（机械电子工程专业论文）纺丝卷绕专用变频控制系统的研究与开发.pdf

浙江工业大学硕士学逝论文 纺丝卷绕专用变频控制系统的研究与开发 摘要 可编程控制器( p l c ) 作为控制系统的核心装置，功能强大、性 能稳定可靠，抗干扰能力强。变频器采用变频率的方法进行电机速度 调整，可以对卷绕设备进行无级调速，具有噪音低、速度变化平滑等 优点。 本论文以面向纺织行业长短丝卷绕控制系统为背景，详细阐述了 集p l c 和触摸屏、一拖多变频器、光电感应技术、通信技术于一体的 纺织长短丝卷绕专用变频控制系统的原理和构成。 论文的主要内容包括以下几个方面： 1 概述了本课题的提出背景，对于当前进口纺机所采用的技术进 行了研究，分析了本课题的可行性和市场前景。 2 针对纺织长短丝绕制的现场环境和卷绕特点，提出了一拖多变 频器的概念和设计过程，并对变频器的原理和主要的保护电路进行了 介绍和设计。 3 详细分析了长短丝卷绕过程中，丝的受力情况，以及恒线速度 卷绕时的两种不同卷绕方式( 锭轴主动卷绕和锭轴被动卷绕) ，并针对 目前先进纺机中所采用的锭轴主动卷绕方式进行了系统设计，采用p i d 算法，控制锭轴转速，保证卷绕速度的恒定：采用r s 4 8 5 通信设计， i l 进一步提高了系统的抗干扰能力。 4 对于卷绕过程中可能出现的叠丝、凹凸肩、蛛网等瑕疵的形成 进行了分析，并在程序中进行了设计，尽量减少卷绕过程中的缺陷。 本论文中对关键控制部分给出了控制框图和源程序。 5 采用三菱公司的编程软件g p p w 进行了p l c 的程序编制，根据 控制要求设计了卷绕过程的梯形图、卷绕以及r s 4 8 5 通信等子程序： 采用三菱的触摸屏编程软件f x p c s d u w i n c 对触摸屏 ( f 9 3 0 g o t ) 的控制界面进行了设计，完成数据的输入和卷绕系统的 工作过程监控。 本设计方案最后在卷绕设备上进行了调试，现场结果证明了本系 统的良好控制效果，可广泛应用于纺织行业长短丝卷绕系统的升级改 造，有较高的实用价值。 关键词：p l c ，变频器，恒线速度，r s 4 8 5 通信，p i d ，触摸屏 1 1 1 浙江工业大学碱一l 学位论文 d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m s p e c i a l i z e df o rs y n t h e t i cy a r n s c o n v o l u t i o n a b s t r a c t a st h ec o r e c o m p o n e n t i nc o n t r o ls y s t e m p r o g r a m m a b l e l o g i c a l c o n t r o l l e r ( p l c ) h a sb e e n w i d e l y u s e di nm o d e m i n d u s t r i a lf i e l d s b e c a u s eo fi t s p o w e r f u lf u n c t i o n ，h i g hs t a b i l i t y ， s t r o n g a n t i - - e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，a n d , g oo n i n v e r t e rs u p p l i e s d i f f e r e n tf r e q u e n c yt oc h a n g et h er o t a t i o ns p e e do f m o t o r ，w i t hl o w n o i s ea n ds m o o t h s p e e dc h a n g i n g i nt h i st h e s i st h et h e o r ya n dc o n f i g u r a t i o no f t h es p e c i a l i z e dc o n t r o l s y s t e m a r e m a i n l y d e s c r i b e df o r y a m s c o n v o l u t i o nw h i c h i n t e g r a t e s p l c ，h m i ( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) ，a t h r e e - s p l i t i n v e r t e r ， p h o t o e l e c t r i c i t ya n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y t h e b a c k g r o u n d o ft h et h e s i si sr e v i e w e d ，t h ec u r r e n t t e c h n o l o g y u s e di ni m p o r t e dc o n v o l u t i o nm a c h i n ea r es t u d i e d ，a n d f e a s i b i l i t ya n d m a r k e to u t l o o ka r e a n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o na n dc o n v o l u t i o nf e a t u r e ，t h e c o n c e p t a n d d e s i g np r o c e s sa b o u tat h r e e s p l i ti n v e r t e ra r ei n t r o d u c e d ，a sw e l l a st h et h e o r ya n dm a i n p r o t e c t i n g c i r c u i t 塑垩三些查兰婴：! 