贝加莱锭轴传动型卷取机构的PCC 控制技术_化纤纺丝卷取机构_贝加莱

贝加莱锭轴传动型卷取机构的PCC 控制技术

2011/6/28 15:33:00

　　化纤长丝在纺丝成形后以一定的卷绕速度通过横动机构往复运动和卷取机构旋转运动的合成而卷绕成具有一定形状和容量的圆柱形卷装。随着高速纺丝技术的发展，卷绕速度已高达4000~8000米／分，甚至更高。在这样高的卷绕速度下，经常采用锭轴传动方式的卷取机构，亦即带动卷装的锭轴由电动机直接传动。然而丝束在整个卷绕过程中的卷绕速度是一个恒定值，因此，为了保证卷绕速度的恒定不变，锭轴转速必须遵循一定的函数规律。

1 锭轴传动的基本原理及其实现方法

　　由于卷绕速度v 、卷装表面圆周速度V1和横动导丝线速度V2相互构成了一个如图l 所示的卷绕速度矢量图，则卷绕角θ 的余弦可写为：

图1 卷绕速度矢量图

　　从而由式（l ）可得卷装的锭轴转速Nd与卷绕直径D之间的函数关系式为：

　　式（2 ）表明在卷装空管直径Dmin至满筒直径Dmax范围内的锭轴转速Nd是卷绕直径D 的非线性函数。而任一瞬时实际的卷装直径D 可通过卷取机构中压紧辊的实际转速戈和锭轴的实际转速Ndx来计算：

　　式中，k 为取决于压紧辊直径大小等因素的系数。

　　上述分析表明，根据预先设定的V 、θ 、K等化纤纺丝生产工艺参数和机械结构参数，可求得不同卷绕直径D 时的锭轴转速之值Nd。由此可见，式（2 ）是卷取机构锭轴传动控制的一种模式和基础。为了实现锭轴转速按照这种特定规律变化，可应用PCC （可编程计算机控制器，Progomable ComPuter Controller ）控制技术，在卷取机构中的压紧辊和锭轴处设置两个转速传感器，组成一个如图2 所示的卷取机构机电一体化系统。在这个机电一体化系统的五大环节中：机械部分主要为卷取机构中的锭轴、卷装和压紧辊；传感器部分为锭轴转速传感器、压紧辊转速传感器及其测量电路；计算机部分为PCC 及其扩展装置；执行器部分为锭轴电动机及其变频器；动力部分为系统所需的电能，本系统中采用一个工业级的稳压电源。此时，卷装可由锭轴电动机直接传动，锭轴电动机通过变频器来调速，变频器的输入信号则是满足高速纺丝工艺要求的锭轴转速给出值：

　　式（4 ）表示了可利用压紧辊转速传感器和锭轴转速传感器同时检测实际Njx和Ndx，按式（3 ）求出D ，以式（2 ）计算Nd并将其与Ndx作比较，把两者之间的本次偏差Ei经比例积分（PI ）调节算法，然后，根据上一次锭轴转速给出值Ndg﹣1，计算获取当前的锭轴转速给出值Ndg，从而改善整个控制过程的静动态特性。式（4 ）中的P为PI 算法中的比例系数、I为PI算法中的积分系数、Ei﹣l为Ei的上一次偏差值。

图2 卷取机构机电一体化系统示意图

2 PCC 控制系统的硬件结构

　　为了实现式（4 ）的要求和目的，可按图2 的框架设计成卷取机构机电一体化的PCC 控制系统，其硬件原理框图如图3 所示。PCC 是整个系统的核心部件，它集工控机、网络通讯、测控技术于一休，是一种高可靠性的集成化、通用化、标准化、模块化、系列化的自动控制装置，在功能、电源、安全、操作等方面达到了一个新水平，是实现机电一体化系统的理想硬件装置。在图3 中的PCC 采用了奥地利贝加莱工业自动化公司的B&R 2003 PCC 及其模块扩展技术，主要包括：B&R 2003 PCC 系列的CP474CPU 主模块，内含2003 的处理器、SRAM 、Flash PROM 、RS232 和CAN 接口以及4 个CP 插槽（本系统分别选用并插人了DI135 、IF321 、IF3ll 等三个模块）；DIl35 高速数字量输人模块主要借助其计数器的功能来检测实际转速Njx和Ndx ,从而有效地提高测速的精度；IF321 、RS485 接口模块主要将输出信号Ndg送至锭轴电动机变频器的RS485 接口，实现锭轴传动的过程控制；IF311 、RS232接口模块用于与PANELWARE P125 紧凑型人机操作面板连接，通过12 个数字键与12 个功能键、4 x20 字符LCD 显示屏可进行参数设定、状态指示、文字图形、功能选择等有关操作和信息显示。

圈3 锭轴传动型卷取机构的PCC 控制系统硬件结构框圈

3 PCC 控制系统的软件设计

　　锭轴传动型卷取机构PCC 控制系统的软件主要采用结构简单、编程快速、便于开发的B&R2003 PCC 系列编程软件包PG 2000 所提供的高级语言PL2000和PANELWARE Panel Stodio 软件包进行程序设计。按系统实际功能，可将其应用软件分解为若干模块，下面介绍的是卷取机构过程控制处理程序模块的设计流程。

圈4 卷取机构的过程控制处理程序流程图

　　图4 所示的为卷取机构的过程控制处理程序流程图，其中Ndgo为锭轴初始设定转速。首先，利用Njx和Ndx按式（3）求得D ，并以式（2）为主要依据；然后，通过计算Nd与Ndx之间的偏差，调用PI 算法，按式（4 ）得出输出控制信号，经变频器调速，实现对卷取机构的锭轴传动控制,使锭轴转速按式（2）的目标函数运行。

4 结论

　　本文重点论述了一种应用PCC 控制锭轴传动型卷取机构的基本原理，从锭轴转速目标函数确立到PCC 控制系统的设计，为具体实施应用提供了一种有效途径。

　　由于B&R 2003 PCC 具有工控机的能力，其CP474 CPU 主模块与各扩展模块之间具有电气隔离措施，用下业级稳压电源作为CP474 CPU 的供电电源，因此，这些措施有效地提高了卷取机构PCC 控制系统的抗干扰能力。

　　在实际应用时，可充分发挥PCC 丰富的功能和开发周期短的特点，通过扩展相关环节将本文介绍的PCC 控制系统与横动机构控制、压紧辊故障检测等内容一并综合设计，以组成一个完整的卷绕机构机电一体化PCC 控制系统。如利用CAN 总线接口联网设计，还可形成一个规模更大的基于CIMS 理念的化纤长丝生产线计算机集散控制系统。

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