采用PCC控制單元與變頻控制實(shí)現(xiàn)磨毛整理機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 前 言

目前國(guó)內(nèi)外染整設(shè)備技術(shù)發(fā)展總的趨勢(shì)是向環(huán)保、綠色、節(jié)能、低耗、高效、智能化方向發(fā)展。磨毛整理機(jī)的發(fā)展僅有幾十年的歷史。以德國(guó)、意大利為主的一些高檔超柔軟磨毛整理機(jī)誕生于上世紀(jì)90年代，到今天已經(jīng)形成了廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制等高新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)磨毛機(jī)技術(shù)的進(jìn)步也相當(dāng)?shù)目?，新一代磨毛機(jī)研發(fā)于21世紀(jì)初，但到目前為止其技術(shù)水平和國(guó)際最先進(jìn)磨毛機(jī)尚有一定差距 。國(guó)內(nèi)外磨毛機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比分析如表1.1所示。

織物的張力 是織物與磨毛輥接觸松緊度的表現(xiàn)。在磨毛過(guò)程中，布面張力越大，布面與磨毛輥接觸越緊密，磨毛效果越好。但張力不能過(guò)大，否則織物強(qiáng)力下降也越多，影響織物性能，使磨毛效果變差，出現(xiàn)布面發(fā)花、絨毛不均勻，導(dǎo)致磨柳等疵品?？椢锉３趾愣ǖ膹埩杀苊獬霈F(xiàn)表面絨毛出現(xiàn)裂縫等瑕疵，所以在高速運(yùn)行的磨毛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)織物的實(shí)際張力保持恒定非常關(guān)鍵。

2 磨毛機(jī)主要工作單元

其中進(jìn)布輥、前導(dǎo)輥、后導(dǎo)輥、上導(dǎo)輥和出布輥為導(dǎo)布系統(tǒng)輥，是由伺服系統(tǒng)控制。錫林、左右磨輥和可調(diào)速擴(kuò)幅輥由變頻控制。不可調(diào)速擴(kuò)幅輥跟隨可調(diào)速擴(kuò)幅輥啟動(dòng)、停止。

張力控制過(guò)程為：以織物張力為控制量，以導(dǎo)步輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度為控制量建立恒張力閉環(huán)控制子系統(tǒng)。PCC通過(guò)模擬輸入端口實(shí)時(shí)接收張力傳感器檢測(cè)回來(lái)的值，從而判斷各處張力大小，根據(jù)張力設(shè)定值，運(yùn)用PCC內(nèi)部的PID控制算法，計(jì)算出伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化量，通過(guò)高速脈沖輸出端口發(fā)送脈沖信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，保證運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)張力恒定。

圖2.1磨毛機(jī)主要工作單元構(gòu)成

（1）進(jìn)布輥（2）前導(dǎo)輥（3）后導(dǎo)輥（4）上導(dǎo)輥（5） 出布輥

（6）錫林（7）左磨輥（8）右磨輥（9）可調(diào)速擴(kuò)幅輥（10）不可調(diào)速擴(kuò)幅輥

3 電控系統(tǒng)框圖

本項(xiàng)目的電控系統(tǒng)主要由觸摸屏、PCC控制器、張力傳感器、伺服控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)這5個(gè)部分組成 。其系統(tǒng)控制框圖如圖3.1所示。

圖3.1 磨毛機(jī)電控系統(tǒng)總體框圖

本項(xiàng)目中電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心主要是保證織物在正常運(yùn)行過(guò)程中的張力恒定，通過(guò)張力傳感器檢測(cè)和織物進(jìn)布速度的閉環(huán)控制，用通訊方式同步，實(shí)現(xiàn)恒張力的實(shí)時(shí)控制以及多電機(jī)之間的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。即采用多軸傳動(dòng)張力控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)能夠反應(yīng)真實(shí)變化的張力采樣方式，在運(yùn)行過(guò)程中織物的實(shí)時(shí)張力通過(guò)4個(gè)張力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，然后與設(shè)定的張力值進(jìn)行比較， PCC內(nèi)部的PID模塊對(duì)實(shí)際張力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，保證織物在運(yùn)行過(guò)程中張力恒定。其觸摸屏采用的是B&R Power Panel 300 embedded，伺服電機(jī)采用的是B&R 8MS同步伺服電機(jī)。

4 基于PCC的軟件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊式編程，軟件部分主要由“PT界面設(shè)計(jì)”、“主從通訊”、“變頻器控制”、 “伺服電機(jī)控制”及“張力調(diào)節(jié)” 等模塊組成。這里主要介紹張力調(diào)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)。

