基于重力傳感器的印染設(shè)備張力系統(tǒng)改進(jìn)及PROFINET集成

成都紡織高等專科學(xué)校 劉 紅 王 強(qiáng) 廣東佛山三水昊通印染有限公司 陳 丹/文

本文對重力傳感器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了分析，提出了一種基于重力傳感器的印染設(shè)備張力控制系統(tǒng)設(shè)計方法，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件改進(jìn)的算法。同時，進(jìn)行了基于PROFINET的工廠級系統(tǒng)集成設(shè)計。

重力傳感器；張力控制；PROFINET；PID

1 前言

印染工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備大多都是多單元傳動聯(lián)合機(jī)械，聯(lián)合機(jī)各單元間的同步性能的好壞直接關(guān)系到染色、印花產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，多單元同步傳動是印染機(jī)械設(shè)備同步控制的關(guān)鍵，

國內(nèi)大多數(shù)印染設(shè)備同步張力控制方式普遍采用磁粉離合器控制、變頻器控制和伺服控制三種方式。但是，其同步檢測調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)仍然沿用了原有的松緊架結(jié)構(gòu)，這種裝置的缺點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)比復(fù)雜、精度低、安裝困難，在酸、堿、水氣環(huán)境中故障多、維護(hù)工作量大，而且松緊架的擺幅對于薄織物和高支高密織物易產(chǎn)生皺褶，松緊架的張力調(diào)節(jié)采用重錘懸掛或氣缸調(diào)節(jié)，張力大小不穩(wěn)定，容易引起斷布、經(jīng)向長度不一致、徑向縮率不穩(wěn)定等嚴(yán)重后果，影響后序印花染色的品質(zhì)。我們通過企業(yè)調(diào)研，結(jié)合張力檢測技術(shù)的新發(fā)展，與企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員一起，提出了基于重力傳感器的張力檢測新方法，進(jìn)行了系統(tǒng)的構(gòu)建，給出了系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計方案。

同時，為滿足企業(yè)將底層分布的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合到全廠信息管理系統(tǒng)中，并在信息管理級實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)的要求，設(shè)計了以PROFINET以太網(wǎng)技術(shù)為核心的網(wǎng)絡(luò)集成方案，架構(gòu)控制級，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有管理層和現(xiàn)場級網(wǎng)絡(luò)的無縫轉(zhuǎn)換和企業(yè)的統(tǒng)一架構(gòu)。

2 重力傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

重力傳感器采用應(yīng)變片傳感器原理，內(nèi)置雙懸臂梁，同時貼于懸臂梁上的四片應(yīng)變片組成惠斯通全橋，當(dāng)外部在懸臂梁上產(chǎn)生力矩時，此應(yīng)變?nèi)珮蚴テ胶廨敵霾铑~電壓。其內(nèi)部原理如圖1所示 。為了保證傳感器在一定溫度波動范圍內(nèi)正確穩(wěn)定地輸出信號，其內(nèi)置了一套溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，從而使傳感器輸出的電壓信號只與壓力成線性正比，不受溫度或電路通訊干擾，長期振動下仍能穩(wěn)定工作。張力的大小由信號幅度反應(yīng)，方向由信號的極性反應(yīng)。

圖1 重力傳感器內(nèi)部原理

圖2 軸臺式重力傳感器外形

重力傳感器分為軸臺式、圓餅式、懸臂式和圓筒式等多種形式（軸臺式重力傳感器外形如圖2所示），滿足不同條件下的安裝要求。根據(jù)對印染行業(yè)的調(diào)研結(jié)果分析，我們選用軸臺式重力傳感器，它采用全密封防腐蝕、防化學(xué)設(shè)計，檢查范圍為1KN～200KN，能對張力直接進(jìn)行檢測，沒有移動部件，不會引起織物皺褶。通常兩個傳感器配對使用，將它們裝在張力輥兩側(cè)的端軸上（如圖3所示），織物通過壓力輥施加負(fù)載，使重力傳感器敏感元件產(chǎn)生位移或變形，從而檢測出實(shí)際張力值，并將此張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋給控制器，最終實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是檢測范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。

