雙捻機控制系統(tǒng)設計

摘 要： 鋼簾線是輪胎的重要組成部分，其質量直接影響著輪胎質量。雙捻機是鋼簾線捻制的主要設備，其控制系統(tǒng)的設計采用可編程序控制器（PLC）作電氣控制系統(tǒng)的主控制器，變頻器（VVVF）驅動各電機實現(xiàn)同步控制。采用觸摸屏（HMI）技術不但實現(xiàn)了人機操作界面友好，而且機器運行狀態(tài)監(jiān)控及時全面、方便調試與維護。該系統(tǒng)成本低、運行穩(wěn)定、生產率高。
關鍵詞： PLC；變頻器；觸摸屏；雙捻機；控制系統(tǒng)；同步控制

鋼簾線是用優(yōu)質高碳鋼制成的表面鍍有黃銅且具有特殊用途的細規(guī)格鋼絲股或繩，主要用于各種車輛輪胎和飛機輪胎及其他橡膠制品的骨架材料[1]。鋼簾線的生產主要包括拉絲和捻制兩個工藝過程，雙捻機將拉成的多股鋼絲捻制成鋼簾線繩。雙捻機根據(jù)放線工字輪位置分為兩種基本類型，一種是放線工字輪在主機飛輪的里邊，而收線工字輪在飛輪的外面，即“內放外收”型；另一種是放線工字輪在主機飛輪的外面，而收線工字輪在飛輪的里邊即“外放內收型”[2]。本文研究的是用于鋼簾線生產的“內放外收”型雙捻機控制系統(tǒng)設計。
1 雙捻機工作原理
雙捻機的基本原理是機身旋轉一周，捻出兩個捻距的股或繩的鋼絲繩。其結構以及工作原理如圖1所示。

圖1中,收線工字輪位于旋轉體的外部,7個放線工字輪（1個芯線輪和6個絲輪）分兩面安裝在飛輪內部的搖籃上。鋼絲和芯線從內部放線工字輪引出，通過若干過線導輪匯集到固定在搖籃上的過線軸B，再經過固定在飛輪軸右端的過線輪A后，到達固定在左端飛輪軸上的過線輪C，繼而到達過捻器。再經過若干導輪和相關檢測裝置到達收線工字輪。在BA段和CD段分別實現(xiàn)了主捻和過捻，捻出了兩個捻距[3]。
根據(jù)雙捻機的工作原理分析，其生產工藝主要包括主捻、過捻和收排線三道工序。其中，捻股部分由主電機驅動飛輪旋轉體實現(xiàn)主捻和扭轉伺服電機驅動過捻器實現(xiàn)過捻（即完成雙稔）；收線部分由電機驅動收線輪和排線電機控制排線；此外還有搖籃電機控制搖籃翻轉；吸風、排風電機對機器內部進行冷卻。根據(jù)工藝要求，整個設備的運轉速度能夠根據(jù)需要進行調整，而且要求主捻電機、過捻電機和收線電機轉速之間保持一定的比例，即各電機同步運轉。所以，雙捻機控制系統(tǒng)的核心功能就是控制設備中各個電機根據(jù)工藝要求轉速間始終保持一定比例的同步運行。同時系統(tǒng)還要求具有運行控制、工藝參數(shù)設置、系統(tǒng)調試、成品長度計算、設備狀態(tài)監(jiān)測、故障報警處理等功能。
2 控制系統(tǒng)硬件設計
通過工作原理和控制需求分析，確定本雙捻機的控制方案。運用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，對主捻電機、過捻電機、收線電機和排線電機均采用交流變頻器進行同步控制。采用觸摸屏技術提供友好的操作和監(jiān)控畫面。由于系統(tǒng)電機數(shù)目少，且分布比較集中，因此決定采用通過控制PLC設定運行參數(shù)，然后通過D/A轉換模塊發(fā)出信號控制變頻器的速度指令，使各個變頻器驅動電機按給定的速度運轉?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

控制系統(tǒng)主要包括主捻控制、過捻控制、收線控制和排線控制等子系統(tǒng)。
2.1 主捻控制
主捻電機M1根據(jù)負荷選用Y160M-4 11 KW型電機，變頻器1選擇臺達VFD185B43A 18.5 KW型變頻器，主電機速度檢測選用臺達ES3-0CCN6942型編碼器。主捻控制在觸摸屏中設定主捻電機的升降速度值給PLC，PLC通過編碼器反饋主捻電機的轉速來控制變頻器的加減速運行，主捻在工作過程中決定了鋼簾線捻距。
2.2 過捻控制
過捻控制是整個控制的核心。其起停運行必須與主捻電機同步，鋼絲繩的捻制合格與否主要取決于過捻電機的工作狀況。選用臺達ASD-A1521MA伺服驅動器+ECMA-E31315ES 1.5 KW伺服電機，就是臺達伺服的ASD-A的驅動器驅動和ASD-B的電機的A+B的配置。這種控制回路采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，可以高速、高精度地完成各種復雜控制的運算。采用強健性控制技術，使得伺服馬達的低速特性更佳，配合增益自動調整、指令平滑功能的設計、軟件分析與監(jiān)控，使得ASD系列交流伺服真正做到高性能、高響應、高精度、高可靠[3]。采用蘭寶公司的LR18BF08LUM型電感接近傳感器，通過檢測扭轉輪軸由扭轉力引起旋轉角度來調整過捻電機的轉速，實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高控制精度。
2.3 收線控制
收線電機的控制直接影響成品線在后道工序的質量。隨著收線卷徑不斷擴大，收線電機的轉速隨之逐步減小，以保證線速恒定。選用Y90S-4 1.1 KW的電機并采用臺達VFD015B43W 1.5 KW變頻器控制，通過卷徑計算（變頻器內部處理），張力反饋裝置來調節(jié)收線電機速度，以實現(xiàn)線速度恒定[4]。
控制方案用張力閉環(huán)控制的速度模式為：