兰垡堡苎 a tt h e p r o c e s so f t h r e a dc o n v o l u t i o n ，t h et e n s i o nc o n d i t i o no f t h r e a di s a n a l y z e d t h e r e a r et w oc o n v o l u t i o nw a y st om a k es u r et h e i n v a r i a b l ec o n v o l u t i o ns p e e d ：s p i n d l ei n i t i a t i v ed r i v i n gm o d ea n ds p i n d l e p a s s i v ed r i v i n gm o d e t h e p i da r i t h m e t i ci su s e dt oc o n t r o lt h ei n v a r i a b l e s p e e do f t h es p i n d l e ，t h ea n t i e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c ea b i l i t yi s i m p r o v e d ，o w n i n g t ot h er s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h e r em a yb es o m ep r o b l e m si nt h ec o n v o l u t i o np r o c e s s ，s o a d d i t i o n a l p r o g r a m s a r e d e s i g n e d t oc o n t r o lt h e m s o m e i m p o r t a n t p r o g r a m s a r el i s t e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o ls y s t e mi sf i n a l l yt e s t e ds u c c e s s f u l l yb yat e x t i l ec o m p a n y s ot h e d e v e l o p e ds y s t e m c a nb eu s e d w i d e l y i nt h e y a m s t h r e a d c o n v o l u t i o nf i e l d s k e yw o r d s ：p l c ，i n v e r t e r ，c o n s t a n t s p e e d ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n ， p i d ，h m i v 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 n f 厂同步转速 定子频率 p 一磁极对数 s 一异步电动机的转差率 p 一电动机功率 k 、一变频器电流最大过载倍数 k 2 一电流文波系数 n 一变频器效率 c o s o 一功率因数 u c 一交流线电压。 u 。b r ) c e o 一极限电压 i c m 一极限电流 k 、厂电压安全系数 k a 一电流安全系数 u c e p 一集、射间的尖峰电压 u d 一直流电压 l 一直流电压u d 出线的杂散电感 。d i i g b t 集电极电流变化牢 甜 五一的弹性系数 一增益 产一时间 f 似，为本次采样值， n 摩擦辊频率 v 一速度( m m i n ) 、 d 一直径( m ) z 一传动比 v l 7 4 9 5 7 5 一 塑竖三些茎兰型! 主兰垡堡奎l 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：另屯卜丝 日期：沙缉筚月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影e 口、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：易咖也 导师签名 嬲陟 日期：2 珀f 年( 厶月弦日 日期。，巧耷够月j o 日 浙江工业大学碗_ 上学位论文 1 1 课题的来源和意义 第一章绪论 我国是世界最大的纺织及服装的生产和出口国。纺织化纤产业是国家工业的 支柱产业之一。据悉，全国规模以上的纺织企业就有2 万多家，规模以下的纺织 企业仅浙江省就有2 5 万家之多，化纤企业全国大约有2 0 0 0 家，异常激烈的市场 竞争已渗透到纺织化纤的每个角落，这些生产型企业能否有效的提高生产效率、 工艺从而降低生产成本，保住产品优势业已成为各厂家发展中的首要问题。 目前全国的5 0 强化纤企业至少有3 8 强的化纤企业是选择村田、帝人、巴马 格等的整机设备，这些设备主要是8 0 年代至9 0 年代的产品，大部分卷绕控制系 统处于老化状态，故障率较高，这些专用的控制系统厂家大部分已不生产，或者 价格很高，直接导致了生产成本的增加。 