4.1 PCC控制的軟件框架

開(kāi)關(guān)量和4個(gè)伺服的控制程序及驅(qū)動(dòng)程序等在PCC中編寫。PCC的軟件框架圖如圖4.1所示。

圖4.1 PCC的軟件框架圖

4.2 PCC的軟件框架

上導(dǎo)伺服5和4個(gè)變頻器的控制程序放在PCC中編寫。PCC的軟件框架圖如圖4.2所示。

圖4.2 PCC的軟件框架圖

4.3張力調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)

由于伺服控制系統(tǒng)不僅能控制速度，還能控制位置，與變頻調(diào)速相比，伺服控制更精確、可靠。所以本設(shè)計(jì)中張力調(diào)節(jié)控制采用的是伺服控制系統(tǒng)，其控制軟件采用PCC的內(nèi)置PID調(diào)節(jié) 。

PID調(diào)節(jié)器由比例調(diào)節(jié)器（P），積分調(diào)節(jié)器（I）和微分調(diào)節(jié)器（D）構(gòu)成，圖4.3所示為PID控制系統(tǒng)框圖。

圖4.3 PID控制系統(tǒng)框圖

圖中R為設(shè)定的期望值，Y為控制變量，S為實(shí)際輸出值，e為控制偏差值（e=R-S）。

工作原理：直接采用PCC里面具備的PID指令編程模塊，從模擬量輸入通道獲取指定的張力信號(hào)---》AD---》張力數(shù)字量---》進(jìn)入PID模塊，按照設(shè)定參數(shù)（比例系數(shù)、微分時(shí)間、積分時(shí)間等）通過(guò)PID計(jì)算----》調(diào)整后的張力值，將運(yùn)算結(jié)果放到輸出通道。通過(guò)公式轉(zhuǎn)換計(jì)算出調(diào)整后的頻率值。

4.3.2 PID控制算法

PID控制是根據(jù)給定值R（t）與實(shí)際輸出值S（t）之間的偏差e（t）來(lái)進(jìn)行控制的。將偏差的比例 （P），積分（I），和微分（D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制 。

PID控制算法的基本運(yùn)算式如下：

在張力控制中，綜合考慮PCC的運(yùn)算速度和伺服控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速以及控制精度的要求，采樣周期設(shè)為200ms。

式中SK為第K次伺服電機(jī)輸出脈沖頻率，控制伺服電機(jī)的速度。SK-1 為上一次脈沖輸出頻率值。

△ek為實(shí)際輸出的脈沖數(shù)和應(yīng)該要輸出的脈沖數(shù)之差。

△ek= ek- ek-1為第K次采樣所獲得的偏差數(shù)。

△ek-1= ek-1- ek-2為第K-1次采樣所獲得的偏差數(shù)。

Kp，Ki，Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

實(shí)際調(diào)試過(guò)程可對(duì)Kp，Ki，Kd進(jìn)行調(diào)試，選定合理的值，保證偏差控制在合理的范圍之內(nèi)。

4.3.3 張力控制程序流程圖

張力控制程序流程圖如圖4.4所示。

圖4.4 張力控制程序流程圖

首先張力傳感器的值被傳送到PCC的模擬輸入通道，通過(guò)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后可以先進(jìn)行張力預(yù)緊，使運(yùn)行前各張力達(dá)到設(shè)定值的70%左右，以免全機(jī)啟動(dòng)后張力立即松掉。

全機(jī)啟動(dòng)后，伺服和變頻控制系統(tǒng)由0開(kāi)始加速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行加速過(guò)程中張力的實(shí)時(shí)控制。在加速15s后系統(tǒng)進(jìn)入勻速運(yùn)轉(zhuǎn)階段，此時(shí)，加速?gòu)埩刂脐P(guān)閉，開(kāi)啟勻速狀態(tài)張力控制來(lái)實(shí)現(xiàn)勻速狀態(tài)下張力的實(shí)時(shí)控制。在勻速狀態(tài)改變?cè)O(shè)定值，就進(jìn)入加速或減速狀態(tài)，時(shí)間為5s。張力控制采用傳統(tǒng)的PID控制。全機(jī)停止時(shí)，開(kāi)啟減速?gòu)埩刂?，直到機(jī)器停止。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要從控制系統(tǒng)工作原理、硬件結(jié)構(gòu)及軟件模塊設(shè)計(jì)等方面探討了磨毛整理機(jī)電控系統(tǒng)。采用PCC作為核心控制單元，將導(dǎo)布系統(tǒng)用伺服控制系統(tǒng)代替變頻控制系統(tǒng)后，使磨毛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各張力值更加穩(wěn)定。實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，大大提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性?？椢锝?jīng)磨毛機(jī)加工后，手感柔軟滑爽，絨毛短勻，有的織物可達(dá)到觀之無(wú)毛摸之柔爽的效果，極大的提高了織物的附加值。