基于PLC控制的SAURER400織機(jī)送經(jīng)卷取伺服系統(tǒng)

　　摘要：本文以瑞士SAURER400型劍桿織機(jī)為研究對象，在此基礎(chǔ)上采用PLC、伺服電機(jī)和觸摸屏來控制織機(jī)的送經(jīng)卷取，設(shè)計(jì)了一套精度高、性能穩(wěn)定的電子控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此控制系統(tǒng)加強(qiáng)了織機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性，提高了織機(jī)的控制精度和織造效率，降低了織機(jī)停開車稀密路并減少了紗線斷頭，同時也使織機(jī)更加現(xiàn)代化。

        目前，國內(nèi)有很大一部分無梭織機(jī)為機(jī)械式送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)。事實(shí)表明，機(jī)械式送經(jīng)卷取使得織機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低、滯后嚴(yán)重，柔性差。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制器件的出現(xiàn)，劍桿織機(jī)電子送經(jīng)卷取將逐步取代機(jī)械式送經(jīng)卷取。目前，國內(nèi)電子送經(jīng)巻取系統(tǒng)一般采用工控機(jī)或單片機(jī)等作為主控制器。工控機(jī)功能強(qiáng)大，控制效果好，但其體積較大而且價(jià)格昂貴，也不適于集散控制系統(tǒng)。單片機(jī)等控制器的成本較低，生產(chǎn)制造容易，但是穩(wěn)定性、可靠性和抗*力較差，維護(hù)費(fèi)用較高。而國外的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般集成在整個織機(jī)控制器中，于織造特定布匹的織機(jī)上，柔性較差，而且對用戶來講成本也非常高。　
　
　　1、SAURER400工作原理
　　
　　經(jīng)緯紗線在織機(jī)上交織的整個過程，是通過5大運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，即開口運(yùn)動、引緯運(yùn)動、打緯運(yùn)動、送經(jīng)運(yùn)動、卷取運(yùn)動，每個運(yùn)動都要完成特定的功能。本文主要研究送經(jīng)卷取對經(jīng)紗張力的影響。劍桿織機(jī)送經(jīng)和卷取運(yùn)動要確保整個織造生產(chǎn)過程持續(xù)進(jìn)行。送經(jīng)、卷取系統(tǒng)根據(jù)緯密的高低從經(jīng)軸上送出相應(yīng)長度的經(jīng)紗，同時及時地將已經(jīng)織成的織物引離織口并卷成一定形式的卷裝。同時系統(tǒng)還要對經(jīng)紗張力進(jìn)行動態(tài)控制。張力是影響織物質(zhì)量的一個重要因素，張力過小，會造成開口不清，影響引緯；張力過大，經(jīng)紗容易疲勞，易造成斷裂。劍桿織機(jī)的5大運(yùn)動都會對張力產(chǎn)生影響，而送經(jīng)和卷取運(yùn)動是控制張力的重要環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)以上兩方面的功能，本文設(shè)計(jì)采用了交流伺服電機(jī)作為送經(jīng)卷取電機(jī)，并在后梁和調(diào)節(jié)彈簧之間安裝了壓力傳感器。根據(jù)緯密和壓力傳感器測量的平均值可以實(shí)時調(diào)節(jié)送經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動量；根據(jù)緯密可以計(jì)算送經(jīng)電機(jī)基本速度和卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速。在主軸上還安裝一個編碼器實(shí)現(xiàn)織機(jī)主運(yùn)動和送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)的同步。本設(shè)計(jì)所采用的編碼器精度為1000線，電子送經(jīng)卷取機(jī)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。　　　　
　　2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　
　　2.1可編程控制器的選取
　　
　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，考慮到機(jī)器的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用高穩(wěn)定性和抗*力強(qiáng)的控制器件PLC作為織機(jī)送經(jīng)卷取的核心控制器。目前，幾乎所有PLC均支持通過RS-232和RS-485等標(biāo)準(zhǔn)的串口通信接口進(jìn)行通信。本文選用羅克韋爾公司MicroLogix1500PLC作為核心控制器，它給用戶提供兩個RS-232通信接口，分別為8針非隔離型和9針隔離型可實(shí)現(xiàn)有協(xié)議通信和RS-232無協(xié)議通信。使用的通信模塊，可以通過以太網(wǎng)、DH-485、ControlAreaNet等網(wǎng)絡(luò)通信。由于PLC具有兩組通訊口，因此PLC與觸摸屏、伺服驅(qū)動器之間的通訊非常方便。