卷绕设备及其控制系统是化纤纺丝设备中的关键部分，占到化纤纺丝设备总 投资的5 0 - - 6 0 ，技术上涉及到纺丝的卷绕原理、自动控制技术等，必须精心设 计和制造，才能生产出高性能的化纤卷绕设备。目前，国内有关企业对卷绕设备 的研发工作，与化纤丝设备中的纺丝整机研发相比，显得投入不足，长期以来主 要依赖进口，这就制约了我国化纤工业的创新、发展和技术进步。因此，为了提 高卷绕设各的技术含量、降低卷绕设备的制造成本、提升卷绕设备的国际竞争力， 必须加大创新和研发化纤卷绕机电一体化新技术的力度，通过核心技术的国产化， 为实现具有自主知识产权的高性能卷绕设备提供技术保证。 针对这一情况，开发一套可以对这些进口设备进行技术改造的纺织长短丝卷 绕变频控制系统就显得颇为重要，江浙一带众多的纺织行业也使得该控制系统的 市场非常的广阔。在此背景之下，开发了一套通用型的纺丝卷绕控制系统，保留 原来进口设备的机械结构的基础上，进行电气控制系统的升级改造。 选择此课题主要是为了开发研制具有自主知识产权的高性能、高技术含量的 卷绕成形控制技术，通过对进口纺机卷绕控制系统的改造，积累开发高速卷绕控 制系统的经验：同时也可以促进高速纺丝设备国产化。节省大量外汇，降低企业 设备投资成本，提高我国化纤长丝的产量和质量，为振兴我国的化纤工业尽一份 力。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外先进纺机卷绕头系统现状与分析 二十世纪九十年代中期以后，大卷装高速卷绕机普遍采用锭轴传动方式，横 动装置大多采用转翼式，8 至1 6 个丝饼。国际市场上占主导地位的是德国、日本、 意大利和瑞士几个国家。它们推出的卷绕机有：德国巴马格公司开发了采用集散 控制的c w 6 型全自动切换高速卷绕机；日本东丽工程公司生产的t w 一7 1 3 6 锭轴传 动型6 丝饼全自动卷绕机；日本帝人制机公司的n s 一6 0 0 系列高速卷绕机；日本村 田机械公司的n o 7 4 0 ，n o 7 5 0 系列高速卷绕机等，卷绕速度超过了6 0 0 0 m m i n 。 最新的卷绕机各有特点，德国巴马格公司的a c w8 t 型卷绕机采用了紧凑专用 的变频系统w i s ，它的5 台变频器分别控制2 根锭轴、接触辊、转翼式横动装置及 切换转盘，卷绕机的最高速度可达8 0 0 0 m m i n l 德国纽马格公司的w i r a s6 0 0 8 r 型 卷绕机的速度达8 0 0 0 m m i n ，最大卷装直径达4 4 0 m m ，采用计算机、可编程控制 器( p l c ) 控制，由变频器进行调速，用扫描辊检测卷装表面的线速度来控制锭轴的 转速。日本村田公司的n o 7 7 7 ，n o 7 7 8 型卷绕机采用积极传动的接触辊，转翼 式横动装置，并采用有间隙卷绕方式，最高速度可达8 0 0 0 m m i n 。日本东丽工程公 司生产的t w 一7 1 0 系列、t w - 7 1 7 型、t w 一7 1 8 型超高速卷绕机，卷绕速度达6 0 0 0 m m i n ， 丝饼数为6 - 8 个；由日本东丽工程公司、村田公司、帝人制机公司组建的t m t 公 司生产了a t i 一6 1 5 c 型全自动切换卷绕机，集三家之所长，采用凸轮式横动装置， 伺服电机驱动切换转盘，根据纠错编码器确认旋转角度后，通过卷装直径选择最 佳的卷绕条件，并在锭轴的前后端都配置导柱以提高横动箱的刚性：另外，瑞士 立达( r i e t e r ) 公司的r i e m a ta 6 0 9 型卷绕机速度高达7 0 0 0 m m i n ；意大利康尼坦 克斯( c o g n e t e x ) 公司的r 4 和r 1 2 型全自动卷绕机最高速度达8 0 0 0 m m i n 。这些卷 绕机都具有世界领先技术的控制系统。 意大利c o m o l i 公司推出m 2 5 0 ，3 5 0 ，4 5 0 自动卷绕机，4 5 0 型是专为l o y ( 低 取向丝) ，f d y ，b c f 丝的卷绕而设计的，适用纤度范围2 0 - - 7 0 0 0 d t e x ；3 5 0 型为 锦纶、丙纶、涤纶b c f 丝专用，纺速2 5 0 m m i n ：2 5 0 型卷绕头( 速度为1 1 0 0 m m i n ) 是为弹性纤维、醋酸纤维卷绕而设计的，上述卷绕头均带有自动生头、自动换筒 装置。 上海二纺机股份有限公司的新产品c w 一6 具有自动切换、定长卷绕、可绕制 6 个丝饼的卷绕头，关键零部件依赖进口。经纬纺机厂研制了k 9 2 2 1 、k 9 2 2 2 s 型 浙江工业大学硕士学位论义 高速卷绕头，设计纺丝速度分别为4 0 0 0 m m i n 、6 0 0 0 m m i n ，驱动方式前者为摩擦 传动，后者为锭子式。 中国纺织科学研究院机械厂研制的民用长丝p o y 、f d y 、h o y ( 高取向丝) 生产用b w a 8 6 0 t 、b w a 8 6 0 b 、b w a l 2 6 0 t 、b w a l 2 6 0 b 、b w 4 3 5 、b w 6 3 5 、b w 8 3 5 、 b w l 2 3 5 等全自动、半自动型高速卷绕头，工业用丝b w a 2 4 0 全自动型高速卷绕 头。b w 6 3 5 型高速卷绕头，纺丝速度：3 5 0 0 m m i n ，b w a 系列全自动换筒高速卷 绕头纺丝速度：3 0 0 0 - - 6 5 0 0m m i n 。 从上述的国内外先进卷绕头资料上可以看出，民用纺丝卷绕技术正朝着高线 速度( 大于4 0 0 0 m m i n ) 、锭子( 轴) 直接驱动、卷绕轴自动切换、网络化控制等 方向发展。 