雙捻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 鋼簾線是輪胎的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響著輪胎質(zhì)量。雙捻機(jī)是鋼簾線捻制的主要設(shè)備，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(qū)動各電機(jī)實(shí)現(xiàn)同步控制。采用觸摸屏（HMI）技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作界面友好，而且機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及時全面、方便調(diào)試與維護(hù)。該系統(tǒng)成本低、運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)率高。
關(guān)鍵詞： PLC；變頻器；觸摸屏；雙捻機(jī)；控制系統(tǒng)；同步控制

鋼簾線是用優(yōu)質(zhì)高碳鋼制成的表面鍍有黃銅且具有特殊用途的細(xì)規(guī)格鋼絲股或繩，主要用于各種車輛輪胎和飛機(jī)輪胎及其他橡膠制品的骨架材料[1]。鋼簾線的生產(chǎn)主要包括拉絲和捻制兩個工藝過程，雙捻機(jī)將拉成的多股鋼絲捻制成鋼簾線繩。雙捻機(jī)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(jī)飛輪的里邊，而收線工字輪在飛輪的外面，即“內(nèi)放外收”型；另一種是放線工字輪在主機(jī)飛輪的外面，而收線工字輪在飛輪的里邊即“外放內(nèi)收型”[2]。本文研究的是用于鋼簾線生產(chǎn)的“內(nèi)放外收”型雙捻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1 雙捻機(jī)工作原理
雙捻機(jī)的基本原理是機(jī)身旋轉(zhuǎn)一周，捻出兩個捻距的股或繩的鋼絲繩。其結(jié)構(gòu)以及工作原理如圖1所示。

圖1中,收線工字輪位于旋轉(zhuǎn)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(nèi)部的搖籃上。鋼絲和芯線從內(nèi)部放線工字輪引出，通過若干過線導(dǎo)輪匯集到固定在搖籃上的過線軸B，再經(jīng)過固定在飛輪軸右端的過線輪A后，到達(dá)固定在左端飛輪軸上的過線輪C，繼而到達(dá)過捻器。再經(jīng)過若干導(dǎo)輪和相關(guān)檢測裝置到達(dá)收線工字輪。在BA段和CD段分別實(shí)現(xiàn)了主捻和過捻，捻出了兩個捻距[3]。
根據(jù)雙捻機(jī)的工作原理分析，其生產(chǎn)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(jī)驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)體實(shí)現(xiàn)主捻和扭轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動過捻器實(shí)現(xiàn)過捻（即完成雙稔）；收線部分由電機(jī)驅(qū)動收線輪和排線電機(jī)控制排線；此外還有搖籃電機(jī)控制搖籃翻轉(zhuǎn)；吸風(fēng)、排風(fēng)電機(jī)對機(jī)器內(nèi)部進(jìn)行冷卻。根據(jù)工藝要求，整個設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，而且要求主捻電機(jī)、過捻電機(jī)和收線電機(jī)轉(zhuǎn)速之間保持一定的比例，即各電機(jī)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，雙捻機(jī)控制系統(tǒng)的核心功能就是控制設(shè)備中各個電機(jī)根據(jù)工藝要求轉(zhuǎn)速間始終保持一定比例的同步運(yùn)行。同時系統(tǒng)還要求具有運(yùn)行控制、工藝參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試、成品長度計(jì)算、設(shè)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(shè)計(jì)
通過工作原理和控制需求分析，確定本雙捻機(jī)的控制方案。運(yùn)用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，對主捻電機(jī)、過捻電機(jī)、收線電機(jī)和排線電機(jī)均采用交流變頻器進(jìn)行同步控制。采用觸摸屏技術(shù)提供友好的操作和監(jiān)控畫面。由于系統(tǒng)電機(jī)數(shù)目少，且分布比較集中，因此決定采用通過控制PLC設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，然后通過D/A轉(zhuǎn)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(qū)動電機(jī)按給定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)?？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(jī)M1根據(jù)負(fù)荷選用Y160M-4 11 KW型電機(jī)，變頻器1選擇臺達(dá)VFD185B43A 18.5 KW型變頻器，主電機(jī)速度檢測選用臺達(dá)ES3-0CCN6942型編碼器。主捻控制在觸摸屏中設(shè)定主捻電機(jī)的升降速度值給PLC，PLC通過編碼器反饋主捻電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制變頻器的加減速運(yùn)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(yùn)行必須與主捻電機(jī)同步，鋼絲繩的捻制合格與否主要取決于過捻電機(jī)的工作狀況。選用臺達(dá)ASD-A1521MA伺服驅(qū)動器+ECMA-E31315ES 1.5 KW伺服電機(jī)，就是臺達(dá)伺服的ASD-A的驅(qū)動器驅(qū)動和ASD-B的電機(jī)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(fù)雜控制的運(yùn)算。采用強(qiáng)健性控制技術(shù)，使得伺服馬達(dá)的低速特性更佳，配合增益自動調(diào)整、指令平滑功能的設(shè)計(jì)、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(yīng)、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(zhuǎn)輪軸由扭轉(zhuǎn)力引起旋轉(zhuǎn)角度來調(diào)整過捻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高控制精度。
2.3 收線控制
收線電機(jī)的控制直接影響成品線在后道工序的質(zhì)量。隨著收線卷徑不斷擴(kuò)大，收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之逐步減小，以保證線速恒定。選用Y90S-4 1.1 KW的電機(jī)并采用臺達(dá)VFD015B43W 1.5 KW變頻器控制，通過卷徑計(jì)算（變頻器內(nèi)部處理），張力反饋裝置來調(diào)節(jié)收線電機(jī)速度，以實(shí)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(zhì)量很關(guān)鍵。采用VFD007E43A 0.75 KW變頻器控制排線電機(jī)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(shè)計(jì)
3.1 控制要求
根據(jù)雙捻機(jī)的工作要求，控制系統(tǒng)需具備以下功能：
(1)電機(jī)的控制：7臺電機(jī)的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及速度的動態(tài)調(diào)節(jié)都由PLC對變頻器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。電機(jī)的同步控制由PLC程序根據(jù)工藝參數(shù)計(jì)算，而后分別控制相應(yīng)的變頻器實(shí)現(xiàn)。
(2)邏輯控制：系統(tǒng)的邏輯控制由PLC檢測設(shè)備的各種開關(guān)信號、傳感器信號實(shí)現(xiàn)，把這些信號作為PLC程序中關(guān)于啟動、停止、各種故障和工作狀態(tài)的條件觸點(diǎn)，用這些觸點(diǎn)設(shè)置梯形圖的觸發(fā)條件來實(shí)現(xiàn)邏輯控制。
(3)工藝參數(shù)設(shè)置：各種工藝參數(shù)的設(shè)定、顯示都通過觸摸屏完成。
(4)設(shè)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(jī)飛輪的實(shí)時轉(zhuǎn)速、收線、芯線、單絲的實(shí)時長度以及當(dāng)設(shè)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(shí)際配置，共增加了3個擴(kuò)展模塊：6ES7 223-1PL22-0XA8的16點(diǎn)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)?？刂瞥绦虻木幹瓶梢酝ㄟ^在PC機(jī)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(jìn)行調(diào)用。程序運(yùn)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(jī)控制時，首先根據(jù)狀態(tài)計(jì)算各個電機(jī)的給定速度，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換把速度轉(zhuǎn)換成頻率形式，然后調(diào)用相關(guān)功能模塊完成對各電機(jī)的控制。
雙捻機(jī)控制系統(tǒng)PLC程序流程如圖3所示。