　　
　　2.2伺服電機(jī)及其驅(qū)動器的選取
　　
　　伺服電機(jī)是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。本文選用德國BOB公司生產(chǎn)的BD18型交流伺服電機(jī)，扭矩為4Nm，轉(zhuǎn)速為3000r/min，輸入電壓為3PH200~230V，頻率為50/60Hz，輸出電流為5.0A。
　　
　　驅(qū)動器采用BERGERLAHR公司生產(chǎn)的WDP3-SERVOTEX型伺服電機(jī)驅(qū)動器，此驅(qū)動器通過上位控制器PLC發(fā)送的脈沖序列來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置.。其工作原理簡單概括為：伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。
　　
　　2.3人機(jī)界面的選取
　　
　　人機(jī)界面將采用觸摸屏來完成整個控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、參數(shù)顯示以及系統(tǒng)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)選用HITECH公司PWS1711系列觸摸屏，此觸摸屏的通訊接口包括COM1（RS232、RS485）和COM2（RS232、RS422、RS485）。其中RS232口用于PC機(jī)通訊，RS422口用于PLC通訊。
　　
　　2.4系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖及電路圖
　　
　　本文設(shè)計(jì)的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)選用一臺觸摸屏、一臺PLC、兩臺伺服驅(qū)動器、兩臺伺服電機(jī)、兩臺減速器、一個編碼器、一個張力傳感器以及SAUR原ER400型劍桿織機(jī)一臺。具體的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。　　　　
　　本文所設(shè)計(jì)的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)電源輸入端為交流三相380V，首先要經(jīng)過變壓器，其輸出電壓為交流三相220V。變壓器輸出電源分為兩部分：一部分供給送經(jīng)驅(qū)動器和卷取驅(qū)動器，然后分別帶動送經(jīng)和卷取伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；另一部分經(jīng)過AC-DC開關(guān)電源輸出直流24V電壓，給控制系統(tǒng)供電。具體的控制系統(tǒng)硬件電路簡圖如圖3所示。　　　　
　　3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　3.1PLC編程
　　
　　PLCzui常用的編程語言是梯形圖和指令語句表語言，且兩者常常聯(lián)合使用.本文采用ABPLCMi原croLogix1500編程軟件進(jìn)行程序編制，編寫程序時要結(jié)合觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。其主程序流程圖如
　　
　　圖4所示。　　　　
　　3.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)
　　
　　觸摸屏的畫面在其支持軟件上制作，通過軟件工具庫的工具調(diào)用以及相關(guān)項(xiàng)的設(shè)定或通過宏定義可設(shè)計(jì)出所需畫面。這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC通過RS-422通信電纜連接可實(shí)現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，也可從觸摸屏上傳畫面到計(jì)算機(jī)對畫面進(jìn)行修改。
　　
　　為了使觸摸屏顯示控制所要的界面，本文采用了HITECH公司自己開發(fā)設(shè)計(jì)的ADP3.0圖形終端顯示屏幕專業(yè)軟件包進(jìn)行編程.它的窗口界面直觀形象，功能完善，可以方便地讀取和寫入PLC端口及其存儲器的數(shù)據(jù).人機(jī)對話界面是用戶設(shè)定工藝參數(shù)的關(guān)鍵，在系統(tǒng)中共有5組主菜單，分別為“首頁畫面”、“系統(tǒng)管理”、“參數(shù)設(shè)定”、“狀態(tài)顯示”、“幫助信息”.其中，“首頁畫面”顯示設(shè)備的名稱及型號等相關(guān)的信息；“系統(tǒng)管理”是出于工藝保密性和系統(tǒng)安全性而設(shè)置的口令體系，以防止非法操作；“參數(shù)設(shè)定”包括送經(jīng)和卷曲的速度、經(jīng)紗張力、關(guān)車方式選擇；“狀態(tài)顯示”是顯示機(jī)器運(yùn)行時各個伺服電機(jī)驅(qū)動器的頻率變化和故障報(bào)警信息；“幫助信息”是用于幫助用戶解決問題的，它包括觸摸屏維護(hù)、參數(shù)說明、操作注意事項(xiàng)等。選擇這組菜單，還可得到“報(bào)警信息”的解決方法。