1 3p l o 的应用情况啪咖州嘲 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 简称p c 或p l c ，是6 0 年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司( d e c ) 为美国通用公司( g m ) 研制 开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞 速发展，p l c 软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化 方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。 随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到 了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将p l c 理解为开关量控制的时代已 经过去，p l c 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和 信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，p l c 将主要朝着以下两个方向 发展：一个是向超小型专用化和低价格方向发展；另一个是向高速多功能和分布 式自动化网络方向发展。总的趋势如下： 1 c p u 处理速度进一步加快 目前p l c 的c p u 与微型计算机的c p u 相比，还处在比较落后的地步，最高的 也仅仅处在8 0 4 8 6 一级。将来会全部使用6 4 位r i s e 芯片，实现多c p u 并行处理 或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路 固化e 例如三菱的q 系列p l c 和运动控制器就可以实行双c p u 工作。 2 系统的开放性和兼容性 开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和 浙江工业大学硕士学位论文 第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发 平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项 目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象， 这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题；另一 方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。 除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水 平。 3 通用性和专业化的结合 可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才 能使一个系统既具有通用性又具备专业化? 硬件系统的模块化便是解决这一矛盾 的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成 到通用系统中去。常用的专用模块包括：定位模块、温度测量模块、高速采样模 块、网络接口模块等。 4 可靠性进一步提高 随着p l c 进入过程控制的领域，对p l c 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余 的容错技术将进一步得到应用，不仅会有c p u 单元冗余、通信单元冗余、电源单 元冗余、i 0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可 靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统 各单元的质量要得到保证。m t b f ( 平均无故障时间) 是衡量产品质量的重要指标。 纵观各著名厂商，其p l c 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。 5 控制系统分散化 根据分散控制、集中管理的原则，p l c 控制系统的i o 模块将直接安装在控制 现场，通过通信电缆或光纤与主c p u 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更 可靠。 6 控制与管理功能一体化 为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，p l c 将广泛采用计算机信息处理 技术、网络通信技术和图形显示技术，使p l c 系统的生产控制功能和信息管理功 能融为一体。 综上所述，我们不难得出下面几个结论： 1 工控机、计算枫集散控制系统及p l c 正在走着一条相互融合的道路： 浙江工业大学硕士学位论文 2 智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想： 3 系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强 4 基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据； 5 通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。 1 4 交流调速技术的应用情况 众所周知，长期以来直流电动机调速系统在调速传动领域中占有主导地位。 