談高速啟停紡織專用細(xì)紗機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
提高伺服控制系統(tǒng)速度的變化率可以提高紡織細(xì)紗機(jī)的生產(chǎn)效率。用一臺(tái)PLC控制兩組伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)啟停時(shí)間錯(cuò)開，通過機(jī)械裝置合成可使速度變化率達(dá)500次/min；系統(tǒng)采用速度反饋控制，利用RS232與上位機(jī)通訊以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控。詳細(xì)介紹了基于PLC紡織細(xì)紗機(jī)伺服控制系統(tǒng)的硬件原理和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠，滿足了紡織細(xì)紗機(jī)生產(chǎn)的需要。
細(xì)紗機(jī)是紡織廠的專用設(shè)備，具有前后兩個(gè)輥?zhàn)印Ｓ捎谇懊孑佔(zhàn)拥乃俣缺群竺孑佔(zhàn)涌欤瑥那拜佔(zhàn)舆M(jìn)去的粗紗在兩個(gè)輥?zhàn)又g得到拉延，從后面輥?zhàn)虞敵龅募喚妥兗?xì)了。花式紗不是均勻粗細(xì)，而是粗細(xì)相間。要得到粗細(xì)相間的紗，只需讓后輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速時(shí)快時(shí)慢即可。本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)械差動(dòng)齒輪減速箱，減速箱的兩個(gè)輸入：一是前輥?zhàn)油ㄟ^減速齒輪傳動(dòng)后輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)；另一是一臺(tái)永磁同步伺服電機(jī)，通過控制系統(tǒng)使其頻繁啟停控制。目前永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)最大啟停次數(shù)可達(dá)280次/min。差動(dòng)齒輪系的輸出端接后輥?zhàn)印Ｈ缢欧姍C(jī)不轉(zhuǎn)，后輥?zhàn)觿蛩傩D(zhuǎn)，紡出的是普通紗，如伺服電機(jī)頻繁啟停，經(jīng)差動(dòng)輪系合成后，后輥?zhàn)铀俣葧r(shí)快時(shí)慢，紡出來的就是花式紗了。根據(jù)生產(chǎn)的需要，需要提高細(xì)紗機(jī)的車速，以提高紡紗的生產(chǎn)率，為保持原來花式細(xì)紗粗細(xì)相間的節(jié)距，后輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速變化率需要提高到500次/min，要求伺服電機(jī)啟停率也要500次/min。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以滿足要求。
作者設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用兩臺(tái)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，每臺(tái)電機(jī)啟停250次/min，兩臺(tái)電機(jī)啟停時(shí)間錯(cuò)開，通過機(jī)械裝置將其合成為500次/min。
差動(dòng)齒輪系的工作原理如圖1所示，來自于前輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速經(jīng)過齒輪減速后作為差動(dòng)齒輪系的一個(gè)輸入，另一個(gè)輸入由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械合成而成，能實(shí)現(xiàn)啟停500次/min。從圖可見，若兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，差動(dòng)齒輪系輸出到后輥?zhàn)拥臑橐粋€(gè)低于前輥?zhàn)拥木鶆蛩俣龋藭r(shí)細(xì)紡機(jī)紡出為普通紗。若兩臺(tái)伺服電機(jī)均啟停250次/min，且啟停時(shí)間錯(cuò)開，通過機(jī)械合成后為啟停500次/min，此時(shí)差動(dòng)輪系輸出到后輥?zhàn)拥淖兓俣葹?00次/min，細(xì)紡機(jī)紡出為花式紗。
在紡紗過程中需要不斷地改變紗的粗細(xì)、紗的長(zhǎng)度和節(jié)距3個(gè)參數(shù)，要求伺服電機(jī)不斷改變啟停周期和速度，每種紗常有300多種變化組合，參數(shù)要求方便進(jìn)行調(diào)整，而且工作環(huán)境較惡劣，可靠性要求高。
伺服系統(tǒng)電機(jī)采用Mitsubishi的低慣量永磁同步電機(jī)，其參數(shù)為12Nm，22A，2.84KW，3000r/min。兩套伺服系統(tǒng)的速度控制號(hào)由PLC模擬量I/O模塊FX2N-3A輸出控制，其模擬電壓為0～10V。A、B兩套伺服系統(tǒng)的啟停控制信號(hào)。
由PLC擴(kuò)展的脈沖輸出模塊FX2N-1PG輸出端控制，其相位相互錯(cuò)開。
為了調(diào)節(jié)紗的粗細(xì)、長(zhǎng)度和節(jié)距，PLC需要不斷檢測(cè)前輥?zhàn)拥乃俣龋鶕?jù)設(shè)置的參數(shù)和檢測(cè)的前輥?zhàn)铀俣扔?jì)算出后輥?zhàn)拥乃俣群烷_關(guān)頻率。本系統(tǒng)中前輥?zhàn)铀俣群退欧姍C(jī)速度的檢測(cè)采用光電編碼器，其輸出的脈沖信號(hào)輸送到PLC的高速計(jì)數(shù)模塊FX2N-1HC進(jìn)行計(jì)數(shù)從而得到前輥?zhàn)拥乃俣纫杂?jì)算伺服電機(jī)速度和開關(guān)頻率。另外PLC選用絕緣型RS232C通訊用適配器與工控機(jī)進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控。
