PLC控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
無(wú)梭織機(jī)的主傳動(dòng)一般都采用高轉(zhuǎn)矩三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)三角皮帶和離合器來(lái)傳動(dòng)主軸和其它的機(jī)構(gòu)，變速時(shí)更換皮帶輪，停車(chē)時(shí)采用制動(dòng)裝置。傳統(tǒng)的織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)中離合器和剎車(chē)片的磨損以及皮帶的打滑都會(huì)使起停性能逐漸變差，需要定時(shí)更換維修;另外，使用交流異步電動(dòng)機(jī)織機(jī)只能通過(guò)更換皮帶輪實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。當(dāng)織機(jī)在慢速尋緯時(shí)還需專(zhuān)配一臺(tái)小電機(jī)帶動(dòng)相關(guān)機(jī)構(gòu)完成，從而增加了機(jī)械的復(fù)雜程度和維護(hù)難度。中低檔撓性劍桿織機(jī)的電控系統(tǒng)一般都采用電子元件或集成線(xiàn)路板與繼電器組成的電控系統(tǒng)。織機(jī)停車(chē)故障的引入信號(hào)主要為斷經(jīng)和斷緯，其中由壓電陶瓷傳感器引入的緯紗信號(hào)為連續(xù)模擬小信號(hào)，而上述電控系統(tǒng)是通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制的，不能對(duì)該模擬量進(jìn)行有效的運(yùn)算處理;在現(xiàn)場(chǎng)控制中，由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、機(jī)器振動(dòng)等干擾因素，使斷緯電信號(hào)檢測(cè)失誤，造成織機(jī)無(wú)故停車(chē)，直接影響到織造質(zhì)量和機(jī)器效率。
近年來(lái)比利時(shí)畢佳樂(lè)公司引入了一種新型交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)—開(kāi)關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM，稱(chēng)作Sumo馬達(dá))傳動(dòng)系統(tǒng)，該公司生產(chǎn)的無(wú)梭織機(jī)均將Sumo馬達(dá)作為織機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。由于該類(lèi)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、工作可靠、效率高，因此由其構(gòu)成的傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比普通的交流電動(dòng)機(jī)，甚至比晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)都好。Sumo馬達(dá)基于可調(diào)節(jié)磁阻技術(shù)，可直接啟動(dòng)織機(jī)，無(wú)需離合器和制動(dòng)裝置，有相當(dāng)快的響應(yīng)速度。
針對(duì)現(xiàn)有劍桿織機(jī)電控系統(tǒng)的上述缺陷，本文提出了一種利用可編程控制器系統(tǒng)取代原電子元件、集成線(xiàn)路板、繼電器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，使其性能得到進(jìn)一步的改善。

2 無(wú)梭織機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)控制要求
2.1 織機(jī)的啟動(dòng)
按下啟動(dòng)按鈕，能夠正常啟動(dòng)開(kāi)車(chē);織機(jī)正常開(kāi)車(chē)的前提條件是:左右墻板上安裝的光電安全裝置處無(wú)障礙物，找緯信號(hào)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，經(jīng)停、緯停裝置處于無(wú)斷經(jīng)、斷緯狀態(tài)，緊急停車(chē)按鈕釋放。
可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)操作。當(dāng)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)，劍桿織機(jī)劍頭動(dòng)程和速度大小由手控按鈕的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定。

2.2 織機(jī)的制動(dòng)
斷經(jīng)停車(chē):斷經(jīng)可能發(fā)生在織機(jī)的任何角度，其停車(chē)按圖1所示時(shí)序進(jìn)行。這里涉及到一個(gè)“剎車(chē)角”的概念，即剎車(chē)動(dòng)作開(kāi)始到織機(jī)完全剎停的角度，本課題的織機(jī)剎車(chē)角為90°(310°～40°)。當(dāng)檢測(cè)到斷經(jīng)發(fā)生時(shí)，織機(jī)一直運(yùn)行到310°時(shí)開(kāi)始剎車(chē)，40°時(shí)剎車(chē)動(dòng)作完成(此時(shí)織機(jī)負(fù)載最大，有利于剎車(chē))，然后再返回到320°綜平位置(有利于穿經(jīng))，至此斷經(jīng)定位停車(chē)動(dòng)作完成。

