四电机传动粗纱机控制系统方案

系统概述
粗纱工序是纺制细纱前的准备工序，主要包括以下四个主要工序：
(1).牵伸（罗拉）:进行5~12倍的牵伸，分担细纱机的牵伸比。
(2).加捻（锭翼）:给牵伸后的须条加上适当捻度，使纱具有一定的强度。
(3).卷绕（筒管）:将加捻后的粗纱卷绕在筒管上，便于贮存、搬运。
(4).成形（龙筋）:卷绕成两端成锥形的粗纱，便于细纱机的退绕喂入。

近年来，随着电力电子与自动化技术在各行业的广泛应用与深入普及，为满足进一步提高纺机竞争力的内在要求，实现粗纱机高速、高效、高度机电一体化已是国内外粗纱机发展的必然趋势。代表当今最高技术的新型粗纱机的传动系统结构见图1所示，整机采用四台变频控制的电机分别来实现粗纱的牵伸、加捻、卷绕、成型工序。

图1　四电机粗纱机传动原理图

方案原理图

图2　四电机粗纱机传动方案原理图

在四电机传动粗纱机的控制系统中，采用Unity Premium PLC(TSX P57 0244M)作为控制器, 进行粗纱机工艺数学模型的计算和速度闭环和张力闭环控制。四台施耐德电气公司的高性能、高精度ATV71变频器分别控制罗拉电机、锭翼电机、筒管电机及龙筋电机，以实现粗纱机的牵伸、加捻、卷绕成形等工艺要求。同时配Magelis XBT-G 10.4” 彩色STN触摸屏(XBT G5230)进行操作和系统监控。整个系统通过Unity Premium PLC和ATV71组成通讯速率高达1M的CANopen现场总线。

Premium+ATV71+XBTG方案硬件配置

	Premium PLC部分
型号	说明	数量
TSXP570244M	Unity Premium 570x4 CPU，带CAN Master通信扩展卡	1
TSXPSY2600M	电源，110/220 VAC 26W	1
TSXRKY8 Premium	机架，8 槽	1
TSXDEY16D2	开关量输入，16 点，24 VDC，移动端子块	2
TSXDSY16R5	开关量输出，16 点，3A 24 VDC, 24-240 VAC 继电器，移动端子块	2
	ATV71变频器部分
型号	说明	数量
ATV71HU15N4Z	3P 380VAC, 1.5KW,简易面板,内置EMC滤波器	1
ATV71HU30N4Z	3P 380VAC, 3KW,简易面板,内置EMC滤波器	1
ATV71HU55N4Z	3P 380VAC, 5.5KW,简易面板,内置EMC滤波器	1
ATV71HD11N4Z	3P 380VAC, 11KW,简易面板,内置EMC滤波器	1
VW3A3401	编码器接口卡 5V RS 422	4
VW3A110	远程图形显示终端	1
VW3CANTAP2	CANopen 适配器	2
	XBTG人机界面部分
型号	说明	数量
XBTG5230	10.4英寸, 64色,STN, 8M内存, CPU主频100M,以太网接口	1
XBTZ968	PLC连接电缆, Twido, Micro	1

控制特点

控制器：Premium PLC完成数学模型计算、逻辑控制、张力闭环及CANopen通讯，系统稳定可靠，编程简单。
为保证粗纱质量，四台电机的调速和同步控制要求数据刷新速度至少为50ms，通过Unity Premium PLC和ATV71组成CANopen现场总线，应用Unity Premium PLC的高效的数据处理能力和处理速度，以及CANopen总线高速传输和周期性、同步数据交换功能，可以很好地满足四电机传动粗纱机的实时调速及同步要求。