它不仅形成了较完善的控制理论、简单的系统结构，而且有着控制方便且调速精 度、调速范围、启制动性能、动态过渡过程等均很理想的优点，因而在2 0 世纪7 0 年代以前一直被认为是工业中调速传动的主要设备。但它在工业应用中还有不少 缺点，如：由于其复杂的电刷结构，使用环境限制的非常严格：需要经常检修和 维护：与同容量的交流电机比较，直流电机结构复杂，体积大、重量大、价格高 相比之下，由于交流电机有着体积小、结构简单、坚固耐用、可用于恶劣环境中 等优点。所以交流调速技术一直受到人们的密切关注。 目前，从数百瓦级的家用电器到数千瓦级乃至数万瓦级的调速传动装置，可 以说无所不包的都可以用交流调速传动方式来实现。交流调速传动的应用范围己 经从晟初的只能用于风机、泵类的调速过渡到要求具有高精度、快响应等高性能 指标的调速控制。从性能价格比的角度看，交流调速装置己经优于直流调速装置。 在经过大约3 0 年的发展后交流调速电气传动己经上升为电气调速传动的主流。在 电气调速传动领域内，由直流电动机占统治地位的局面已经受到了猛烈的冲击。 可以相信，在不久的将来交流调速电气传动将会取代直流调速电气传动。 现在人们所说的交流调速传动，主要是指采用电子式电力变换器对交流电动 机的变频调速传动。除变频以外的另一些简单的调速方案，例如变极调速、定子 调压调速、转子串电阻调速、电磁转差离合器调速等。虽然仍在特定场合有一定 的应用，但由于它们的稳定性、可靠性和效率等方面均存在许多问题，使用受至 限制，终将会被交频调速所取代。由于交流调速系统不断显示出本身的优越性和 巨大的社会效益，所以使得变频器与交流电动机调速系统具有越来越旺盛的生命 力。 浙江工业大学硕士学位论文 1 5p l o 与其它控制系统的比较嘲8 1 5 1p l c 与继电器控制系统的比较 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的 延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果 要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。p l c 是利用其内部的存储器以数据形 式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变p l c 内存储器的内容，也就可以实现更 改控制逻辑的目的。对于p l c 来讲，只要用p l c 配备的编程器在现场就可以完成 更改。至于p l c 对外部的联系，只有i o 点，只要输入输出对象不变，就无须对 硬接线作任何改动。 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作 一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而p l c 是 以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒( 对于高速 p l c 则是5 微秒以下) 。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。 对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继 电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整 不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而p l c 则是由晶 体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范 围一般为o 1 秒，也有0 0 1 秒的，精度一般高于1 0 毫秒，只要根据需要由编程器 送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于p l c 的定时是对时基脉冲进 行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的p l c 一 般都具有定时器和计数器功能。 从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点， 连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使 接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而p l c 则采用了无触点的电子电路来 替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺 点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功t im i d 自检功能，使 程序的运行过程成为透明。 p l c 一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困 难a 继电器逻辑只能对开关量进行控制。而p l c 除了具有开关量控制功能外，有 浙江。【：业大学硕士学位论文 些功能较全的p l c 还具有a d 、d a 转换装置，可以用来对模拟量进行控制，还 可以进行通讯操作。 1 5 2p l o 与计算机控制系统的比较 p l c 是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而 设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同， p l c 较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿 度环境、输入、输出一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的 继电器或可控硅( 也有用晶体管) 输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。 