圖1 斷經(jīng)停車(chē)

斷緯停車(chē):斷緯一般發(fā)生在織機(jī)的引緯過(guò)程中，其停車(chē)按圖2所示時(shí)序進(jìn)行。在織機(jī)的90°—290°區(qū)域檢測(cè)緯紗狀態(tài)(正常時(shí)該區(qū)域內(nèi)有緯紗信號(hào)輸出)，織機(jī)一直運(yùn)行到310°時(shí)開(kāi)始剎車(chē)，40°時(shí)剎車(chē)動(dòng)作完成，然后再返回到前一緯的40°(開(kāi)口最大位置，有利于處理緯紗)，至此斷緯定位停車(chē)動(dòng)作完成。

圖2 斷緯停車(chē)

在織布達(dá)到預(yù)先設(shè)定的長(zhǎng)度后或當(dāng)遇到換班、臨時(shí)檢修等時(shí)，可使織機(jī)停于經(jīng)停位置;出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，按下停車(chē)按鈕使織機(jī)停車(chē)，此時(shí)停車(chē)位置不受主軸轉(zhuǎn)角的限制。

2.3 織機(jī)的調(diào)速
當(dāng)織制不同品種需要改變織機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，可以通過(guò)直接調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1 織機(jī)的選取
織機(jī)選用實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速300r/min。用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)取代原有的電機(jī)、皮帶輪、離合器和制動(dòng)器。
3.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)
試驗(yàn)選用國(guó)產(chǎn)的通用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率3kW，額定轉(zhuǎn)矩19.1N·M，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，轉(zhuǎn)速范圍30～2000r/min，輸出特性:恒轉(zhuǎn)矩(30～1500)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩28.6N·M，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩19.1N·M。
3.3 自動(dòng)尋緯功能的實(shí)現(xiàn)方案
傳統(tǒng)劍桿織機(jī)配備有輔助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由一功率較小的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使織機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當(dāng)經(jīng)停或緯停發(fā)生時(shí)，低速電機(jī)將以預(yù)定的方式驅(qū)動(dòng)織機(jī)的有關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行找斷緯和對(duì)織口等操作。在本系統(tǒng)中，由于主電動(dòng)機(jī)采用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，并由PLC進(jìn)行控制，調(diào)速方便。因此，省去原來(lái)的輔助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直接由主電機(jī)完成原來(lái)輔助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作。
其方案示意圖見(jiàn)圖3:

圖3 方案示意圖

在織機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，圖中4向左移動(dòng)和5嚙合，電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪3帶動(dòng)主軸、齒輪2帶動(dòng)開(kāi)口機(jī)構(gòu)等運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)需要做尋緯等慢速動(dòng)作時(shí)，控制器發(fā)出信號(hào)，圖3中4向右軸向移動(dòng)，于是4和5脫開(kāi)，主軸脫離電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪1、2只帶動(dòng)開(kāi)口等機(jī)構(gòu)慢速反轉(zhuǎn)。慢速反轉(zhuǎn)結(jié)束后，在正常開(kāi)車(chē)前，4再向左軸向移動(dòng)與5嚙合，從而再次帶動(dòng)主軸正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在織機(jī)正常啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，試驗(yàn)用齒輪模數(shù)為6，齒數(shù)分別為Z1=23、Z2=57、Z3=57，從電機(jī)到織機(jī)主軸的傳動(dòng)比為2.5。

3.4 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及選取
與傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制相比，PLC具有的主要優(yōu)勢(shì)為:可靠性高，邏輯功能強(qiáng)，體積小;采用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)，改變控制功能只需改變程序;PLC以繼電器邏輯梯形圖為編程語(yǔ)言，學(xué)習(xí)方便;抗干擾能力強(qiáng)，能夠在惡劣的環(huán)境下可靠運(yùn)作。現(xiàn)代PLC已經(jīng)成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最多的控制設(shè)備。從國(guó)內(nèi)紡機(jī)廠(chǎng)的生產(chǎn)狀況分析看，江蘇高淳、山西經(jīng)緯、無(wú)錫龍力等，均采用以PLC為核心并配以旋轉(zhuǎn)光電編碼器為檢測(cè)元件作為主要電控器件，既簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，減少故障點(diǎn)，又提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，得到了用戶(hù)肯定。這表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已趨成熟。
PLC的選取考慮兩個(gè)問(wèn)題:PLC的容量和選擇何家公司的PLC及外設(shè)。本系統(tǒng)包括以下輸入輸出點(diǎn)，見(jiàn)表1:
表1 I/O點(diǎn)數(shù)

