西门子PLC模块6ES7515-2FM02-0AB0
近年来，随着市场经济深入发展和人民生活水平的不断提高，纺织技术不断更新，使纺织服装面料花色品种层出不穷，其中竹节纱面料以立体凹凸效应，使布面呈现粗犷自然的特色，受到人们的青睐。通过在细纱机上加装一套竹节纱装置，便可生产出各种花式纱，生产出不同风格的竹节布面料，为提高企业的产品竞争力奠定了基础。随着社会的进步，人民生活水平的提高，竹节纱设备的性能要求也越来越高，随着时间的积累，竹节纱工艺配方参数会越来越多，有的纺织厂客户甚至有成百上千种竹节纱配方，当有某纱线订单时，操作员需要将每台竹节纱设备的配方参数逐步输入触摸屏，操作麻烦且容易错漏，有些竹节纱还要求在某段粗度范围内随机抽样纺，相应的控制难度也越来越高，控制系统自动化程度要求也愈来愈高，根据设备不同会应用到不同种类的工业自动化产品，客户可以根据控制对象的不同选择相应的设备来进行控制系统的构建。
面对日益复杂的要求和相应产生的生产效率问题，本文基于台达的DVP系列 PLC和HMI及伺服等自动化产品，实现了一套**的竹节纱设备自动控制系统，该方案采用具有高速脉冲输出型PLC控制伺服系统，扭矩、超喂比恒定，具有高定位功能，完全不同于一般的速度控制模式，可长时间连续工作，竹节不变化，设备稳定可靠。
2 工艺分析
从当前的业界通常情况来看，不同竹节纱装置生产的竹节纱的风格、类型是有区别的。随着竹节纱装置技术水平的不断提高，竹节纱的花色类型也在不断增多。从纺制竹节纱装置的驱动系统来说，从早的离合器式、步进电机，到现在的伺服电机；从纺制竹节装置的变速系统来说，有变动前罗拉速度纺出竹节的，也有变动中后罗拉及前罗拉速度纺出竹节的，其花色种类越来越多。
竹节纱的关键控制点在于对节粗、节长和节距的控制。
竹节纱的节粗：一般设计为基纱的2倍～3倍，大为6倍。竹节粗度愈大，生产难度愈大，对后加工影响也大。
竹节纱的节长：一般设计≥2 cm，节长愈长愈好纺，愈短愈难纺，特别要考虑竹节纱装置的特性，一般步进电机纺制的竹节，就是设计节长小于1cm，纺出的竹节也大于2 cm，由于纤维长度一般在2 cm～3cm，因此竹节愈短，生产难度愈大。确需竹节长度短，就要选用合适的纺制竹节纱装置，所以竹节纱的节长要考虑其装置的特性、纤维长度、竹节粗度和工艺车速惯性的影响。一般伺服电机驱动的竹节纱装置其节长可短；纤维长度长的节长也长；竹节粗度小时，节长可短；工艺车速高，惯性大时，节长也长。
竹节的节距：节距是一个很重要的参数，决定布面竹节排列效果、排列密度及规律。一般设计节距≥2 cm，节距愈短，生产难度愈大。
竹节节距对布面影响大的是竹节在布面形成规律性条纹，即“规斑”疵布，因此设计时应特别注意，对于步进电机前罗拉变速系统纺出的竹节纱装置，其纺出竹节规律为五个竹节为一小循环，每次起头时，递次变更竹节位置，形成二十五个竹节为一大循环，这种形式在布面容易形成“规斑”，因此在设计时要求小循环和大循环的周期长都不能和布幅宽度成倍数或接近倍数关系，一个小循环内五个竹节的节距也不能成倍数或接近倍数关系，而且竹节节距要长短搭配、分散排列，尽量杜绝布面形成“规斑”。
3 控制系统
3.1 硬件组成
系统硬件组成如表1所示：
3.2 配方工艺管理系统
竹节纱配方工艺归档，为工艺人员对竹节纱的生产管理带来极大的方便，随着近几年电脑运用的普及和电脑技术的高速发展，U盘成为了新一代超容量性存储器，再也不用担心掉电时间长而丢失工艺的问题。本系统结合U盘为用户开放了4000个竹节工艺品种货架，每个工艺品种可以有多200组竹节工艺参数组数，供用户随意调用、存贮或修改。
在多机台竹节纱间操作时，不需要每台都执行输入操作，只用一只U盘就可互相复制竹节工艺，简化操作流程、便于统一管理、提高可靠性。可以将U盘中竹节工艺定期保存到厂部电脑，以便归档留底。
3.3 四种纺纱方式实现不同风格
除提供市面上已有的1组参数、和多组参数循环纺纱方式外，另外为用户提供了三种更为**的纺纱方式：
模糊1：控制器从用户设定的1-200组参数中随机抽取其中一组纺，按组别进行随机抽取不重复纺纱。(M组节长－－M组节距－－N组节长－－N组节距)。
模糊2：控制器从用户设定的1-200组参数中随机抽取其中一组的节长，与另外经过随机抽取的不同组的节距，重新组成新的一组竹节参数进行纺纱，即将竹节随机组合纺纱。(M组节长—N组节距—X组节长—Y组节距)。在模糊1的基础上打破组别的限制，实现高等无序纺纱。