此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便，并有较完善的监 控功能。微机一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当 水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控 制并非必须。因此p l c 显然较微机系统更适合于工业控制。 1 5 3p l c 与集散型控制系统的比较 p l c 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t i o n c o n t r o ls y s t e m ) 是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量 处理，回路调节等方面有一定的优势。 p l c 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度 上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网 络，构成了以p l c 为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能( 如现场总 线) 的不断增强，p l c 与p l c 及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在 数据高速公路上( d a t a h i g h w a y ) 挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下 装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，加上 p l c 价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。 综上所述，现代p l c 不仅有完善的i o 处理，而且还有强大的数据处理功能， 开发一个专用的小型控制系统，采用p l c 作为主控单元是比较合适的，所以本系 统中采用p l c 作为系统的主控单元，在理论和实践上都是可行的。 浙江工业大学硕：e 学位论文 1 6 本论文的主要工作 采用p l c 作为控制系统，对于纺织卷绕头及其工艺进行研究，实现集成三个 独立单元的的变频器为一体的纺织卷绕专用控制系统。 根据卷绕理论，建立了接触辊转速、卷装直径、锭轴转速、横动装置往复速 度之间的数学模型，以此来确定各电机相应的转速。 针对纺织长短丝绕制的恒线速度，采用p i d 算法，进行恒速卷绕工作。对于 数据的传送采用r s 4 8 5 通信，提高了系统的抗干扰能力。对于丝饼绕制过程中的 可能出现的缺陷进行了分析，并给出了解决的方案。 独立编制了p l c 控制系统和触摸屏控制画面的所有源程序。 1 7 本章小结 对于作为系统主控单元的p l c 的功能和使用的场合等做了介绍；p l c 系统和 继电器、d c s 系统等做了比较，分析了各自的优缺点；对于进口纺机的卷绕头控 制系统有了一定的认识：对于系统的整体结构进行了分析。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章纺丝卷绕控制系统的总体设计 结合卷绕工艺，分析通用型纺丝卷绕控制的设计；结合卷绕头的机械结构和 卷绕原理，提出总体设计方案，同时考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分 的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把 本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用卷绕控制系统。 2 1 纺丝整体工艺过程。伽 纺丝工序是将切片经过预结晶、干燥、螺杆挤出、熔体过滤，最后经过计量、 侧吹风等将丝纺出，进入到拉伸工序；经过第一拉伸辊和第二拉伸辊的速度差， 得到预定的纤度纺丝，然后进入卷绕头进行卷绕，总体结构如图2 一l 所示。 图2 1 纺丝的生产漉程 f i g2 - - 1s y n t h e t i cy a r n sp r o d u c i n gp r o c e s s 导丝工序中的导丝辊为表面带有金属镀层的圆形盘，一般用同步变频电机直 接驱动，其作用主要是调节丝束的张力，改变丝束的走向，使之不受导丝器来回 运动的影响。在熔体直接纺的生产工艺过程中，丝束被第一导丝辊和第二导丝辊 拉伸，由于丝束是在导丝辊的表面高速运行，因此为了保证均一的纺丝张力，对 导丝辊的镀层要求较高，对镀层材料的选择和表面光洁度有严格要求。对于高速 纺丝来讲，高速导丝辊周围不受控制的空气流动会增加对丝的张力的影响，因此， 为了得到优质的丝饼，必须保持较低的卷绕张力。但张力的降低程度与丝束和导 丝辊表面的附着力有关，所以，根据表面光洁度的特性，对导丝辊采用纺丝油剂 浙江工业大学硕士学位论文 上油粘附的特性，增大丝束和导丝辊表面的附着力。可使丝束在很低的张力下不 易从导丝辊上脱离，从而保征了丝束的质量。 卷绕头是熔体高速直接纺生产中的核心设备。它由摩擦辊、卡盘轴( 锭轴) 、 横动装置等组成。卷绕头的作用主要是使丝束通过各种传导元件准确地缠到纸筒 上，并进行正常的卷绕。 