劉 楓，楊超君，孫 君

（1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 南通農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226017；3. 東麗酒伊織染(南通)有限公司，南通 226017)

0 引言

軋光機(jī)是染整設(shè)備中后整理設(shè)備的一種，軋光就是通過軋光機(jī)的機(jī)械壓力、熱濕的作用借助于纖維的可塑性使表面纖維呈現(xiàn)平行排列，以提高表面光滑平整度，從而對光產(chǎn)生規(guī)則反射達(dá)到提高織物色澤的目的[1]。卷取機(jī)構(gòu)是軋光機(jī)的重要組成部分，它將軋光后的布料平整地卷在卷取輥上。對于超薄面料超薄這一特殊性，卷取過程中若布料張力控制不當(dāng)，將特別容易出現(xiàn)起皺。若卷布外圈張力大于或等于內(nèi)圈張力時，布會因具有彈性而向內(nèi)圈收縮，這樣將導(dǎo)致內(nèi)圈出現(xiàn)云狀斑現(xiàn)象。綜上所述，需要對布料的張力進(jìn)行控制，控制時需考慮隨著布匹卷徑的增加布料所需的張力應(yīng)是逐漸減小這一特性。本文研究設(shè)計了超薄面料軋光機(jī)的卷取機(jī)構(gòu)，從張力控制要求出發(fā)，采用PLC、伺服電機(jī)等實現(xiàn)布料卷取時所需張力的控制。

1 減張力控制的理論模型

圖1 卷取機(jī)構(gòu)示意圖

圖1是典型的卷取機(jī)構(gòu)示意圖，箭頭所指方向是卷材的運(yùn)動方向，布料從軋光機(jī)構(gòu)出來，經(jīng)牽引輥、錯邊輥、導(dǎo)布輥到卷取輥。由于布邊存在較厚的毛邊，錯邊輥將布料稍微錯開，從而防止卷取輥直徑在逐漸變大的過程中產(chǎn)生厚邊，出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。卷取輥的轉(zhuǎn)動由伺服電機(jī)帶動。

傳統(tǒng)布料張力控制方法有兩種，即直接法和間接法。直接法是在傳動的卷材輥道上安裝張力傳感器，采用張力傳感器來測量卷材的實際張力值，再通過張力調(diào)節(jié)器控制張力恒定，達(dá)到控制布面張力的要求[2]?？捎捎谄ゲ贾g有縫頭，每到縫頭時軋輥都要開合動作，將造成布面張力猛然變化，當(dāng)反饋量猛然變化將造成PID控制波動，從而導(dǎo)致布面張力波動。另外一種間接法是通過檢測卷取輥的半徑R，根據(jù)力矩公式力矩等于力乘以力臂計算出所需轉(zhuǎn)矩T=FR，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩，再由F=T/R，達(dá)到控制布面張力的要求。這種方法沒有檢測裝置反饋，都是依據(jù)理論計算得出，這樣與實際布面張力有偏差。綜合以上兩種方法提出了轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償間接控制法。

設(shè)卷取輥的瞬時半徑為R(t)，理論輸出轉(zhuǎn)矩為T＇，反饋轉(zhuǎn)矩為△T，超薄化纖面料的理論卷取張力為F＇，張力偏差值為△F，張力傳感器瞬時檢測出的布面的實際張力值為F(t)，則關(guān)系式如下

式（3）中的F＇它隨著卷徑增大應(yīng)逐漸地減小，才能避免云狀斑的發(fā)生。根據(jù)實驗得出F＇的遞減規(guī)律近似為余弦函數(shù)，而且與卷取輥的半徑值R(t)有關(guān)如表1，設(shè)程序中預(yù)設(shè)的初始張力值為F0，卷取輥初始半徑為R0，布匹厚度為k，則

表1 cosα的取值

卷繞半徑R(t)是不超過0.9米的一個值，因為當(dāng)卷取輥半徑在將要達(dá)到0.9米時將重新?lián)Q一根新的卷取輥。

從上式（7）中可以看出卷繞半徑R(t)由布料的卷繞層數(shù)決定，因而采用高速計數(shù)模塊與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，記錄編碼器信號。設(shè)高速計數(shù)模塊在t時刻的瞬時計數(shù)值為C(t)，編碼器的分辨率為1024Puls/ r,關(guān)系式如下:

值得注意是公式（2）中轉(zhuǎn)矩 T值是在程序中通過F＇的值與F(t)值比較后延時△t時間進(jìn)行補(bǔ)償疊加的；公式（4）中的△F在后面的程序設(shè)計中需要通過比較剔除最大值MAX F與最小值MIN F。

2 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖2是根據(jù)以上理論分析得出的控制系統(tǒng)框圖。本卷取系統(tǒng)選用西門子公司S-200系列PLC作為控制器，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的信號采集、邏輯運(yùn)算、通訊控制、控制信號輸出等功能。

張力傳感器檢測布面張力信號，張力變送器將張力傳感器的張力信號線性地轉(zhuǎn)換成0-10V信號輸給PLC。

選用三菱MR-J2S伺服放大器與伺服電機(jī)HCKFS組成的執(zhí)行單元。MR-J2S伺服放大器自帶有1024分辨率的編碼器。編碼器向伺服放大器反饋A、B、Z相信號，用于伺服的轉(zhuǎn)矩控制，同時伺服放大器將A、B、Z相編碼器信號分頻輸出給PLC，PLC通過高速計數(shù)器對編碼器的高頻信號計數(shù)。

