青島環(huán)海時代科技有限公司 韓金恒/文

1 項目簡介

紡織行業(yè)自古以來一直是人類社會不可或缺的一個行業(yè)，我國也不例外，作為紡織行業(yè)的一個重要組成部分，毛紡業(yè)也一直隨著社會的發(fā)展而發(fā)展，毛紡機械設(shè)備也一直在隨之改變，解放前我國絕大部分的自動化紡織設(shè)備都是靠進(jìn)口，建國后尤其是改革開放之后，國產(chǎn)紡織機械得到長足的發(fā)展，但距國外設(shè)備還有一定的差距。

臨沂成盛精機設(shè)備有限公司作為國產(chǎn)毛紡機械設(shè)備的制造商，其毛紡走架機設(shè)備在市場占有率超過50%，一直緊跟國際毛紡設(shè)備發(fā)展趨勢。毛紡分毛粗紡和毛精紡，毛粗紡流程大體分為合毛、梳毛、紡錠、落紗、合股等，是將毛紡原料紡成標(biāo)準(zhǔn)紗線的過程、走架機為毛粗紡流水線的一個重要組成部分，負(fù)責(zé)紡錠的過程，是整個流程中重要的一環(huán)，設(shè)備的電氣控制部分是其精華所在，是生產(chǎn)效率和成紗質(zhì)量的保證，由青島環(huán)海時代科技有限公司設(shè)計調(diào)試開發(fā)及技術(shù)轉(zhuǎn)化。電氣控制中所用西門子產(chǎn)品為simotionD425-2DP、多軸S120伺服系統(tǒng)、sinamics DCM、ET200S及MP277人機界面。設(shè)備總圖如下圖所示。

2 設(shè)備工藝介紹

走架機是將梳毛機生產(chǎn)的低強度、低伸長特性的紗線先通過出車加捻擰成一定強度及伸長特性的紗線，然后再回車把紗線纏繞到紗管上并最終紡成紗錠的設(shè)備。紗線也有各種類型，從高支紗到低支紗，大體為8～50，8支紗的意思是8米紗線重量為1克，依次類推，越高支紗越細(xì)越輕，強度越低。

設(shè)備中用到五臺伺服電機及一臺直流電機。

五臺伺服電機分別為：1為車架電機，用于驅(qū)動幾十米長的車架在3米或4米長的軌道上來回往復(fù)運動；2為退卷電機，用于驅(qū)動退卷滾筒軸旋轉(zhuǎn)，將紗線從毛圈上送出，與車架有同步要求；3為羅拉電機，用于驅(qū)動羅拉軸旋轉(zhuǎn)，與退卷電機協(xié)同動作并保證加捻均勻，與車架同樣有同步要求；4為張力電機，用于在車架回車過程中給紗線提供張力來保證紗線紡到紗錠上時具有一定的張力；5為導(dǎo)紗電機，通過跟隨車架電機走Cam曲線并根據(jù)不同的工藝參數(shù)來實現(xiàn)最終不一樣的紗錠形狀。

直流電機則用來驅(qū)動錠子帶動紗錠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)加捻及回車時將紗線卷繞到紗錠的功能。

車架從出車到回車到位為一個運行周期，出車過程中通過羅拉及退卷將紗線從毛圈中退出，加捻完畢后，導(dǎo)紗軸及張力軸到達(dá)指定位置，然后回車，回車過程中，導(dǎo)紗跟隨張力Cam曲線同步，同時直流驅(qū)動紗錠旋轉(zhuǎn)將紗線卷繞在紗錠上，回車到位時，導(dǎo)紗及張力軸回到初始位置。每個周期運行基本類似，不過如果要實現(xiàn)紗錠的形狀，分為打小紗階段和打大紗階段，打小紗階段，即從最初紗管上沒有線到紗錠直徑達(dá)到設(shè)定值；打大紗階段，即直徑達(dá)到設(shè)定值之后再往上讓紗錠中間成為圓柱的形狀。紗錠形狀及車架動畫如圖2 HMI畫面所示。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)備采用simotionD425-2DP伺服運動控制器，驅(qū)動選用S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)，直流驅(qū)動選用Sinamics DCM，分布式I/O選用ET200S，人機界面選用MP277的10英寸觸屏。

Simotion運動控制器是一款高端的通用型伺服運動控制器，在很多行業(yè)中都有應(yīng)用，其控制性能優(yōu)越強大、同步效果好，與S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)完美結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能強大。

