6ES7517-3UP00-0AB0技术参数
转杯纺纱新技术作为新型纺纱技术已较为成熟，但传统的转杯纺控制技术采用单 片机通讯控制各单锭纺纱器完成动作，设备故障率高、通讯易受干扰。同时传统转杯纺设备 采用机械凸轮模式控制纱锭防叠，成本和故障率居高不下。本文应用台达完成的机电控制产品链，基于PLC和变频的转杯纺控制提供了一套可靠的转杯纺控制方案，运行稳定，，得到客户的认可。
关键词：转杯纺 PLC 电子凸轮 防叠纱 变频
1 引言
随着现代化科技的发展，纺织生产工艺的改进提高，转杯纺纱在纺织工艺过程中的应用越来越广泛。纺织企业对转杯纺纱机的可靠性和易操作性提出了更高的要求。传统的控制方式是采用开环控制，电机的运行频率通过变频器面板手工设置，这种方式存在控制精度差，人机交互性差等一系列问题，这就需要开发出更合理的控制系统来提高机器的运行精度和改善人机交互性。PLC可编程控制器可靠性高、抗干扰能力强、使用方便等优点，所以越来越被广泛的应用于对转杯纺纱机的现场控制系统。
台达目前可为客户提供PLC控制器、人机界面、变频驱动器、伺服驱动器、数控系统等系列自动化产品，可以向客户提供完善可靠的机电一体化解决方案。本文以台达DVP系列PLC为核心改进设计了一套控制系统，实现纺纱控制性能的提高。
2转杯纺纱工艺分析
转杯纺纱以前也称气流纺纱，属于自由端纺纱方法。它是目前各种新型纺纱中较为成熟、并己大量推广应用的一种纺纱新技术。
自由端纺纱方法与传统的纺纱方法不同之处在于：在纺纱过程中输送的纤维不再是连续 的而是形成“断裂”。因此，这就需要供应的纤维在很高的速度下产生非常细的纤维流，并 在输送纤维的过程中形成“断裂”，纤维各自穿过“断裂”而凝聚，粘附于纱条的自由端纱 尾加捻成纱。成纱过程一般包括喂给、开松、凝聚、加捻和卷绕。
图1 转杯纺整机
图2 单锭转杯纺纺纱过程
图1和图2分别为转杯纺整机实物图和单锭转杯纺纺纱过程示意图
转杯纺纱机的电气控制系统主要包括四个方面的控制：
A. 单锭的控制，需要实现断纱检测和标示报警；
B. 为保证起动和停机时不断纱，纺杯速度、引纱电机与喂棉电机之间的动作必须协调同步，同时要求较高的速度精度和动态响应；
C. 保证单锭控制与主控的数据通讯可靠便捷；
D. 省去机械凸轮机构，实现纺纱过程中防叠和防硬边的电子化；（选配）
3 转杯纺控制系统构架
转杯纺设备中，单锭纺纱器中喂棉罗拉采用步进电机驱动；分梳棍和转杯采用变频驱动，龙带将动力分配各锭；引纱罗拉同样采用变频控制，利于引纱张力的同步控制；单节点控制中，采用台达 DVP12SC 型 PLC，单台PLC发送4路脉冲，可独立控制4锭纺纱器的4台喂棉步进电机；整体构架如图3所示：
图 3 基于台达产品的转杯纺系统控制构架
在整个系统构架图中,导纱杆的控制分机械凸轮或电子伺服控制，需根据客户设备而定。机械凸轮在实际使用中具有易磨损、调整不便，设备成本高等缺点；利用现代伺服控制技术取代机械凸轮实现导纱的防叠和防硬边成为其发展趋势。
本构架基于Devicenet总线控制模式，具有抗干扰能力强、通讯数据量大、响应性好等特点；同时我们也提供基于R485 通讯控制模式的转杯纺织控制方案
4、电子防叠纱功能的实现
根据客户的设备小巧紧凑的特点，我们给客户配置了以下产品
4.1 电子防叠的控制原理
要实现凸轮运动的**控制，就需建立机械凸轮运动数学曲线，通过对防叠绕运动分析， 防纱线叠绕实际就是改变每层纱线的导纱角不一致，一般认为在10层以上就不会再发生叠 绕，通俗的讲层的导纱角和第十一层导纱角相同也不会发生叠绕。导纱角的计算方法如 下图 4 所示。
图 4 导纱角示意
导纱角计算公式如下：
tg(α/2)=h/πD ①
式中：h——纱卷卷绕一周导纱器行程（mm）
D ——纱卷直径（mm）
h=V×t×1000 ②
式中：V——导纱速度（m/min）
t ——纱卷卷绕一周所需时间（min）
t= πD/（1000×V1） ③
式中：V1——引纱速度（m/min） 将②、③式代入①式得：
tg(α/2)=V/V1 ④
从式④中可看出，要改变导纱角只需改变引纱速度或导纱速度，纺纱品种确定后引纱速度是恒定不变的，因此要改变导纱角就必须变化导纱速度。为简化控制程序，设定在每一个 往返动程（为一个小周期）内导纱速度不变，相邻的5个小周期导纱速度不相同，导纱速度 在标准导纱速度的±10%变化，连续5个小周期构成一个大周期，大周期进行循环，就可以达到防叠绕功能（见图6）。