　　
　　本文以首頁界面的設(shè)計(jì)為例，在PC上創(chuàng)建一個首頁畫面，利用工具庫中ScreenDrawing工具，制作出系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示、幫助信息、開車、停車界面，而且有相應(yīng)的觸摸按鈕，可用字符串對按鈕進(jìn)行標(biāo)注和說明。用戶按相應(yīng)的按鈕就可以切換到相應(yīng)的畫面，再作進(jìn)一步的操作.首頁界面設(shè)計(jì)如圖5所示。　　　　
　　3.3PLC與伺服驅(qū)動器通信方式的設(shè)置
　　
　　實(shí)現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動器的通信能夠?qū)崟r準(zhǔn)確獲取電機(jī)的狀態(tài)信息及在線修改伺服電機(jī)的參數(shù)設(shè)置，以便能更直接、簡便地控制伺服電機(jī)，同時為人機(jī)界面提供實(shí)時的電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)。為了保證PLC與交流伺服驅(qū)動器的正常通信，除了要了解通信協(xié)議外，還必須正確設(shè)定其通信方式，即采用統(tǒng)一的波特率、起始位、數(shù)振位、停止位和奇偶校驗(yàn)位，據(jù)此建立雙方通信的應(yīng)答信號。
　　
　　4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
　　
　　實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為：試樣采用平紋毛/滌織物，經(jīng)緯紗線密度均為58.3tex，經(jīng)緯向密度均為18根/cm，織機(jī)幅寬為176mm，主軸轉(zhuǎn)速為320r/min，溫度為28益，相對濕度為65%。本文采用的張力傳感器輸出電壓為0~10V（即0~10000mV），zui大量程為100kg，經(jīng)紗張力大小在顯示屏上以電壓值（mV）來表示。將電壓值轉(zhuǎn)換為經(jīng)紗張力值，張力傳感器輸出電壓的zui大值10000mV對應(yīng)傳感器的zui大量程100kg，再根據(jù)牛頓公式F=mg算得zui大經(jīng)紗張力為980N.因此，在顯示屏上設(shè)定的電壓值5500mV轉(zhuǎn)換為經(jīng)紗張力值大小是539N。采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。
　　　　
　　由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)緯密在14.9~21.0根/cm范圍之間變化時，經(jīng)紗張力下限的平均值為524.3N，經(jīng)紗張力上限的平均值為553.8N，再根據(jù)經(jīng)紗張力設(shè)定值539N可計(jì)算出經(jīng)紗張力的控制精度為依2.7%.當(dāng)緯密在12.0~24.0根/cm范圍之間變化時，經(jīng)紗張力下限的平均值為603.5N，經(jīng)紗張力上限的平均值為652.5N。很明顯，經(jīng)紗張力波動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所設(shè)定的張力值。因此可得出結(jié)論，當(dāng)緯密小于等于經(jīng)紗密度的1.2倍時，緯密的設(shè)定值與實(shí)際值非常接近，而且此條件下的張力控制精度很高（即張力波動范圍很小）；當(dāng)緯密大于經(jīng)紗密度的1.2倍時，緯密的設(shè)定值與實(shí)際值相差很大，而且此條件下的張力波動范圍也非常大。所以，只有保證織機(jī)的緯密小于等于經(jīng)紗密度的1.2倍，該織機(jī)才具有良好的制造效果，這樣既可以保證布匹的質(zhì)量，同時又能提高生產(chǎn)效率。
　　
　　5、結(jié)論
　　
　　（1）電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)采用兩套獨(dú)立的傳動源，減少了相互間的干擾，這使得經(jīng)紗張力檢測更加準(zhǔn)確、控制精度更高，而且電子送經(jīng)卷取的緯密設(shè)置非常方便。
　　
　　（2）采用PLC作為織機(jī)送經(jīng)卷取的核心控制器，使得織機(jī)的工作穩(wěn)定性和可靠性均有了很好的改善；人機(jī)界面采用觸摸屏，使得參數(shù)設(shè)定和在線修改參數(shù)更加方便，從而使控制系統(tǒng)更加人性化。
　　
　　（3）對伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整實(shí)質(zhì)上是對伺服控制系統(tǒng)中各個參數(shù)值的確定，由于各個參數(shù)之間的關(guān)系很復(fù)雜，需要不斷的試驗(yàn)，找到*的組合，才能充分發(fā)揮伺服電機(jī)的高性能，才能滿足更的送經(jīng)卷取要求。