本系統(tǒng)共包括24路開(kāi)關(guān)量，4路模擬量。因此選用松下電工的型號(hào)為FP1C40的PLC。其有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，另加一FP1-2D/A擴(kuò)展單元，擴(kuò)展單元可擴(kuò)展4個(gè)模擬點(diǎn)，可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)的要求。
FP1是松下電工的FP系列產(chǎn)品中一種功能很強(qiáng)的小型機(jī)，雖然其進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較晚，但由于設(shè)計(jì)上的獨(dú)到之處和優(yōu)良的控制功能，一經(jīng)推出就很受歡迎。FP1主控單元內(nèi)有高速計(jì)數(shù)器，可輸入高達(dá)10kHz的脈沖，并可同時(shí)輸入兩路脈沖。還可輸出頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)，具有8個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先權(quán)管理。通過(guò)主機(jī)上配有的RS-422或RS-232接口，可實(shí)現(xiàn)PLC和PC機(jī)之間的通信。FP1的硬件配置較全，主機(jī)可通過(guò)外接I/O擴(kuò)展單元(擴(kuò)展單元為一些擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)的模塊，由E8～E40系列組成)。FP1的智能單元主要有A/D、D/A模塊。當(dāng)需要對(duì)模擬量進(jìn)行測(cè)量和控制時(shí)，可以連接智能單元。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件程序的流程框圖如圖4所示:

圖4 系統(tǒng)軟件程序的流程

程序開(kāi)始首先選擇系統(tǒng)的運(yùn)行方式，即自動(dòng)還是點(diǎn)動(dòng)。選擇自動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，首先判斷緊急停車(chē)信號(hào)、安全信號(hào)、經(jīng)停、緯停、定長(zhǎng)和定位信號(hào)的狀態(tài)，如果上述信號(hào)都未接通，則PLC通過(guò)輸出繼電器向電機(jī)輸出正常啟動(dòng)所需要的電壓，織機(jī)在電機(jī)帶動(dòng)下迅速啟動(dòng)。如上述任一信號(hào)接通，則程序立即轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序。待子程序執(zhí)行完畢，相應(yīng)的信號(hào)復(fù)位后可重新開(kāi)車(chē)。
由此由主軸正常轉(zhuǎn)速400r/min，得電機(jī)正常轉(zhuǎn)速為400×2.5=1000r/min。在電機(jī)需要慢速倒轉(zhuǎn)帶動(dòng)開(kāi)口等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)候，同理可得電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該為30×2.5=75r/min。所選的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制由電位器的給定電壓來(lái)控制，向電位器給定正向電壓則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。電位器給定的電壓范圍為-10V～＋10V，對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)速?gòu)?2000n/m～＋2000n/m成比例變化。從PLC控制的角度看，所選用的松下FP1模擬量輸出電壓范圍為0～10V和0～5V兩檔，選擇第一檔，對(duì)正常啟動(dòng)時(shí)向電位器輸出5V電壓;對(duì)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出電壓0.375V。對(duì)于輸出負(fù)電壓則在接線(xiàn)時(shí)反結(jié)電位器即可。

5 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，得到如下結(jié)論:采用PLC控制，使主傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路大為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)運(yùn)行可靠;同時(shí)還可擴(kuò)展為整臺(tái)織機(jī)的控制器，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的協(xié)調(diào)工作，提高織機(jī)的自動(dòng)化程度。采用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速方便，省去了電磁離合器等零部件，當(dāng)織機(jī)在慢速運(yùn)轉(zhuǎn)和尋緯時(shí)無(wú)需專(zhuān)配小電機(jī)，由主電機(jī)直接帶動(dòng)主軸完成，降低了機(jī)械的復(fù)雜程度和維護(hù)難度，生產(chǎn)效率也同時(shí)提高。