防硬边功能的实现，机械凸轮是依靠导程整体轴向移动来改变纱线换向点的位置，以此 来消除硬边的形成；电子凸轮实现方案为：改变小周期内动程的距离从而改变换向点的位置， 达到消除硬边的目的（见图5）。
5 导纱杆运动曲线图
4.2 电子防叠纱功能的实现
机械上需取消原复杂的传动结构，增加伺服电机安装位置，通过同步带轮，直接驱动导 纱杆来回运动。如图6所示。
图 6 导纱伺服电机的传动
需要考虑的是，导杆往复运动中，对机械的冲击较大，在伺服选型时，在满足功率和 转速情况下，尽量选用低惯量伺服电机。
在系统控制上，伺服在位置模式下接受主机PLC脉冲，在带加减速的脉冲输出控制指令PLSR下，改变一个周期来回行程的高脉冲频率设定值，即可实现，间隔周期行程内的摆杆速度不同，即改变tg(α/2)=V/V1导纱速度 V,在引纱速度V1不变的情况下，导纱角α即改变，从而达到防叠纱功能。
4.3 电子防硬边功能的实现
在人机中设定纱锭行程 L=AB 距离，如图 7
图7 差绕长度和往复行程的示意
在实际卷绕中，若一直按照AB往复运动，纱线会在两边形成凸起的现象（俗称电阻效应），不利于纱线在下一工艺中退绕。为防止纱锭的电阻效应，需要摆杆换向点每层不同。换向区宽度设计时，筒纱上如换向区过宽，不仅容易形成硬边，而且易造成端面挂纱，导致坏筒纱。换向区一般占导程的8%，在换向区内导纱速度从正常速度降至零，假设换向区内按匀减速运动，那么在换向区内同样导纱距离，所用时间是正常的两倍。当导纱速度为250m/min 、导纱角 36°、导纱动程 150mm 时，换向时间 t 计算如下：
导纱速度：V= V1×tg(α/2)=250 ×tg18°=81 m/min；
换向区长度：n=150×8%×2=24mm ；
换向时间：t=2×n/V=2 ×24/1.35=35.6ms
实际摆杆运动过程实际是：行程为 A 点至D 点，D 点至C点，C点至B点，再由B点至A点依序循环。这就是说，摆杆伺服每个周期的脉冲总数是不同的，五个周期性循环一次，每个周期摆杆行程变化 l= n×20%=150×8%×20%×2=4.8mm。
图8 电子防叠功能的转杯纺导杆伺服安装结构
5、转杯纺动作过程
1、点动运行状态——人机界面提供各个电机的点动运行、停止功能并显示各电机状态。
2、整机运行状态——PLC 按要求依次启动或停止各电机并在人机界面显示主机状态，其中输送带电机为单独动作。启动或停止的各个步骤之间均有延时时间，延时时间要求可以在一定范围内自由设定。
1）、整机启动——PLC 按要求依次启动各个电机，使设备进入纺纱状态。动作顺序如下： 点击整机启动按钮→左转杯电机运转→右转杯电机运转→工艺风机运转→左分梳电机运转→ 右分梳电机运转→引纱电机运转→排杂输送带电机运转；
2）、整机停止——PLC 按要求依次停止各个电机。动作顺序如下：点击整机停止按钮→所有步进电机停止运转→引纱电机停止→其他电机停止。
本文主要介绍了台达自动化产品在环锭细纱机上的应用，该机控制系统采用了台达DVP32ES00R2作为控制器，同时采用台达DOP-B05S100人机界面进行系统I/0与纺纱工艺数据的监控，并采用台达VFD-B-P系列纺机专用变频器控制主传动电机。以上解决方案不仅提高了细纱机的控制精度，而且大大降低了操作者的劳动强度；同时锭子曲线控制也提高了纱线的质量，保证了纱锭成型，提高了全机的产量。
关键词：环锭细纱机 PLC 纺机控制系统 纺机专用变频器
1 引言
细纱工序是成纱的后一道工序，是将粗纱进一步牵伸30～50倍并加捻，纺成具有一定特数、符合相关质量标准的细纱，供捻线、机织或针织使用。细纱机有低速运行、高速运行、吹吸风、落纱等过程。落纱分为自动落纱和中途落纱（暂停工作），自动落纱又分定长落纱和定时落纱。自动落纱的方式、落纱时间及长度均可设置，并能掉电保持。纺织厂生产规模的大小是以细纱机总锭数表示的；细纱产量是决定各工序数量的依据；细纱的质量水平、原料物料耗电量等指标、劳动生产率等是技术和管理水平的体现，因此，细纱工序在纺织厂中占有重要的地位。由于传统的电气控制设备存在精度低、安全性差及故障率高等缺点已经逐渐为现代化自动控制设备所代替。现今细纱机设备的自动化控制程度愈来愈高，根据设备不同会应用到不同种类的工业自动化产品，如：人机界面、PLC、变频器、伺服系统、编码器、温控仪表等各类产品。客户往往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。