工控機(jī)采用研華AWS-825，用VB開發(fā)工控機(jī)的監(jiān)控程序和控制界面。
四、程序設(shè)計(jì)
速度檢測(cè)采用M法測(cè)速，在固定的時(shí)間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號(hào)的脈沖數(shù)從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速的大小。設(shè)m1為在固定時(shí)間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號(hào)的脈沖數(shù)，P為電機(jī)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，在時(shí)間Ts內(nèi)共發(fā)出m1個(gè)脈沖，其速度為：。
串行通信模塊數(shù)據(jù)傳送利用RS指令，其與工控機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)可以設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶性、波特率、停止位等。本系統(tǒng)設(shè)置的通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，采用偶校驗(yàn)，設(shè)置1為停止位，通信的波特率為2400bps。
D/A模塊具有電壓輸出和電流輸出兩種形式，電壓輸出可選0～10V和0～5V輸出，本系統(tǒng)選擇0～10V輸出控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?～3000r/min變化。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用FROM，TO指令，其中FROM控制A/D輸入，TO控制D/A輸出，編程指令包含選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換通道和輸入輸出數(shù)據(jù)存放單元，設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換命令，輸出或讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果等。
五、上位機(jī)的編程
在Windows下用VB實(shí)現(xiàn)串行通信有兩種方法：一種為使用Windows應(yīng)用編程接口（API）。API提供了完備的應(yīng)用程序接口函數(shù)和中斷方式的通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Comm.DRV）。另一種為使用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）。它包含了WindowsAPI中串行通信的16個(gè)函數(shù)所完成的功能，且含有使用戶設(shè)計(jì)方便的對(duì)象特性。本系統(tǒng)采用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）實(shí)現(xiàn)串行通信。MSComm控件的通信功能的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是調(diào)用了API函數(shù)，API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳送給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行的，對(duì)于VB開發(fā)者只需知道MSComm控制的屬性和事件的用法即可以實(shí)現(xiàn)串行口的通信操作。
上位機(jī)與PLC之間通信參數(shù)包含伺服電機(jī)速度、開停頻率等信息，所以必須要有一個(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)用于區(qū)分傳送信息的類型。同時(shí)考慮到傳輸中可能出錯(cuò)，再增加一個(gè)檢驗(yàn)字節(jié)。所以本文中兩機(jī)之間通訊協(xié)議為每傳一次含括5幀，它們分別是：
1、標(biāo)識(shí)字節(jié)，用于分辮所傳信息的種；2、所傳信息16位二進(jìn)制碼的低位字節(jié)；3、所傳信息16位二進(jìn)制碼的高位字節(jié)；4、校驗(yàn)字節(jié)，為前3個(gè)字節(jié)的異或值；5、結(jié)束位，表明此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
每一幀包括：1位起始位、8位有效數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位、1位停止位。
根據(jù)以上分析，本文成功設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制和工控機(jī)監(jiān)控的紡織專用細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某紡織廠的生產(chǎn)線中。工控機(jī)通過PLC串行通信監(jiān)測(cè)的伺服電機(jī)啟制動(dòng)時(shí)速度的變化曲線。2個(gè)月成功運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作可靠。
