收線速度,運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前收線的重量,在人機(jī)上顯示。
3 技術(shù)工藝說明
（1）線速度恒定
退火的速度要求從空芯卷徑到滿卷卷徑的過程中，線速度保持恒定。這是為了保證退火的均勻，同時(shí)也使排線比較均勻。為了實(shí)現(xiàn)這樣的效果，需要實(shí)時(shí)地計(jì)算卷徑，其方法是通過每層進(jìn)行疊加的方式進(jìn)行，因此在HMI上需要讓操作者輸入微絲的線徑、空芯卷徑。當(dāng)排線從一邊排到另一邊時(shí)，收卷的卷徑增加2倍微絲的線徑。所以在生產(chǎn)過程中，對排線電機(jī)從一端到另一端運(yùn)行的次數(shù)要進(jìn)行累計(jì)，然后將得到的該參數(shù)乘以2再加上空芯卷徑，就能夠?qū)崟r(shí)地算出當(dāng)前的收卷卷徑。因?yàn)榫€速度是在HMI上設(shè)定的，在整個(gè)生產(chǎn)過程中始終保持恒定，因此可知，隨著收卷卷徑由小到大變化，收卷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是逐漸下降的。反應(yīng)到變頻器上就是運(yùn)行頻率是逐漸降低的。
（2）排線要求均勻
排線均勻是為了防止出現(xiàn)疊絲的現(xiàn)象。保證排線均勻的主要要求是排線的速度要隨著收卷轉(zhuǎn)速的變化而變化。同時(shí)要求跟隨性能好，即排線的響應(yīng)速度要快，一旦收絲電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化了，排線電機(jī)要立刻就能作出相應(yīng)的反應(yīng)。排線控制與以下因素有關(guān):與收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比；與線徑成正比；與節(jié)距成正比。
其計(jì)算數(shù)學(xué)公式可以歸納為
N排線=Kd*F收線*D線徑*τ節(jié)距
上式中：Kd，排線速度系數(shù)，在調(diào)試中根據(jù)調(diào)試效果確定；F收線，收線電機(jī)的運(yùn)行頻率； D線徑；絲的直徑,單位為絲；τ節(jié)距，線軸上絲與絲之間的距離,單位為絲。
Kd的調(diào)整方法是將F收線、D線徑和τ節(jié)距都換算成標(biāo)準(zhǔn)單位,因?yàn)槭站€的頻率給定是通過模擬量給定的,在做運(yùn)算時(shí),5000對應(yīng)50Hz. D線徑換算成長度，單位為絲；τ節(jié)距換算成標(biāo)準(zhǔn)的長度，單位為絲，通過乘以Kd(0<Kd<=100),除以100得到最佳值。在計(jì)算排線速度的時(shí)候,要考慮PLC允許發(fā)送脈沖的最高頻率，同時(shí)排線是通過步進(jìn)電機(jī)控制的，要充分考慮步進(jìn)電機(jī)的特性。高速時(shí)容易失步或者堵轉(zhuǎn),輸出轉(zhuǎn)矩小，因此在速度給定時(shí)如果頻率較高,需要通過程序的方式對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速的處理，即設(shè)定啟動頻率,最高運(yùn)行頻率,加減速時(shí)間等參數(shù)，使得步進(jìn)電機(jī)從啟動頻率到最高頻率加速平滑,減速也作同樣處理，類似伺服系統(tǒng)中的平滑指令功能。
（3）排線步進(jìn)最高頻率的計(jì)算
當(dāng)收線速度達(dá)到最大值,線徑最大,節(jié)距最大,當(dāng)線軸為空芯卷徑時(shí)排線速度最高，排線前進(jìn)后退可通過1絲相應(yīng)于2個(gè)脈沖轉(zhuǎn)換，,因此可以計(jì)算出排線電機(jī)的最高脈沖頻率小于10K, PLC完全滿足控制要求，KINCO步進(jìn)電機(jī)性能為脈沖頻率在2K左右時(shí), 對速度命令的加減速處理的相當(dāng)平滑, 基本上不會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。系統(tǒng)啟動后, 加減速是通過點(diǎn)動按鈕進(jìn)行加減速的, 加減速的過程比較慢并且比較平緩，所以通過公式算出來的N排線本身就是由小到大變化的, 隨著收線電機(jī)頻率的升高而逐漸增大，巧妙地避開了步進(jìn)電機(jī)升降速需要平滑的問題。因此不需要在程序中對排線電機(jī)進(jìn)行加減速的處理，使得程序大大簡化，只要將Kd調(diào)整好，就能保證排線電機(jī)速度嚴(yán)格地按照收線電機(jī)的速度由小到大或由大到小的變化。
（4）斜排量精確
斜排量精確可以保證在放絲時(shí)不會出現(xiàn)疊絲和斷絲的情況，具體方法是將控制排線電機(jī)的脈沖輸出接到PLC的高速計(jì)數(shù)的端子上，進(jìn)行高速計(jì)數(shù)，當(dāng)排線運(yùn)行到一端時(shí)，就可計(jì)算出需要發(fā)送的脈沖數(shù)，這樣處理后,可以消除斜排量的累計(jì)誤差。因?yàn)槊看闻啪€總是先到極限位置后,然后才按照高速計(jì)數(shù)的設(shè)定值再運(yùn)行相應(yīng)的行程，不存在累計(jì)誤差，同時(shí)為了用戶能對斜排量進(jìn)行手動微調(diào),在上述基礎(chǔ)上還加上一個(gè)可調(diào)節(jié)變量，該變量可正可負(fù)，對算出來的斜排量(以脈沖為單位)加一或減一，以使斜排量更加準(zhǔn)確。
4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)運(yùn)行操作是通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的。通過三個(gè)畫面可完成是一個(gè)單元所有的操作，如圖2、圖3和圖4所示。整個(gè)退火設(shè)備有20個(gè)單元，每個(gè)單元在人機(jī)界面上都有相同的這三個(gè)畫面。只不過各元件對應(yīng)的PLC的站號不同，其它均相同。通信方式采用COM2以RS-485的方式與PLC連接，一個(gè)人機(jī)可帶10臺PLC，兩個(gè)人機(jī)共帶20臺PLC。
圖2 系統(tǒng)菜單
圖3 系統(tǒng)操作畫面
圖4 系統(tǒng)乘數(shù)畫面
上述微拉機(jī)控制系統(tǒng)和退火裝置控制系統(tǒng)的開發(fā)均采用臺達(dá)工控套件產(chǎn)品，生產(chǎn)實(shí)踐表明，開發(fā)出的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，受到用戶好評，說明臺達(dá)工控產(chǎn)品是經(jīng)得起市場考驗(yàn)的。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號