S120伺服驅(qū)動系統(tǒng)是西門子廣泛應(yīng)用的一款伺服系統(tǒng)，其控制精度高、性能穩(wěn)定。本項目采用的多軸S120伺服系統(tǒng)包括36KW的SLM，30A、雙18A及雙9A的電機模塊各一臺，伺服電機采用1FK7系列西門子伺服電機。

Sinamics DCM相較之前的直流驅(qū)動6RA70系列，其端子接口及通訊接口配置更加合理，性能穩(wěn)定，面板及軟件調(diào)試應(yīng)用更方便。本項目中simotion通過DP網(wǎng)絡(luò)與DCM本體自帶的DP通訊口通訊。直流驅(qū)動采用四象限應(yīng)用210A的Sinamics DCM設(shè)備。

ET200S是一款經(jīng)濟(jì)、靈活的小型分布式I/O設(shè)備，其占柜空間更小，用戶可選更靈活。本項目中ET200S選用帶DP網(wǎng)絡(luò)接口的接口模塊，外括了一些數(shù)字量I/O。

本項目的人機界面選用MP277多功能觸屏面板。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)如圖3、圖4所示。

4 控制系統(tǒng)功能

4.1 同步功能實現(xiàn)

本項目中軸之間同步功能分為羅拉軸和退卷軸跟隨車架的Gear同步及導(dǎo)紗軸跟隨車架軸的Cam同步。

羅拉及退卷軸在自動運行的出車過程中跟隨車架做速度Gear同步，工藝要求為出車過程中羅拉及退卷的速度是要根據(jù)車架的位置不同而有所變化的，同步方式為速度同步。

導(dǎo)紗軸與車架軸的Cam曲線是控制的一個核心部分，關(guān)系到紗錠的成形形狀及后續(xù)工序的質(zhì)量，工藝要求導(dǎo)紗軸先由上往下打一段束縛層，然后導(dǎo)紗的速度隨著車架的回車而向上并且速度越來越快，根據(jù)客戶工藝要求將Cam曲線分為兩段多項式，如圖5所示。

曲線設(shè)置會直接關(guān)系到紗錠成型的質(zhì)量，進(jìn)而會影響到后續(xù)落紗的效率。本項目中將Cam計算做成一個功能塊，調(diào)用程序如下：

,FB_b_calcamOK =＞ g_b_calcamOK);

整個曲線分為兩段，第一段為直線，第二段為曲線，多項式的系數(shù)用結(jié)構(gòu)中的A來賦值，結(jié)構(gòu)中A定義為長實型的數(shù)組，其中第一段多項式參數(shù)在程序中定義為g_stru_r_Segment1.A[1]:=1.0，第二段Cam曲線的多項式系數(shù)FB_calcam2_poly := g_stru_r_Segment2.A，其低次系數(shù)在程序中固定地定義為：

高次的系數(shù)g_stru_r_Segment2.A[4]是根據(jù)設(shè)定值并在程序中根據(jù)要求計算得出的。

設(shè)備自動運行時，每個周期運行之后從軸的偏移值g_lr_r_daosha_cam_offset都是增大的，而主軸的偏移值g_lr_r_chejia_huitui_postemp也會經(jīng)常變化，所以每次的曲線都需要重新計算。關(guān)于此種類型的Cam曲線，沒有標(biāo)準(zhǔn)功能塊應(yīng)用及相關(guān)資料，是經(jīng)過長時間調(diào)試試驗出來的結(jié)果。

4.2 紗線加捻及回車卷繞控制

走架機的另一個控制核心部分是通過對直流電機的控制來實現(xiàn)捻度的精確性及回車時紗線的張力大小，進(jìn)而也會影響到紗錠的成型質(zhì)量。

捻度是一個計量單位，一捻度為紗線頭和尾相差360度，也就是擰一圈，捻度與紗線強度有直接的關(guān)系，設(shè)定捻度與實際捻度精確與否是紗線質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備中采用外部編碼器來計捻，將外部編碼器接到SMC30模塊上，然后在項目中使用外部編碼器工藝對象來實現(xiàn)計捻功能?？蛻暨x用的編碼器精度有限，不過尚能滿足要求。其配置如圖6所示。