2.4 排線控制
對于成品絲來說，排線的質量很關鍵。采用VFD007E43A 0.75 KW變頻器控制排線電機的換向。排線控制分為恒排距和恒排速兩種方案。恒排距即排線速度會隨著收線速度的變化而變化，保證工字輪上卷繞絲之間的排距恒定不變；恒排速即在整個過程中排線速度不變，工字輪上卷繞絲之間的排距不斷變化，隨著收線速度減小，排距增大[6]。本系統(tǒng)在程序中采用的是恒排速控制。
3 PLC控制設計
3.1 控制要求
根據(jù)雙捻機的工作要求，控制系統(tǒng)需具備以下功能：
(1)電機的控制：7臺電機的啟動、停止、正轉、反轉以及速度的動態(tài)調節(jié)都由PLC對變頻器進行控制，從而實現(xiàn)電機的控制。電機的同步控制由PLC程序根據(jù)工藝參數(shù)計算，而后分別控制相應的變頻器實現(xiàn)。
(2)邏輯控制：系統(tǒng)的邏輯控制由PLC檢測設備的各種開關信號、傳感器信號實現(xiàn)，把這些信號作為PLC程序中關于啟動、停止、各種故障和工作狀態(tài)的條件觸點，用這些觸點設置梯形圖的觸發(fā)條件來實現(xiàn)邏輯控制。
(3)工藝參數(shù)設置：各種工藝參數(shù)的設定、顯示都通過觸摸屏完成。
(4)設備狀態(tài)監(jiān)測和故障顯示：在觸摸屏上顯示各種狀態(tài)參數(shù)，包括電機飛輪的實時轉速、收線、芯線、單絲的實時長度以及當設備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)的故障信息等[7]。
3.2 PLC選型及I/O分配
根據(jù)控制要求，PLC選用西門子公司的S7-200 EM226CN型，根據(jù)系統(tǒng)的實際配置，共增加了3個擴展模塊：6ES7 223-1PL22-0XA8的16點輸入輸出模塊，6ES7 231-0CH22-0XA8的AI 4×12 bit模擬量輸入模塊，6ES7 232-0HB22-0XA8的AO 2×12 bit模擬量輸出模塊。I/O分配表如表1所示。

3.3 控制程序設計
系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設計?？刂瞥绦虻木幹瓶梢酝ㄟ^在PC機上用STEP7-Micro/WIN32軟件創(chuàng)建、測試、仿真和修改PLC控制程序，然后通過專用電纜將程序下載到PLC中。其主要功能模塊如表2所示。

程序由主程序OB1和各功能模塊組成，在主程序中對各個模塊進行調用。程序運行時，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，然后根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的動作。對電機控制時，首先根據(jù)狀態(tài)計算各個電機的給定速度，通過數(shù)據(jù)轉換把速度轉換成頻率形式，然后調用相關功能模塊完成對各電機的控制。
雙捻機控制系統(tǒng)PLC程序流程如圖3所示。

4 觸摸屏設計
觸摸屏是觸摸式工業(yè)圖形顯示器的簡稱，是一種人機界面，也稱為HMI（Human Machine Interface）[8]。本系統(tǒng)從性價比的角度選用了臺達DOP-A57BSTD型觸摸屏, 使用Screen Editor Version : 1.05.82軟件進行設計。在人機界面中，設計了12幅畫面，包括開始、機床運行、計米復位、工藝設置、計米設定、計米系數(shù)、方向選擇、監(jiān)視、調試、收線、速度設置和故障查詢。故障顯示使用指示器，給出位元件即可實現(xiàn)閃動效果，讓操作者很方便地知道故障部位，整體感強。
本系統(tǒng)采用PLC+VVVF控制模式，其中用PLC作為控制平臺的控制核心，具有集成度高、抗干擾能力強等特點；采用變頻器實現(xiàn)對電機實時同步控制，收線張力恒定；采用觸摸屏（HMI）技術實現(xiàn)了人機操作界面友好，機器運行狀態(tài)監(jiān)控及時全面，方便調試與維護。通過實際生產運行，控制精度得到很大提高，成本大大降低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，極大地提高了生產效率。
參考文獻
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