由于纺丝设备中的关键技术环节是在卷绕的控制上，所以本论文不对纺丝和 拉伸工序展开讨论，下面就着重分析卷绕头的结构和控制方案的设计。 2 2 卷绕头结构分析2 3 1 卷绕头的驱动方式主要有锭轴驱动和摩擦辊驱动两类。驱动类型的选择与丝 的接触压力、装置自动化程度及丝束传送过程中的精确性有关。在熔体直接高速 纺的过程中，丝束的高速正确自动传动非常关键，它依赖于由多种元件构成的自 动化丝束传导装置的精确性。在这些传导装置中，卷绕头的驱动装置是一个非常 重要的传导装置，它必须保证符合下述两个条件：在丝束的自动传送过程中， 卷绕丝的张力必须保持恒定，并且不小于正常的卷绕张力；当丝束刚传到新的 筒管上时，筒管周边的速度必须调整到与丝束的速度相同。 对摩擦辊驱动的卷绕头来讲，随着摩擦辊和丝饼之间的压力增大，丝的滑动 相应减小，此时需要提高接触压力才能把丝绕到丝饼上而没有滑动，但是，较高 的接触压力将不可能产生良好的丝饼成型。因此，摩擦辊驱动的卷绕头很难满足 上述条件。而锭轴驱动的卷绕头上，由于每一个锭子都有一个独立的调节器和速 度控制器，极易满足上述两个条件。 横动装置主要由驱动单元、传动单元和导丝器等组成，其作用是通过它在一 定范围内时快时慢的周期性运动进行来回均匀铺丝，保证合适的螺旋角，从而保 证丝饼的良好成型，熔体高速直接纺的卷绕头高速横动的目的是保持合适的螺旋 角。 自动切换装置：自动切换装置主要是通过各组成元件的动作，来完成丝束从 满卷状态自动切换到空纸筒状态重新进行卷绕的过程。自动切换是否成功，直接 影响劳动强度和生产效率。随着高速纺工艺的逐渐应用，对卷绕机的切换功能的 要求也越来越高。具有自动切换装置的卷绕机，不仅能使每个丝饼上丝的长度统 一，克服丝切换中的困难，而且还可减少落筒产生的废丝量。 浙旺王业大学五亘士学位论文 由于在锭轴驱动的带自动切换的卷绕机上，每个锭子都有一套独立的调节器 和控制器以达到设定的转速，从而保证较高的自动切换概率。通过测定某装置摩 擦辊驱动和锭轴驱动的丝束自动成功切换的概率情况可知，锭子轴驱动的卷绕机 的成功切换概率较高。 2 3 卷绕头工作过程分析 由于卷绕头的驱动方式主要有锭轴驱动和摩擦辊驱动两类，所以卷绕头的工 作过程按照驱动方式的不同而有所区别。 对于摩擦辊驱动的方式，由于卷绕是发生在锭轴卡盘上的纸筒上，所以随着 卷绕的不断进行，只要摩擦辊的转速保持不变，就可以保证卷绕的线速度不变， 这种方式在线速度的恒定上有一定的优势，但是，随着卷绕半径的增大，丝饼与 摩擦辊之间的打滑现象也会增大，这又在一定的程度上影响了丝饼的成形。 对于锭轴驱动方式+ 由于纸筒是直接套在锭轴卡盘上，所以当丝饼半径增大 以后，如果保持锭轴的转速不交，那就会导致线速度的增大，这就会引起断丝等 现象，为了保证线速度的恒定，就需要在丝饼半径增大时，同步改变锭轴的转速， 由物理知识可知，线速度= 角速度半径，所以转速和丝饼半径成反比的关系。 卷绕过程中必须保持一定的张力，同时卷绕成形的丝饼必须没有叠丝、蛛网 等缺陷( 具体的分析在第四章) ，这些都是靠横动装置来实现，横动装置以一定的 速度运转，与锭轴之间形成一定的超喂角，超喂角的大小就决定了丝束张力的大 小，同时为了防止叠丝等不良现象的产生，必须在横动装置运转速度的基础上加 一个扰动量，使得横动装置的运转速度在一定的范围内波动。 当丝饼的长度到达设定值后，就要开始切换，满装的丝饼要落筒，另一个锭 轴要接着工作。在进行切换前，先要让准备工作的锭轴运转到当前工作的线速度， 以免摩擦辊和锭轴接触时出现很大的速度反差，导致纸筒的损坏。 2 4 控制系统总体方案的设计 在卷绕过程中，锭轴电机的调速控制一方面是为了使接触辊的转速保持恒定， 保证丝条的恒张力卷绕，另一方面是使锭轴电机的转速按设定转速规律变化，实 现丝条的恒线速度卷绕；横动装置电机的调速控制目的是使卷装成形紧密、精密， 浙江工业大学硕士学位论文 防止丝条重叠。为了使电机实现这些特殊的运行规律，采用各自独立的变频器对 锭轴电机和横动装置电机进行调速控制。在横动装置中，电机功率是通过高精度 的同步齿型带传给横动转翼的，每根轴上装有正反两片转翼，一个固定在中一i i , 轴 上，作正转运动，另一个固定在套筒上，作反转运动；接触辊的启动由压缩空气 驱动端部蜗轮实现，在正常卷绕时，接触辊是靠与卷装问的接触摩擦力带动的， 蜗轮不工作。 控制系统的核心控制采用p l c ，锭轴和横动装置采用变频器控制，为了减少 纺丝现场的纺织飞花、纤维飞丝等的影响，结合卷绕头的结构，我们和三精科技 自动化有限公司重新设计了变频器的结构，采取了一个整流单元提供给三个逆变 单元直流电压的设计方案( 以下简称一拖三变频器) ，抗电网电压闪变能力大大增 强，该部分具体的计算和内容在第三章中说明，同时也使得整个控制系统的结构 更加的合理，在现场中的安装和调试也更为方便。整体的结构如图2 2 所示。 l 一j 图2 2 控制系统整体方案 f i g2 2 t h ed e s i g no f w h o l ec o n t r o ls y s t e m 整个系统触摸屏、p l c 、计数模块、一拖三变频器等构成，触摸屏是数据交换 的窗口，数据的设定和修改由此完成：p l c 是控制中心，完成所有的运算和自动 控制；锭轴、横动装置分别由变频控制；锭轴和摩擦辊分别由光电编码器送至计 数模块进行转速的运算；p l c 根据控制曲线私计算所得韵转速进行p i d 转速控制， 为了减少外部电磁干扰，对于变频器频率的给定采用了r s 4 8 5 通讯控制。 由于本系统的应用目的是对进口卷绕设备电气系统的升级改造，所以保留原 浙江工业大学硕士学位论文 有的气动和机械部分，p l c 对这些包括丝饼满筒推出、摩擦辊上升下降等的顺序 开关量进行控制，使它符合设备的工艺程序。 