伺服放大器、變頻器、S7-200之間通過Modbus協(xié)議進(jìn)行串行通訊連接。以S7-200作為主站，變頻器與伺服放大器作為子站。這樣相對于模擬量的硬接線，減少了布線，同時也增加了彼此之間的數(shù)據(jù)交換量，讓系統(tǒng)功能更強(qiáng)大。

選用威綸的MT6100i觸摸屏作為人機(jī)界面，觸摸屏與PLC進(jìn)行串行通訊連接，所有的參數(shù)都在觸摸屏中設(shè)定，運(yùn)行數(shù)據(jù)都在觸摸屏顯示，這樣整個設(shè)備的操作方便，使設(shè)備的性能上了一個臺階。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

布料卷取功能的最終實現(xiàn)是通過軟硬件結(jié)合共同完成的。硬件是系統(tǒng)的軀殼，軟件是系統(tǒng)的靈魂。Step7 MicroWIN是S7-200編成軟件，它可將任務(wù)分解為若干個子程序，子程序又分解成更小的子程序，子程序通過編程指令完成各自的任務(wù)，OB為主程序。PLC通過不間斷掃描執(zhí)行主程序OB，OB中調(diào)用各子程序，形成了模塊化的編程方式，各子程序之間既有一定的相對獨(dú)立性，也存在一定的關(guān)聯(lián)性，它們彼此之間需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]。

圖3 卷取張力控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)

3.1 程序模塊

卷取張力控制系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。主程序OB由高數(shù)計數(shù)器初始化子程序、計數(shù)器中斷子程序、卷徑計算子程序、卷取轉(zhuǎn)矩計算子程序、Modbus通信子程序、聯(lián)動子程序及初始化庫指令、讀寫庫指令組成。

3.2 高速計數(shù)器配置程序與中斷程序設(shè)計

圖4 卷取轉(zhuǎn)矩計算流程圖

PLC的高速計數(shù)器是硬件計數(shù)，因此PLC掃描周期對高速計數(shù)器不產(chǎn)生影響，計數(shù)頻率可達(dá)100KHz。Step7 MicroWIN 配有高速計數(shù)器配置向?qū)?，通過向?qū)к浖煞奖愕嘏渲酶咚儆嫈?shù)器配置程序與中斷程序。高速計數(shù)器配置的程序有：1）計數(shù)器為HSC0；2）增，減計數(shù)模式6；3）當(dāng)前值等于設(shè)定值時調(diào)用計數(shù)器中斷子程序；4）清除當(dāng)前值[3]。

3.3 卷取轉(zhuǎn)矩計算程序設(shè)計

圖4為卷取轉(zhuǎn)矩計算流程圖，當(dāng)按下啟動按鈕時，程序先判別卷取輥有沒有更換，如果更換了，將清除高速計數(shù)器中的數(shù)值，當(dāng)卷布輥轉(zhuǎn)動時，高速計數(shù)器開始計數(shù)，并通過卷徑計算子程序開始計算卷徑，計算過程中當(dāng)程序判斷卷徑大于等于90時，將換卷。高速計數(shù)器開始計數(shù)的同時啟動定時器T33，產(chǎn)生兩分鐘的定時，當(dāng)T33時間到時，PLC檢測一下張力變送器的值，通過程序與理論值進(jìn)行比較，并篩除劍鋒值，再與卷徑計算得出轉(zhuǎn)矩偏差值，將轉(zhuǎn)矩偏差值與輸出轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行疊加，最終得到了輸出轉(zhuǎn)矩修正值，將轉(zhuǎn)矩值通過串行通訊傳送給伺服放大器，這樣通過PLC程序不斷的計算、檢測，控制伺服放大器輸出轉(zhuǎn)矩，使得布面的張力與實際所需張力接近。

3.4 Modbus通訊程序設(shè)計

PLC通過RS-485與伺服放大器進(jìn)行Modbus通信，Step7 MicroWIN庫中MBUS_CTRL指令，對PORT1通行參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，庫MBUS_MSG指令對子站的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀與寫。圖5是Modbus庫串行通信指令。

用于S7-200端口1的MBUS_CTRL指令可初始化、監(jiān)視或禁用Modbus通訊。MBUS_MSG指令用于啟動對Modbus從站的請求并處理應(yīng)答。當(dāng)EN輸入和"首次"輸入打開時，BUS_MSG指令啟動對Modbus從站的請求。發(fā)送請求、等待應(yīng)答、并處理應(yīng)答通常需要多次掃描。EN輸入必須打開以啟用請求的發(fā)送，并應(yīng)該保持打開直到"完成"位被置位[4]。

圖5 Modbus庫串行通信指令

4 結(jié)束語

本文從軋光機(jī)的卷取結(jié)構(gòu)的組成出發(fā)，從硬件與軟件兩方面對超薄面料用軋光機(jī)的可控減張力控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，運(yùn)用PLC定時向張力變送器采集張力信號F（t），通過與設(shè)定張力值進(jìn)行比較，得到張力偏差值，比較后消去劍鋒值，再將偏差值按照一定周期疊加給伺服放大器，從而調(diào)節(jié)布面張力與所需張力一致，達(dá)到減張力的精確控制。圖6是制作的樣機(jī)，樣機(jī)運(yùn)行結(jié)果表明，布料卷取過程平穩(wěn)，無卷皺、無云狀斑現(xiàn)象。

圖6 軋光機(jī)樣機(jī)

[1] 滑鈞凱.服裝整理學(xué)[M].北京:中國紡織出版社.2005.

[2] 劉東升,王守芳. 基于PLC與變頻器的恒張力卷繞控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化.2011.

[3] 張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實例（西門子S7-200系列）[M].北京:中國電力出版社.2005.

[4] 向曉汗.西門子PLC S7200/300/400/1200應(yīng)用案例精講[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2011.