基于PCC控制器的磨毛整理機電控系統(tǒng)設(shè)計

　　1前 言

　　目前國內(nèi)外染整設(shè)備技術(shù)發(fā)展總的趨勢是向環(huán)保、綠色、節(jié)能、低耗、高效、智能化方向發(fā)展。磨毛整理機的發(fā)展僅有幾十年的歷史。以德國、意大利為主的一些高檔超柔軟磨毛整理機誕生于上世紀90年代，到今天已經(jīng)形成了廣泛應(yīng)用計算機控制等高新技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，國內(nèi)磨毛機技術(shù)的進步也相當?shù)目欤乱淮ッ珯C研發(fā)于21世紀初，但到目前為止其技術(shù)水平和國際最先進磨毛機尚有一定差距 。國內(nèi)外磨毛機產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀對比分析如表1.1所示。

　　表1.1：國內(nèi)外磨毛機技術(shù)的研究開發(fā)現(xiàn)狀對比

　　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。但張力不能過大,否則織物強力下降也越多,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。織物保持恒定的張力可避免出現(xiàn)表面絨毛出現(xiàn)裂縫等瑕疵，所以在高速運行的磨毛機上，實現(xiàn)織物的實際張力保持恒定非常關(guān)鍵。

　　2磨毛機主要工作單元

　　圖2.1磨毛機主要工作單元構(gòu)成

　　(1)進布輥(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)速擴幅輥(10)不可調(diào)速擴幅輥

　　其中進布輥、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)速擴幅輥由變頻控制。不可調(diào)速擴幅輥跟隨可調(diào)速擴幅輥啟動、停止。

　　張力控制過程為：以織物張力為控制量，以導(dǎo)步輥轉(zhuǎn)動速度為控制量建立恒張力閉環(huán)控制子系統(tǒng)。PCC通過模擬輸入端口實時接收張力傳感器檢測回來的值，從而判斷各處張力大小，根據(jù)張力設(shè)定值，運用PCC內(nèi)部的PID控制算法，計算出伺服電機轉(zhuǎn)速變化量，通過高速脈沖輸出端口發(fā)送脈沖信號給伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，保證運行過程中系統(tǒng)張力恒定。

　　3電控系統(tǒng)框圖

　　本項目的電控系統(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個部分組成 。其系統(tǒng)控制框圖如圖3.1所示。

　　圖3.1 磨毛機電控系統(tǒng)總體框圖

　　本項目中電控系統(tǒng)設(shè)計的核心主要是保證織物在正常運行過程中的張力恒定，通過張力傳感器檢測和織物進布速度的閉環(huán)控制，用通訊方式同步，實現(xiàn)恒張力的實時控制以及多電機之間的同步協(xié)調(diào)運動。即采用多軸傳動張力控制系統(tǒng)，設(shè)計能夠反應(yīng)真實變化的張力采樣方式，在運行過程中織物的實時張力通過4個張力傳感器進行檢測，然后與設(shè)定的張力值進行比較， PCC內(nèi)部的PID模塊對實際張力進行自動調(diào)整，保證織物在運行過程中張力恒定。其觸摸屏采用的是B&R Power Panel 300 embedded，伺服電機采用的是B&R 8MS同步伺服電機。

　　4基于PCC的軟件框架設(shè)計

　　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”、“主從通訊”、“變頻器控制”、 “伺服電機控制”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。

　　4.1 PCC控制的軟件框架

　　開關(guān)量和4個伺服的控制程序及驅(qū)動程序等在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

　　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) 。

　　4.3.1 PID控制系統(tǒng)框圖

　　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--->AD--->張力數(shù)字量--->進入PID模塊，按照設(shè)定參數(shù)(比例系數(shù)、微分時間、積分時間等)通過PID計算---->調(diào)整后的張力值，將運算結(jié)果放到輸出通道。通過公式轉(zhuǎn)換計算出調(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)與實際輸出值S(t)之間的偏差e(t)來進行控制的。將偏差的比例 (P)，積分(I)，和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進行控制 。

　　PID控制算法的基本運算式如下：

　　將各變量用數(shù)字量表示，公式如下：

　　在張力控制中，綜合考慮PCC的運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次伺服電機輸出脈沖頻率，控制伺服電機的速度。SK-1 為上一次脈沖輸出頻率值。

　　△ek為實際輸出的脈沖數(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)。

　　實際調(diào)試過程可對Kp,Ki,Kd進行調(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，通過模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，之后可以先進行張力預(yù)緊，使運行前各張力達到設(shè)定值的70%左右，以免全機啟動后張力立即松掉。

　　全機啟動后，伺服和變頻控制系統(tǒng)由0開始加速運轉(zhuǎn)，進行加速過程中張力的實時控制。在加速15s后系統(tǒng)進入勻速運轉(zhuǎn)階段，此時，加速張力控制關(guān)閉，開啟勻速狀態(tài)張力控制來實現(xiàn)勻速狀態(tài)下張力的實時控制。在勻速狀態(tài)改變設(shè)定值，就進入加速或減速狀態(tài)，時間為5s。張力控制采用傳統(tǒng)的PID控制。全機停止時，開啟減速張力控制，直到機器停止。

　　5 結(jié)束語

　　本設(shè)計主要從控制系統(tǒng)工作原理、硬件結(jié)構(gòu)及軟件模塊設(shè)計等方面探討了磨毛整理機電控系統(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，使磨毛機運行過程中各張力值更加穩(wěn)定。實現(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。織物經(jīng)磨毛機加工后，手感柔軟滑爽，絨毛短勻，有的織物可達到觀之無毛摸之柔爽的效果，極大的提高了織物的附加值。