2 5p k c 控制系统的运行方式 运行方式分为手动及自动两种操作方式。 1 手动：各工步都可单独点动，可用来检测设备的各个组成部分是否动作正常； 同时在手动状态下，可以进行p i d 自动调谐功能，可以从触摸屏中调整每一个系 统运行参数。 2 自动：按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行， 自动循环。在自动方式下，若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动， 系统即从程序的停止前的工作状态( 例如锭轴的运转速度等) 开始运行，这样的 好处是不会造成设备工作进程的中断；如果重新启动前按下复位按钮，则设备从 初始状态开始运行，也就是和刚刚换好新纸筒时的工作状态一样。 根据卷纸包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。 与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器的停 运方式有正常停运和紧急停运三种。根据控制系统要求，由于卷绕运行期间采用 循环工作方式，只有在工作结束、接收到操作人员的停止运行指令、设备出现故 障、异常情况时才停止；当出现重大异常时，例如摩擦辊气动压力的不足或消失 或出现断丝等情况，该类异常严重影响了系统的正常运行和设备安全，所以采用 硬件切断电源，使系统立即停车，以便于检修或维护时的人身安全：而对于通讯 出错超过预定的次数( 本系统设定为3 次) ，系统采取软件停车的方法，不切断电 源，按正常停车程序进行。 卷绕控制功能要求： 手动运行可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复 与检修，以及系统参数的修改等，全自动运行按下启动按钮，系统即可连续、协 调、周期性地循环完成各卷绕动作，直到系统接收到停止运行信号。 2 6 控制系统的硬件总体设计 26 1 各部分之间的关系 i i 工业大学硕士学位论文 在前面已经说明，本系统采用可编程控制器( p l c ) 控制的结构。p l c 负责按钮、 行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频 器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。触摸屏用 来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。触摸屏通 过r s 4 2 2 口与p l c 相连，进行相互之闯的数据交换；p l c 通过r s 4 8 5 模块和变频 器进行通信，达到控制变频器的启停和运转速度的要求。脉冲计数模块接收摩擦 辊和锭轴的脉冲，通过数据缓冲区和p l c 进行数据的交换，为p i d 控制提供反馈 值。 2 6 2 控制系统主要器件的选型“” 控制系统主要包括触摸屏、p l c 、变频器、r s 4 8 5 通讯卡这几个主要器件，另 外的如接触器、中间继电器、电磁阀、接近开关、光电管等主要利用原有的器件， 所以这里不一一列出，具体可参见附录中的电路图和元件清单。 触摸屏的选择：由于现场的工作环境较差，同时考虑到成本，选用防护等级 为i p 6 5 的经济型三菱触摸屏f 9 3 0 g o t - - b w d ( 横型) ，该触摸屏2 4 0 x 8 0 点的高 解析度显示屏，配有两个数据交换口，一个为r s 2 3 2 ，另一个为r s 4 2 2 ，r s 2 3 2 可以和打印机连接进行打印数据报表等，r s 4 2 2 与p l c 编程口相连进行工作过程 的监控和数据设定等。 p l c 的选择：在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和 分析，然后确定系统的规模、机型。经过统计( 可参看附录的电路图) ，该系统输 入点位接近2 6 个，针对不同的卷绕设备，输入点位稍微有些差别，考虑到一定的 余量，故选用三菱的f x 2 n - - 6 4 m tp l c ，该p l c 提供了3 2 个输入点和3 2 个输出 点，它具有超高速的运算速度( o 0 8 p s a t e p ) ，小型化设计，程序容量：内置8 ks t e p r a m ，最大可扩充至1 6 k s t e p r a m ，可使用f x 系列模块，可做8 台主机连线。 它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛，它具有很强的计算能力和完 善的指令集，适用于高速的过程处理需要。除此之外，三菱p l c 通用编程软件o p p w 功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。 r s 4 8 5 通信模块的选择：f x 2 n 系列的p l c 可选用的r s 4 8 5 通信模块是f x 2 n - - 4 8 5 - - b d 扩展板，用三菱f x 系列p l c 的通信指令( r s 指令) 就可方便的对具 有4 8 5 接口的设备进行通信控制了。 浙江工业人学硕上学位论义 变频器的选择：锭轴驱动式的卷绕头对变频器的要求可以从卷绕头工艺参数 推导出来：设计的卷绕最高线速度为4 0 0 0 m m i n ，锭轴( 夹头) 驱动电机为两极的 变频异步电机，纸筒初始直径为1 2 6 m m ，丝饼最终直径为4 3 0 m m 。初始卷绕式， 纸筒的直径最小，转速要求最高，卷绕初始的转速为4 0 0 0 ( z 0 1 2 6 ) ，丌为圆 周率，计算可得最高转速约为1 0 1 0 6 r m i n ，推算出所需的最高运转频