基于PLC控制的SAURER400织机送经卷取伺服系统

　　摘要：本文以瑞士SAURER400型剑杆织机为研究对象，在此基础上采用PLC、伺服电机和触摸屏来控制织机的送经卷取，设计了一套精度高、性能稳定的电子控制系统。实验结果表明，此控制系统加强了织机的工作稳定性和可靠性，提高了织机的控制精度和织造效率，降低了织机停开车稀密路并减少了纱线断头，同时也使织机更加现代化。

        目前，国内有很大一部分无梭织机为机械式送经卷取控制系统。事实表明，机械式送经卷取使得织机结构复杂，控制精度低、滞后严重，柔性差。随着现代控制技术的发展以及现代控制器件的出现，剑杆织机电子送经卷取将逐步取代机械式送经卷取。目前，国内电子送经巻取系统一般采用工控机或单片机等作为主控制器。工控机功能强大，控制效果好，但其体积较大而且价格昂贵，也不适于集散控制系统。单片机等控制器的成本较低，生产制造容易，但是稳定性、可靠性和抗*力较差，维护费用较高。而国外的电子送经控制系统一般集成在整个织机控制器中，于织造特定布匹的织机上，柔性较差，而且对用户来讲成本也非常高。　
　
　　1、SAURER400工作原理
　　
　　经纬纱线在织机上交织的整个过程，是通过5大运动实现的，即开口运动、引纬运动、打纬运动、送经运动、卷取运动，每个运动都要完成特定的功能。本文主要研究送经卷取对经纱张力的影响。剑杆织机送经和卷取运动要确保整个织造生产过程持续进行。送经、卷取系统根据纬密的高低从经轴上送出相应长度的经纱，同时及时地将已经织成的织物引离织口并卷成一定形式的卷装。同时系统还要对经纱张力进行动态控制。张力是影响织物质量的一个重要因素，张力过小，会造成开口不清，影响引纬；张力过大，经纱容易疲劳，易造成断裂。剑杆织机的5大运动都会对张力产生影响，而送经和卷取运动是控制张力的重要环节。为实现以上两方面的功能，本文设计采用了交流伺服电机作为送经卷取电机，并在后梁和调节弹簧之间安装了压力传感器。根据纬密和压力传感器测量的平均值可以实时调节送经电机转动量；根据纬密可以计算送经电机基本速度和卷取电机转速。在主轴上还安装一个编码器实现织机主运动和送经卷取控制系统的同步。本设计所采用的编码器精度为1000线，电子送经卷取机构原理示意图如图1所示。　　　　
　　2、控制系统硬件设计
　　
　　2.1可编程控制器的选取
　　
　　根据设计要求，考虑到机器的稳定性，本设计采用高稳定性和抗*力强的控制器件PLC作为织机送经卷取的核心控制器。目前，几乎所有PLC均支持通过RS-232和RS-485等标准的串口通信接口进行通信。本文选用罗克韦尔公司MicroLogix1500PLC作为核心控制器，它给用户提供两个RS-232通信接口，分别为8针非隔离型和9针隔离型可实现有协议通信和RS-232无协议通信。使用的通信模块，可以通过以太网、DH-485、ControlAreaNet等网络通信。由于PLC具有两组通讯口，因此PLC与触摸屏、伺服驱动器之间的通讯非常方便。
　　
　　2.2伺服电机及其驱动器的选取
　　
　　伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。本文选用德国BOB公司生产的BD18型交流伺服电机，扭矩为4Nm，转速为3000r/min，输入电压为3PH200~230V，频率为50/60Hz，输出电流为5.0A。
　　
　　驱动器采用BERGERLAHR公司生产的WDP3-SERVOTEX型伺服电机驱动器，此驱动器通过上位控制器PLC发送的脉冲序列来控制伺服电机的转速和位置.。其工作原理简单概括为：伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
　　
　　2.3人机界面的选取