模糊纺3：在模糊纺3竹节参数设置中，输入基纱及竹节参数的上下限值(上限>=下限)，各纺纱参数在上下限设定范围内由控制器随机抽取数值进行纺纱。客户只需要设定好参数的上下限数值即可实现的模糊式竹节纱。
在这三种纺纱过程中，因控制器是执行微机中的随机数指令，经过随机抽样后竹节规律是完全不会重复，就算在同品种不同台之间，也不会出现重复的规律性，从实际应用看，此些功能完全解决了布面上规律性条纹的产生，满足用户不同风格布面要求。
3.4 超精度位置控制的伺服系统
本装置采用高速脉冲输出型PLC控制伺服系统，扭矩恒定，超喂比恒定；伺服长时间连续工作，竹节不变化，稳定性好。设计原理采用伺服电机高精度定位控制模式，以脉冲方式控制，一个脉冲运行一个固定角度，在高精度数控加工中均采用此种控制方式，所以参数设定中可直接输入粗长、细长，设备控制稳定性得到可靠保证。
相比于其它竹节纱装置多是采用速度控制模式，通过直接设定电机转速，再通过罗拉转速计算出时间，用定时变速的方式控制粗长、细长。
3.5 高质量前罗拉采样系统
本装置的控制系统是将前罗拉与中后罗拉完全独立传动，它们间是通过无触的传感器来实现电气跟随，而前罗拉测速编码器的精度及分辨率都起决定作用。控制器的高速计数功能可以从开停车到纺纱中的所有细节都处于监控之下，并提供校正及报警。
3.6 完善的报警自诊断功能
该功能是生产优质竹节纱的一个可靠保证，本系统提供了生产过程中所有故障或非正常参数设置等报警功能。做到及时发现，及时报警，及时处理。
3.7 结构简单
本竹节纱装置由伺服电机带动中后罗拉传动，机械部分自成单元，不与原主机冲突，安装方便，电控箱外置。采用本装置后，不易出机械故障，也降低了劳动强度，提高了劳动效率及成纱质量。
3.8 其它一些功能
本装置还提供了其它一些独特的功能，如下：
（1）节形的调整功能，也就是竹节曲线形状的选择功能，实现了饱满竹节，解决了瘦纱现象。
（2开车补偿功能，可解决双速、变频细纱机启停时产生的细节现象。
4 工艺数据
4.1伺服电机到后罗拉的减速比
纺制竹节纱除正常的各项指标外，竹节指标主要有竹节长度、竹节距离、竹节粗细。影响这些指标的因素主要有：前罗拉转速、前罗拉直径、锭子转速、牵伸比、牵伸加压系统、纺制的品种等。上述参数的确定，就确定了所纺竹节纱指标
近十多年来，我国纺织机械行业的自动化水平有了明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了自动化技术。这项技术的内容包含了**的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统。**的驱动技术，有变频调速、交流伺服、步进电机等，检测传感技术和执行机构等。棉纺织设备较有代表性的机电一体化产品，例如新型的粗纱机，应用了自动化技术后机构简化，性能改善，质量提高，操作方便，提升了设备的档次和水平。采用触摸屏人机界面，操作简单方便。变频调速降低了设备的噪音和功率，减少了机械损耗，并且随着业内人士对纺织工艺的更深入了解，粗纱机的功能更加的完善，使国产粗纱机比进口粗纱机更加适合在国内应用。
近几年来，重定量高效工艺的广泛应用，使得纺纱新技术推向了更高的发展水平，本文阐述整合DVP系列 PLC和变频器等台达自动化产品的某型粗纱机控制系统，设备应用高效纺纱工艺技术，不仅提高了设备的生产效率，而且完善了控制系统技术配置方案，提高了粗纱机设备工作稳定性和高效性，同时改善了纱锭产品的质量，也体现了控制系统较高的性价比，值得同行推广应用。
2 工艺分析
某型粗纱机运用了高效工艺以及配置技术参数合理选择，进行了精细剖析并经过实验优化出恰当的工艺技术参数，合理配置粗纱定量、粗纱后区牵伸倍数、罗拉隔距、上罗拉定位、粗纱捻系数、钳口隔距等高效工艺参数是改善粗纱条和提高成纱质量的保证。
其技术特性如下：
适纺线密度（tex） 200—1250
适纺纤维长度（mm） 22—65
牵伸倍数（倍） 4.2—12
高机械锭速 （r.min-1） 1600
高工艺锭速 （r.min-1） 1200
捻度范围 （捻/m） 18—80
卷装尺寸（mm） ф150×400
锭距(mm) 220
牵伸形式 四罗拉双短皮圈