4 觸摸屏設(shè)計(jì)
觸摸屏是觸摸式工業(yè)圖形顯示器的簡稱，是一種人機(jī)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(dá)DOP-A57BSTD型觸摸屏, 使用Screen Editor Version : 1.05.82軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在人機(jī)界面中，設(shè)計(jì)了12幅畫面，包括開始、機(jī)床運(yùn)行、計(jì)米復(fù)位、工藝設(shè)置、計(jì)米設(shè)定、計(jì)米系數(shù)、方向選擇、監(jiān)視、調(diào)試、收線、速度設(shè)置和故障查詢。故障顯示使用指示器，給出位元件即可實(shí)現(xiàn)閃動效果，讓操作者很方便地知道故障部位，整體感強(qiáng)。
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(qiáng)等特點(diǎn)；采用變頻器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)實(shí)時同步控制，收線張力恒定；采用觸摸屏（HMI）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作界面友好，機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及時全面，方便調(diào)試與維護(hù)。通過實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，控制精度得到很大提高，成本大大降低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，極大地提高了生產(chǎn)效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳曉軍.鋼簾線拉絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī)，2009，38(11)：74.
[2] 韓鐵繼.對雙捻機(jī)捻制過程的分析[J].金屬制品，1995,24(22)：35.
[3] 中達(dá)電通公司.ASD-A交流伺服系統(tǒng)說明書[M]，2008.
[4] 顧洪仁.SGW195新型雙捻機(jī)[J].金屬制品，2002，31(6)：48-49.
[5] 梁森，黃杭美.自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[6] 朱偉紅，韓欽漢.收線機(jī)排線不整齊問題的解決[J].金屬制品，2005，34(4)：35-36.
[7] 周俊峰，黎鑫溢，譚建平.雙捻機(jī)數(shù)字式控制系統(tǒng)[J].金屬制品，2006，35(3)：46-48.
[8] 吉敬華，趙文祥，楊東.可編程控制器使用指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.