回車卷繞過程通過控制直流電機速度使紗錠卷線的速度與車架回車速度相匹配，才能實現(xiàn)工藝要求，紗錠的形狀是預(yù)先在HMI上設(shè)好的，包括紗錠上錐體高度、下錐體高度、紗錠總長度及一些工藝參數(shù)，如圖7所示。每個周期的回車過程中，需要根據(jù)車架每個位置對應(yīng)紗錠的直徑大小來算出直流電機需要的速度，這就要求直徑的計算要精確及直流電機的響應(yīng)性要好。計算程序比較繁雜，在此省略。直流電機的調(diào)速性能取決于Sinamics DCM的調(diào)試，Sinamics DCM同樣在Scout軟件中調(diào)試，通過配置、優(yōu)化等操作來實現(xiàn)調(diào)試，其軟件調(diào)試方式同S120驅(qū)動一脈相承。如圖8所示。

4.3 將Cam曲線的參數(shù)設(shè)置及圖形顯示在HMI上

客戶要求將Cam曲線的設(shè)置參數(shù)及圖形都顯示在HMI上，經(jīng)過查找資料，在程序中應(yīng)用西門子標(biāo)準(zhǔn)功能塊HMICam，如圖9所示。

4.4 項目重難點調(diào)試過程

項目調(diào)試過程中的難點個人認(rèn)為為兩點，一是Cam曲線多項式參數(shù)設(shè)置，二是回車卷繞過程直流電機速度的計算與控制。

Cam曲線計算在程序中采用多項式模式，如果曲線參數(shù)不合適，會影響到紗錠上錐體成型質(zhì)量，因為沒有標(biāo)準(zhǔn)塊，如何調(diào)整參數(shù)也沒有資料可以參考，所以需經(jīng)過多次調(diào)試才找到合適的多項式系數(shù)。

回車卷繞過程直流電機設(shè)定速度計算是另一難點，設(shè)備的工藝要求首先計算設(shè)定速度要精確，然后才能保證紗線張力。如果計算不夠精確，就會導(dǎo)致回車過程紗線張力不均勻，如果速度計算慢了，就會導(dǎo)致紗錠上的紗線張力不夠，松松垮垮，下道工序就會出問題，而如果計算速度快了，就會導(dǎo)致回車過程紗線比車架速度快，會將紗線崩斷。客戶的要求是回車過程中張力軸應(yīng)該是不動的，這就要求計算及運行都非常精確。而計算直流的速度，就需要計算紗錠在各個位置的直徑，直徑是由紗管直徑和紗線直徑結(jié)合導(dǎo)紗軸的位置最終算出，而且紗線支數(shù)越高，越難紡，最終也是經(jīng)過長時間調(diào)試才能達(dá)到客戶紡高支紗的要求。

5 項目體會

走架機設(shè)備從開始調(diào)試到樣機完成周期為三個月，調(diào)試過程是復(fù)雜而繁瑣的，周期時間長的原因個人認(rèn)為有以下幾方面，一是這種設(shè)備的主體程序沒有標(biāo)準(zhǔn)塊可以參考，程序完全是從頭到尾開發(fā)的；二是對此類設(shè)備的工藝此前了解不夠，對有關(guān)困難估計不足；三是客戶臨時加了一些更智能的功能，導(dǎo)致調(diào)試時間增長。

通過此次項目的調(diào)試，對于simotion及Sinamics DCM有了更加深入的了解。simotion作為2005年推出的控制系統(tǒng)，經(jīng)過幾年的發(fā)展，產(chǎn)品越來越成熟穩(wěn)定，其功能強大，通過對各種工藝對象的控制，可以滿足市場上絕大多數(shù)客戶對于運動控制的要求。與其他廠商的控制產(chǎn)品相比，其性能方面更具優(yōu)勢，與我們一起調(diào)試的也有國際一知名廠家的控制器，但其Cam功能只有描點功能，沒有多項式功能，無法達(dá)到客戶要求。而Sinamics DCM作為新近推出的新一代直流控制設(shè)備，個人認(rèn)為其硬件接口配置更合理，軟件調(diào)試更方便，而且客戶從成本考慮，相比同功率的伺服還是有優(yōu)勢的，這也是我們最終能勝出的一個原因吧。

最后感謝公司及西門子工程師對此次設(shè)備調(diào)試中給予的支持。

［1］ simotion同步運行功能介紹；

［2］ Sinamics S120功能手冊2012/01；

［3］ Sinamics DCM操作說明；

［4］ Sinamics DCM參數(shù)手冊；

［5］ F0671_如何在HMI上顯示simotion的Cam曲線。