加压形式 TexParts PK—1500或YJ4-190×4
下罗拉直径（mm） ф28.5 ф28.5 ф28.5 ф28.5
皮辊直径（mm） ф28 ф28 ф25 ф28
3 控制系统
3.1 控制系统配置
技术方案配置详见表1所示：
表1 技术方案配置表
上述表格仅列举出控制系统主要元器件，此外还包括低压电器（低压断路器、电磁接触器、电磁继电器、储能直流电容器、按钮、指示灯等）、检测传感器（接近开关、行程开关等），此处均不予赘述。
3.2 控制系统原理及框图
控制系统上位机采用台达10.4寸65536色真彩触摸屏，人机界面通过COM1通讯口以RS232C方式和下位控制器PLC进行实时通讯，实现粗纱机设备运行参数信息显示，运转参数指令输入，设备报警信息显示等功能；下位控制器PLC执行用户逻辑梯形图程序，根据设备工艺技术条件，采集输入点数字量信号，程序处理执行后，刷新输出点状态，执行相应输出动作，通过PLC自身集成的COM2通讯口以RS485方式向台7.5KW的变频器发送频率命令，PLC高速脉冲输入接口同时接收7.5KW变频器拖动主电机轴端的编码器脉冲信号，采集高速脉冲信号PLC程序进行运算处理；7.5KW主电机轴端编码器脉冲输出信号同时驱动第二台2.2KW卷绕变频器，2.2KW卷绕变频器集成速度闭环PG卡，自身构成闭环速度控制系统，PG反馈卡接收7.5KW主电机编码器的脉冲输入作为频率指令来源，PG卡分频输出自身编码器高速脉冲信号给第三台1.5KW升降变频器；1.5KW升降变频器集成速度闭环PG卡，自身构成速度闭环控制系统，PG反馈卡接收2.2KW卷绕电机编码器的脉冲输入为频率指令来源。
值得一提的是，编码器信号输出类型选择为差分信号线驱动型（Line Driver），台达DVP32EH00M型号PLC可以直接接收线驱动差分形式的高速脉冲信号，PG速度闭环反馈卡也选择接收差分形式脉冲信号，采用线驱动差分形式的高速脉冲信号有效地克服了工业现场各类杂讯干扰导致高速脉冲信号丢失或者失真的现象。控制系统原理框图如图1所示：
图1 控制系统原理框图
3.4变频PLC技术的运用
该型高速悬锭式粗纱机采用了PLC作为主控器，三轴联动的变频传动技术，三电机联动传动分别由两条H型同步带传送，其独特的传动技术特性使该机经过变频调速实现不同的锭子速度和罗拉速度，完成牵伸和加捻工艺；控制龙筋升降速度以及主轴恒速与相关的分速度合成的卷绕速度使其完成了成形和卷绕任务。
3.5自由换向专利技术的运用
该型粗纱机取百家之长自主开拓了自由换向PLC控制程序，使升降变频电机的转向实现了纺纱过程的自由换向，百毫秒的换向时间达到了快速自由换向的技术要求。
3.6 D型牵伸的运用
该型粗纱机采用了四罗拉双短皮圈的D型牵伸型式，在三罗拉双短皮圈的牵伸型式的基础上，在前方增加一对集束罗拉：即在前罗拉和二罗拉之间形成了一个整理集束区，该区加装了集合器这样就使二、三罗拉之间成为主牵伸区，三、四罗拉之间成为后区副牵伸区，因此使牵伸和集束整理用途区分开来，即：牵伸不集束，集束不牵伸，从而在一定程度上减少了牵伸罗拉面积上的压力峰值，改善了罗拉牵伸的工作条件，集束整理区的设置和纤维浮游区的改动增强了纤维变速点的动摇性，与三罗拉双短皮圈牵伸型式相比拟大幅度地改善了粗纱条的质量。
3.7 设备意外断电停机处理
由于粗纱机使用现场电源可能会出现意外停电，如果设备没有后备电源，那么设备意外停机时，PLC、HMI和变频器瞬间掉电会使设备驱动电机以自由停车方式运行，此时控制系统无法记忆当前运行位置信息和运转参数信息，再次启动系统会出现参数混乱情况，所以粗纱机系统势必要加装电源储能装置，以备在电源意外断电情况下释放电能，保证PLC、HMI和变频器在设备正常停车之前电源稳定供应。考虑到经济成本，采用直流大电容作为储能元件要比选用大功率UPS节省成本，而且UPS的响应时间要比电容器长，综合考虑采用大容量直流电容器作为储能元器件，实践证明完全满足技术要求，电源停电后，通过大容量电容器释放电能供给PLC和变频器，PLC能够持续运行60S，变频器也能够持续运行50S，这些时间足够有效处理意外停电后设备正常停机工艺动作。需要注意的是，对于台达PLC直流供电，直流电源正极接到N端子，直流电源负极接到L端子；而对于三台变频器则要求共直流母线DC-BUS，也就是三台变频器直流母线并联在一起，统一连接在大容<