速度环：4台ATV71（采用编码器反馈的矢量控制模式），由ATV71自身完成。
ATV71系列变频器是施耐德电气公司推出的基于现代控制理论矢量控制技术的具有高性能和强大功能的全系列变频器，功率范围0.37～500KW，频率范围0～1000Hz(≤37KW)，0～500Hz (>37KW)；调速范围1～100(开环)，1～1000(闭环)；调速精度为10%(开环)， 0.01%(闭环)；过力矩能力为170%60s或220%2s。具有开环/闭环切换、摆频功能、给定值存储、PID调节以及各种保护等先进功能；集成EMC A级滤波器；无传感器电机控制；内置可编程控制卡。在四电机传动粗纱机控制系统中，ATV71采用电流矢量闭环控制模式，可以实现零速度下满力矩，满足了粗纱机对低频传动的特定要求。

张力环：通过CCD反馈，由Premium PLC完成。
通过CCD反馈检测粗纱张力的变化，应用Premium PLC的PID函数功能，对四台变频器之间的速度比进行实时修正，能有效克服由于温度、湿度及纱线品质不一致引起的张力波动，达到恒张力纺纱的目的。

高速通信：速率高达1M的CANopen总线。
CANopen总线是基于CAN BUS的高层协议，秉承了CAN总线的抗干扰性强、高速、实时的优点，另外CANopen应用PDO、SDO、NMT等通讯对象，方便了总线的管理和应用。CANopen应用于四电机的粗纱机，可确保四电机之间速度的同步。


紧密纺细纱机控制系统方案

系统概述
细纱工序是成纱的最后一道工序，是将粗纱进一步牵伸30～50倍并加捻，纺成具有一定特数、符合相关质量标准的细纱，供捻线、机织或针织使用。传统细纱机的牵伸原理与粗纱机基本相同，而卷绕和加捻则是由钢领和钢丝圈来完成的。环锭细纱机和传统粗纱机一样由一台电机传动，通过齿轮箱变换各机构需要的速度。在环锭细纱机各组成部分中，牵伸系统是反映细纱机性能和影响纱线质量的最关键因素，而新型的紧密纺纱技术通过对牵伸部分进行创造性改造，将牵伸区和集合区分离，在环锭纺罗拉牵伸与加捻之间叠加对纤维须条的气动凝聚或集聚技术，增加了须条的紧密度，毛羽减少约20％，强力则提高约10％，同时，条干均匀度、机器效率等也有不同程度的提高，不仅可以降低加工成本，同时可以减少后加工工序。紧密纺的另一优点是与原细纱机完全一致，只多出一对集聚罗拉，在原环锭细纱机上也可进行改装，具有广阔的市场前景。

紧密纺细纱机的控制系统较环锭细纱机复杂许多，首先是前后罗拉的严格同步，实现牵伸倍数和捻度的精密控制，保证高支数纱线的成纱质量；其次是通过取消钢领板的传动齿轮，采用先进的伺服控制技术实现卷装的电子成形技术，从而实现了机械机构的简化、生产速度的提高、以及纱线支数和管纱成形的自动调节。

方案原理图

图1　紧密纺细纱机传动方案原理图

在紧密纺细纱机的控制系统，采用了三套施耐德电气公司的Twin Line系列伺服驱动系统和无刷伺服电机，分别控制前、后罗拉以及钢领板；采用1台ATV71变频器控制主传动电机，采用1台ATV31变频器控制风机；整个系统采用Micro PLC控制，Micro PLC与变频器及伺服间采用高速CANopen总线进行通讯，同时采用XBT-G 5.7”黑白触摸屏进行系统操作和监控。