目前技術(shù)比較成熟的有臺灣運(yùn)泰電機(jī)有限公司的LMS系列，上海宇澤機(jī)電有限公司的UPB-M1、M2系列，德國海納電子有限公司的BZH系列重力傳感器，配合MV系列放大器將信號轉(zhuǎn)換為-10V～10V或0～20MA 有效值傳送給控制器。

圖3 重力傳感器安裝及壓力分析

重力傳感器最大壓力等級計算公式:

MWF={[2TxSIN(A/2)]}x(HsinB+LcosB)+/-W(Lcosc-HsinC)}/2L （1）

MWF：最大工作壓力（N），MWF計算結(jié)果是單個傳感器所承受的工作壓力；

T：最大總張力（N）；

K：過載系數(shù)(一般場合取1.4-2.0)；

A ：包角（度）；

W：張力輥重量（N）；

B ：張力夾角（度），B角如果在水平線下用“+”，如果在水平線上用“-”；

C ：安裝角度（度）；

H：傳感器中心距離張力輥中心的距離。

3 基于重力傳感器的張力系統(tǒng)硬件組成

本設(shè)計中傳感器選用臺灣運(yùn)泰電機(jī)有限公司的LMS-050傳感器，安裝在張力輥?zhàn)拢o止情況下承受材料垂直向下荷重、張力檢測輥以及機(jī)械零部件軸承座的重量，當(dāng)織物運(yùn)行經(jīng)過張力檢測輥時，向下的荷重產(chǎn)生變化，即張力變化，從而引起傳感器敏感元件變化，將力信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波、放大轉(zhuǎn)換為有效控制信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)張力大小。在一般設(shè)備上，傳感器安裝在一條軸兩端，每端各一只，即信號由兩只傳感器輸出信號串聯(lián)疊加而成。張力系統(tǒng)由控制裝置、執(zhí)行裝置、檢測裝置構(gòu)成，其模塊框圖如圖4所示。

3.1 控制裝置

采用以PLC為核心的控制裝置, 主控單元的給定張力值和反饋張力經(jīng)PLC模擬輸入通道輸入，張力調(diào)節(jié)控制采用PLC內(nèi)部PID算法，由PLC編程實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)信號由PLC模擬通道輸出給變頻器，調(diào)節(jié)變頻器頻率，從而改變同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2 執(zhí)行裝置

由于變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)在紡織工業(yè)得到了大量普及，各類紡織機(jī)械其主傳動幾乎毫無例外地應(yīng)用了交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。加上印染設(shè)備多為單方向、不可逆運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，單臺功率在幾十千瓦以下，故本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用變頻器，通過變頻器控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.3 檢測裝置

張力檢測采用重力傳感器, 其輸出信號經(jīng)過濾波、放大轉(zhuǎn)換為有效控制信號輸入至 PLC 內(nèi)部。

圖4 張力系統(tǒng)模塊框圖

4 系統(tǒng)算法改進(jìn)

4.1 多軸同步前輥補(bǔ)償調(diào)節(jié)

由于染整設(shè)備往往由多單元、多軸組成一個系統(tǒng)，要想控制張力恒定，就要控制速度差恒定。以圖5中的5軸同步張力調(diào)節(jié)為例，設(shè)某一時刻，從左到右各導(dǎo)輥速度分別為V0、V1、V2、V3、V4，以主令輥為基準(zhǔn)，從輥1、從輥2、從輥3、從輥4的調(diào)節(jié)速度依次為△V1、△V2、△V3、△V4。為了使多軸張力實(shí)現(xiàn)同步，在每根導(dǎo)輥調(diào)節(jié)速度的基礎(chǔ)上，還需疊加前輥補(bǔ)償量(△V2’、△V3’、△V4’)，以防止前級調(diào)速造成后級張力的連續(xù)波動。實(shí)際應(yīng)用中，由于工藝要求不同，每一段張力的設(shè)定值不一樣的，張力大小不同，布的伸縮量也會不同。

圖5 5軸同步張力調(diào)節(jié)原理

因此，多軸同步工作時，各導(dǎo)布輥的實(shí)際速度為：

4.2 PID控制算法的改進(jìn)

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中，設(shè)備的啟動、結(jié)束或大幅度增減張力設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運(yùn)算的積分積累，使計算得到的控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大動作范圍，引起系統(tǒng)較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。在此，采用積分分離的PID控制算法改善控制效果。即：人為設(shè)定閾值α，當(dāng)|e(k)|＞α?xí)r，也就是說偏差值較大時，采用PD調(diào)節(jié)，使張力控制系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當(dāng)|e (k)|≤α?xí)r，也就是說偏差值較小時，采用PID調(diào)節(jié)，可以保證系統(tǒng)的控制精度。