六、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制和工控機(jī)監(jiān)控的紡織專用細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)利用差動(dòng)齒輪系和兩套伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的后輥?zhàn)铀俣茸兓l率可達(dá)500次/min，滿足了細(xì)紗機(jī)生產(chǎn)的需要。同時(shí)利用工控機(jī)通過串行通信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)，運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作可靠。
細(xì)紗機(jī)是紡織廠的專用設(shè)備，具有前后兩個(gè)輥?zhàn)印Ｓ捎谇懊孑佔(zhàn)拥乃俣缺群竺孑佔(zhàn)涌欤瑥那拜佔(zhàn)舆M(jìn)去的粗紗在兩個(gè)輥?zhàn)又g得到拉延，從后面輥?zhàn)虞敵龅募喚妥兗?xì)了。花式紗不是均勻粗細(xì)，而是粗細(xì)相間。要得到粗細(xì)相間的紗，只需讓后輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速時(shí)快時(shí)慢即可。本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)械差動(dòng)齒輪減速箱，減速箱的兩個(gè)輸入：一是前輥?zhàn)油ㄟ^減速齒輪傳動(dòng)后輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)；另一是一臺(tái)永磁同步伺服電機(jī)，通過控制系統(tǒng)使其頻繁啟停控制。目前永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)最大啟停次數(shù)可達(dá)280次/min。差動(dòng)齒輪系的輸出端接后輥?zhàn)印Ｈ缢欧姍C(jī)不轉(zhuǎn)，后輥?zhàn)觿蛩傩D(zhuǎn)，紡出的是普通紗，如伺服電機(jī)頻繁啟停，經(jīng)差動(dòng)輪系合成后，后輥?zhàn)铀俣葧r(shí)快時(shí)慢，紡出來的就是花式紗了。根據(jù)生產(chǎn)的需要，需要提高細(xì)紗機(jī)的車速，以提高紡紗的生產(chǎn)率，為保持原來花式細(xì)紗粗細(xì)相間的節(jié)距，后輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速變化率需要提高到500次/min，要求伺服電機(jī)啟停率也要500次/min。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以滿足要求。
作者設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用兩臺(tái)永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，每臺(tái)電機(jī)啟停250次/min，兩臺(tái)電機(jī)啟停時(shí)間錯(cuò)開，通過機(jī)械裝置將其合成為500次/min。
差動(dòng)齒輪系的工作原理如圖1所示，來自于前輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速經(jīng)過齒輪減速后作為差動(dòng)齒輪系的一個(gè)輸入，另一個(gè)輸入由兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械合成而成，能實(shí)現(xiàn)啟停500次/min。從圖可見，若兩臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，差動(dòng)齒輪系輸出到后輥?zhàn)拥臑橐粋€(gè)低于前輥?zhàn)拥木鶆蛩俣龋藭r(shí)細(xì)紡機(jī)紡出為普通紗。若兩臺(tái)伺服電機(jī)均啟停250次/min，且啟停時(shí)間錯(cuò)開，通過機(jī)械合成后為啟停500次/min，此時(shí)差動(dòng)輪系輸出到后輥?zhàn)拥淖兓俣葹?00次/min，細(xì)紡機(jī)紡出為花式紗。
在紡紗過程中需要不斷地改變紗的粗細(xì)、紗的長(zhǎng)度和節(jié)距3個(gè)參數(shù)，要求伺服電機(jī)不斷改變啟停周期和速度，每種紗常有300多種變化組合，參數(shù)要求方便進(jìn)行調(diào)整，而且工作環(huán)境較惡劣，可靠性要求高。
伺服系統(tǒng)電機(jī)采用Mitsubishi的低慣量永磁同步電機(jī)，其參數(shù)為12Nm，22A，2.84KW，3000r/min。兩套伺服系統(tǒng)的速度控制號(hào)由PLC模擬量I/O模塊FX2N-3A輸出控制，其模擬電壓為0～10V。A、B兩套伺服系統(tǒng)的啟停控制信號(hào)。
由PLC擴(kuò)展的脈沖輸出模塊FX2N-1PG輸出端控制，其相位相互錯(cuò)開。
為了調(diào)節(jié)紗的粗細(xì)、長(zhǎng)度和節(jié)距，PLC需要不斷檢測(cè)前輥?zhàn)拥乃俣龋鶕?jù)設(shè)置的參數(shù)和檢測(cè)的前輥?zhàn)铀俣扔?jì)算出后輥?zhàn)拥乃俣群烷_關(guān)頻率。本系統(tǒng)中前輥?zhàn)铀俣群退欧姍C(jī)速度的檢測(cè)采用光電編碼器，其輸出的脈沖信號(hào)輸送到PLC的高速計(jì)數(shù)模塊FX2N-1HC進(jìn)行計(jì)數(shù)從而得到前輥?zhàn)拥乃俣纫杂?jì)算伺服電機(jī)速度和開關(guān)頻率。另外PLC選用絕緣型RS232C通訊用適配器與工控機(jī)進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控。
工控機(jī)采用研華AWS-825，用VB開發(fā)工控機(jī)的監(jiān)控程序和控制界面。
四、程序設(shè)計(jì)