Micro+ATV71+ATV31+TWLIN+XBTG方案硬件配置

	Micro PLC部分
型号	说明	数量
TSX3722101	TSX37-22本体，24V直流电源	1
TSXDMZ28DT	开关量混合，16 点输入/12 点输出，固态，螺丝端子块	1
TSXDEZ12D2	开关量输入，12 点，24 VDC，螺丝端子块，半高	3
TSXDSZ08R5	开关量输出，8 点，继电器，螺丝端子块，半高	1
TSXMFP032P	Flash EPROM卡，32K	1
TSXCPP110	CANopen Card	1
	ATV变频器部分
型号	说明	数量
ATV71HD55N4	3P 380VAC, 55KW,中文面板,内置EMC滤波器,内置电抗器	1
ATV71HD15N4	3P 380VAC, 15KW,中文面板,内置EMC滤波	1
ATV31HU75N4A	3P 380VAC, 7.5KW, 亚洲版	1
	伺服驱动部分
型号	说明	数量
TLC6382F322141	TLC6,CAN总线，RS422编码器接入	1
TLC6382D312141	TLC6,CAN总线，RS422编码器接入	1
SER3BD4L7SSOA48	SER伺服电机，带8:1减速机	1
SER3BD4L5DSOA38	SER伺服电机，带8:1减速机	1
	人机界面HMI部分
型号	说明	数量
XBTG2110	5.7英寸, 蓝屏, 4M内存, CPU主频100M	1
XBTZ968	PLC连接电缆, Twido,Micro	1

控制特点

控制器：由Micro PLC实现整机的逻辑控制和参数计算，实现整机的最优控制。
Micro系列PLC是施耐德电气公司推出的具有强大处理能力和较大的存储空间的中小型PLC(I/O点最多256点)。通过Micro PLC准确的运算和高精度的模拟量输出，控制Twin Line系列伺服系统，可以实现紧密纺细纱机所要求的前、后罗拉精密同步、以及钢领板电子成形；Micro PLC的内存扩展功能也为紧密纺细纱机控制所需的大容量数据存储区提供了有力的保障。

人机界面：由触摸屏XBTG HMI实现纺纱参数的设定、显示和故障监控。

锭子和罗拉的变频调速（ATV71）
锭子利用变频器的多段速功能很好地满足了细纱的工艺要求,前后罗拉通过ATV71进行严格速度同步，实现对粗纱的精密牵伸。其主要优势在于能够根据落纱大、中、小纱的张力变化，实现自动无级变速，优化纺纱条件，以尽可能地保持纺纱各阶段的张力稳定，对进一步降低断头，减少毛羽，实现优质高产，降低能耗和减轻值车工劳动强度都将起到积极作用。

ATV71系列变频器是施耐德电气公司推出的基于现代控制理论矢量控制技术的具有高性能和强大功能的全系列变频器。调速范围1～100(开环)，1～1000(闭环)；调速精度为10%(开环)， 0.01%(闭环)；过力矩能力为170%60s或220%2s。集成EMC A级滤波器，集成了Modbus和CANopen两种工业现场总线。
风机的变频调速（ATV31）: ATV31系列变频器具有可靠性高、结构紧凑、便于使用等特点，内置A级EMC滤波器，集成了Modbus和CANopen两种工业现场总线。

图2　紧密纺细纱机锭子的多段速

细纱的成形：由伺服控制钢领板升降。
应用伺服控制器的电子凸轮功能， 预先下载两条曲线至伺服驱动器，在机器启动后，伺服接受信号输入启动凸轮曲线后两条曲线交替切换工作。用户可从人机界面上输入相关参数，然后通过通讯传到伺服相关参数可以修正曲线以适应不同的产品需求。关于停电后恢复生产的功能，电子凸轮提供实时读取当前主轴位置的功能，TLC6的内存区内可以提供若干断电记忆的变量区间，我们利用这些功能将断电前瞬间的位置记住，在恢复电源之后重新进行生产过程。

图3 钢领板升降电子凸轮曲线　

自动落纱:由位置型伺服实现细纱的高速、精准、全自动落纱。
应用伺服控制器的(位置型) 点到点精确定位，同时应用伺服控制器的内置编程功能实现停电时的位置记忆。

现场总线通讯：速率高达1M的CANopen总线。
CANopen总线是基于CAN BUS的高层协议，秉承了CAN总线的抗干扰性强、高速、实时的优点，另外CANopen应用PDO、SDO、NMT等通讯对象，方便了总线的管理和应用。施耐德的ATV31、ATV71及伺服系统TWLIN均内置了CANopen，因此，将CANopen应用于多电机传动的紧密纺细纱机，不仅可获得高性能的总线通讯，而且非常经济。