台达机电至今已经能为客户提供PLC控制器、温度控制器、计数器、人机界面、变频驱动器、伺服驱动器、数控系统等一系列产品，可以向客户提供完善可靠的机电一体化解决方案。本文基于台达自动化产品实现环锭细纱机的有效控制，值得业界借鉴并推广。
2控制系统
2.1 系统结构框图
系统结构框图如图1所示：
图1 系统结构框图
本控制系统采用了台达DVP32ES00R2作为控制器，同时采用台达DOP-B05S100人机界面进行系统I/0与纺纱工艺数据的监控，并采用台达VFD-B-P系列纺机专用变频器控制主传动电机。
2.2 系统功能概述
系统功能概述如下：
（1） 用PLC控制整个纺纱过程，具有程序开车、钢领板自动升降、中途停车后自动跟踪开车、自动落纱、自动留头等。
（2）设定纺纱的工艺参数，依据工艺要求自动控制；实现定长落纱和锭子速度曲线控制。
（3）显示纺纱过程的锭速、牵引倍数、细纱号数、捻度以及班产累计等。
（4）采用数字通信，提高了系统的抗干扰性。
2.3 各部分控制特点
（1）传动部分：包括主电机、吸风电机、钢领板升降电机、油泵电机及润滑装置、主变频器、升降变频器、清洁器装置、各种低压开关及接触器等。
（2）三自动检测部分：该部分由三自动行程开关、停主电机接近开关、下钢领板接近开关、刹车片构成。其作用为落纱信号给出后能自动适应停车，自动留头，为重新开车降低断头创造条件。
（3）变频器锭子速度控制：该部分由变频器、锭子传动部分、主电机构成，其作用是变频器依据程控器传输的锭子速度控制十点曲线自动调整锭子运行，提高纱线质量和产量。
（4）数据检测部分：该部分由主轴、前罗拉测速光电管组成。功能为自动检测纺纱过程中主轴、前罗拉的运行数据，为计算班产量、锭速、前罗拉转速、前罗拉线速、捻度等工艺参数以及锭子速度曲线控制提供数据。
（5）PLC控制部分：该部分由PLC主单元及IO扩展模块构成，完成全机开关量输入、数据检测以及计算和过程控制，实现纺纱过程自动化和对机器运行情况进行监控。
（6）显示单元部分：HMI与PLC之间以通讯线实现连接，完成纺纱过程工艺参数显示设定，可直接设定锭子运行十点曲线，实现控制柔性化，同时对细纱机运行过程中出现的故障，以对话框的方式进行实时反馈。
（7）通讯部分：由PLC的Port1通讯接口通过RS232C方式与HMI实现参数设定及显示，由PLC的Port2通讯接口通过RS485的方式控制变频器的频率值，从而实现控制锭子运行速度曲线，整机的可靠性、稳定性得到极大的提高。
3上位机软件设计
上位机控制软件分为：参数设定显示程序、控制主程序、计算采样子程序、通讯子程序和锭子运行曲线子程序。
（1）控制主程序：
软件主控制程序部分，依据工艺要求编制的程序，上电后自动检测各开关量和传感器输入的数据，完成整个纺纱过程自动控制和调用子程序。
（2）参数设定显示程序：
主要依据DOP-B05S100配置完成参数设定显示，包括班次设定、错误设置提示，总产量、班产量累计显示、锭子速度、前罗拉速度、牵引倍数、捻度、产量、细纱号数等参数显示。如图2所示：
图2 参数设定显示界面
（3）计算采样子程序：
主要依据主轴、前罗拉、后罗拉数据检测传感器采样结果以及设计参数完成系统计算，用以完成各类显示参数的计算及定长落纱等功能。如图3所示。
图3 计算采样显示界面
（4）通讯部分程序及锭子运行曲线子程序：
主要采用MODBUS ASCII通讯协议完成与变频器的数据传输，进而控制锭子运行速度曲线。PLC程序如图4所示，锭速曲线图如图5所示。
图4 PLC程序梯形图
图5 锭速曲线图
4 结语
本系统采用了台达控制系统解决方案，全机控制采取数字通讯方式，控制精度高，可靠性和抗干扰性能大大提高，并利用“提高软件设计水平来降低硬件投入”原则，不仅降低了系统成本，而且提高了产品的市场竞争能力。运行实践表明，系统比原来旧系统在安全性、可靠性和控制精度上都有了较大的提升，值得业界同行借鉴和推广