5 系統(tǒng)的PROFINET集成

PROFINET是一種用于工業(yè)自動化的創(chuàng)新、開放式以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它完全透明地兼容傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)和辦公室以太網(wǎng)，因此，通過使用PROFINET就可以在整個工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底，為企業(yè)的信息化提供統(tǒng)一的通訊平臺。PROFINET可以實(shí)現(xiàn)到所有現(xiàn)場總線解決方案的無縫轉(zhuǎn)換，用戶無需更換現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，從而減少了用戶的硬件投入成本。

考慮到印染企業(yè)資金有限，但由于設(shè)備控制線長，檢測的溫度、濕度、張力、速度等信號多，企業(yè)希望將底層分布的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合到全廠信息管理系統(tǒng)中，并在信息管理級實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程服務(wù)和維護(hù)，以此提升信息化水平、提高生產(chǎn)效率、降低用工成本，本設(shè)計中我們采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)來組態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)如圖6所示，整個系統(tǒng)由管理級、控制級和現(xiàn)場級三層構(gòu)成。

管理級：管理級是系統(tǒng)的核心部分，對企業(yè)各部門進(jìn)行管理和控制，并實(shí)現(xiàn)工廠級的辦公自動化。管理級與WLAN連接，提供人機(jī)接口和整個制系統(tǒng)與外部信息的交換。管理級的計算機(jī)采用C/S體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)器選用大型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，滿足開放、分布式數(shù)據(jù)庫管理方式的要求，裝有WINCC運(yùn)行版的PC機(jī)作為監(jiān)控操作站。

控制級：控制級是管理級與現(xiàn)場級之間的樞紐層，其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，同時將現(xiàn)場狀態(tài)輸送到管理層?？刂萍壙刂破鞑捎梦鏖T子S7-300系列PLC，在其機(jī)架上增加一個CP343-1以太網(wǎng)模塊構(gòu)建PROFINET網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)與管理層計算機(jī)和現(xiàn)場級設(shè)備進(jìn)行通信。PROFINET網(wǎng)絡(luò)既可以直接掛接其他智能設(shè)備(如PLC)用于單元級的通訊，也可以通過掛接具有PROFINET接口的西門子ET200S系列，外帶IM151-3PN接口模板進(jìn)行現(xiàn)場信號的采集，還可以通過IE/PB LINK PN IO代理服務(wù)器將現(xiàn)有PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)透明地集成到PROFINET中。

通過使用代理服務(wù)器方式，PROFINET能方便地將其他類型現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接入到其中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的架構(gòu)。PRIFINET CPU 能夠使用STEP7在工業(yè)以太網(wǎng)上通過PC進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試。

現(xiàn)場級：現(xiàn)場級可以直接連接智能儀表、智能控制設(shè)備（如可編程序控制器、I/O模塊和現(xiàn)場設(shè)備），也可以通過開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場總線PROFIBUS來連接現(xiàn)場控制部件（如本設(shè)計中的PLC）。其功能主要是對系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、傳感器參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)上傳，接受控制級的指令對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

圖6 基于PROFINET 的系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)圖

6 總結(jié)

采用重力傳感器張力檢測成本低、織物沒有擺幅、張力穩(wěn)定，解決了印染行業(yè)急需解決的難題，同時少了氣缸、松緊架、鏈條、鏈輪等機(jī)械裝置，減少了張力輥等的維修費(fèi)用，在印染、紡織、造紙、冶金等行業(yè)有廣泛推廣價值。系統(tǒng)的PROFINET網(wǎng)絡(luò)集成滿足了企業(yè)將底層分布的生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合到全廠信息管理系統(tǒng)中的要求，新的控制系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議上下統(tǒng)一，極大地節(jié)約了構(gòu)建成本和未來維護(hù)成本，同時為未來系統(tǒng)的升級打下了良好的基礎(chǔ)。