速度檢測(cè)采用M法測(cè)速，在固定的時(shí)間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號(hào)的脈沖數(shù)從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速的大小。設(shè)m1為在固定時(shí)間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號(hào)的脈沖數(shù)，P為電機(jī)光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，在時(shí)間Ts內(nèi)共發(fā)出m1個(gè)脈沖，其速度為：。
串行通信模塊數(shù)據(jù)傳送利用RS指令，其與工控機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)可以設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、奇偶性、波特率、停止位等。本系統(tǒng)設(shè)置的通信數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，采用偶校驗(yàn)，設(shè)置1為停止位，通信的波特率為2400bps。
D/A模塊具有電壓輸出和電流輸出兩種形式，電壓輸出可選0～10V和0～5V輸出，本系統(tǒng)選擇0～10V輸出控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?～3000r/min變化。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用FROM，TO指令，其中FROM控制A/D輸入，TO控制D/A輸出，編程指令包含選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換通道和輸入輸出數(shù)據(jù)存放單元，設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換命令，輸出或讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果等。
五、上位機(jī)的編程
在Windows下用VB實(shí)現(xiàn)串行通信有兩種方法：一種為使用Windows應(yīng)用編程接口（API）。API提供了完備的應(yīng)用程序接口函數(shù)和中斷方式的通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（Comm.DRV）。另一種為使用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）。它包含了WindowsAPI中串行通信的16個(gè)函數(shù)所完成的功能，且含有使用戶設(shè)計(jì)方便的對(duì)象特性。本系統(tǒng)采用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）實(shí)現(xiàn)串行通信。MSComm控件的通信功能的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上是調(diào)用了API函數(shù)，API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳送給設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行的，對(duì)于VB開發(fā)者只需知道MSComm控制的屬性和事件的用法即可以實(shí)現(xiàn)串行口的通信操作。
上位機(jī)與PLC之間通信參數(shù)包含伺服電機(jī)速度、開停頻率等信息，所以必須要有一個(gè)標(biāo)識(shí)字節(jié)用于區(qū)分傳送信息的類型。同時(shí)考慮到傳輸中可能出錯(cuò)，再增加一個(gè)檢驗(yàn)字節(jié)。所以本文中兩機(jī)之間通訊協(xié)議為每傳一次含括5幀，它們分別是：
1、標(biāo)識(shí)字節(jié)，用于分辮所傳信息的種；2、所傳信息16位二進(jìn)制碼的低位字節(jié)；3、所傳信息16位二進(jìn)制碼的高位字節(jié)；4、校驗(yàn)字節(jié)，為前3個(gè)字節(jié)的異或值；5、結(jié)束位，表明此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
每一幀包括：1位起始位、8位有效數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位、1位停止位。
根據(jù)以上分析，本文成功設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制和工控機(jī)監(jiān)控的紡織專用細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某紡織廠的生產(chǎn)線中。工控機(jī)通過PLC串行通信監(jiān)測(cè)的伺服電機(jī)啟制動(dòng)時(shí)速度的變化曲線。2個(gè)月成功運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作可靠。
六、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制和工控機(jī)監(jiān)控的紡織專用細(xì)紗機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)利用差動(dòng)齒輪系和兩套伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的后輥?zhàn)铀俣茸兓l率可達(dá)500次/min，滿足了細(xì)紗機(jī)生產(chǎn)的需要。同時(shí)利用工控機(jī)通過串行通信對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測(cè)，運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作可靠。
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