　　
　　人机界面将采用触摸屏来完成整个控制系统的参数设定、参数显示以及系统监控。本设计选用HITECH公司PWS1711系列触摸屏，此触摸屏的通讯接口包括COM1（RS232、RS485）和COM2（RS232、RS422、RS485）。其中RS232口用于PC机通讯，RS422口用于PLC通讯。
　　
　　2.4系统硬件结构框图及电路图
　　
　　本文设计的电子送经卷取控制系统选用一台触摸屏、一台PLC、两台伺服驱动器、两台伺服电机、两台减速器、一个编码器、一个张力传感器以及SAUR原ER400型剑杆织机一台。具体的控制系统硬件结构框图如图2所示。　　　　
　　本文所设计的电子送经卷取控制系统电源输入端为交流三相380V，首先要经过变压器，其输出电压为交流三相220V。变压器输出电源分为两部分：一部分供给送经驱动器和卷取驱动器，然后分别带动送经和卷取伺服电机运转；另一部分经过AC-DC开关电源输出直流24V电压，给控制系统供电。具体的控制系统硬件电路简图如图3所示。　　　　
　　3、控制系统软件设计
　　
　　3.1PLC编程
　　
　　PLCzui常用的编程语言是梯形图和指令语句表语言，且两者常常联合使用.本文采用ABPLCMi原croLogix1500编程软件进行程序编制，编写程序时要结合触摸屏画面的设计进行考虑。其主程序流程图如
　　
　　图4所示。　　　　
　　3.2人机界面设计
　　
　　触摸屏的画面在其支持软件上制作，通过软件工具库的工具调用以及相关项的设定或通过宏定义可设计出所需画面。这些画面从个人电脑传送到触摸屏即可使用，而触摸屏与PLC通过RS-422通信电缆连接可实现信息互通。在画面的设计调试过程中，也可从触摸屏上传画面到计算机对画面进行修改。
　　
　　为了使触摸屏显示控制所要的界面，本文采用了HITECH公司自己开发设计的ADP3.0图形终端显示屏幕专业软件包进行编程.它的窗口界面直观形象，功能完善，可以方便地读取和写入PLC端口及其存储器的数据.人机对话界面是用户设定工艺参数的关键，在系统中共有5组主菜单，分别为“首页画面”、“系统管理”、“参数设定”、“状态显示”、“帮助信息”.其中，“首页画面”显示设备的名称及型号等相关的信息；“系统管理”是出于工艺保密性和系统安全性而设置的口令体系，以防止非法操作；“参数设定”包括送经和卷曲的速度、经纱张力、关车方式选择；“状态显示”是显示机器运行时各个伺服电机驱动器的频率变化和故障报警信息；“帮助信息”是用于帮助用户解决问题的，它包括触摸屏维护、参数说明、操作注意事项等。选择这组菜单，还可得到“报警信息”的解决方法。
　　
　　本文以首页界面的设计为例，在PC上创建一个首页画面，利用工具库中ScreenDrawing工具，制作出系统管理、参数设定、状态显示、帮助信息、开车、停车界面，而且有相应的触摸按钮，可用字符串对按钮进行标注和说明。用户按相应的按钮就可以切换到相应的画面，再作进一步的操作.首页界面设计如图5所示。　　　　
　　3.3PLC与伺服驱动器通信方式的设置
　　
　　实现PLC与伺服驱动器的通信能够实时准确获取电机的状态信息及在线修改伺服电机的参数设置，以便能更直接、简便地控制伺服电机，同时为人机界面提供实时的电机状态数据。为了保证PLC与交流伺服驱动器的正常通信，除了要了解通信协议外，还必须正确设定其通信方式，即采用统一的波特率、起始位、数振位、停止位和奇偶校验位，据此建立双方通信的应答信号。
　　
　　4、实验结果及分析
　　
　　实验过程中，设定实验条件为：试样采用平纹毛/涤织物，经纬纱线密度均为58.3tex，经纬向密度均为18根/cm，织机幅宽为176mm，主轴转速为320r/min，温度为28益，相对湿度为65%。本文采用的张力传感器输出电压为0~10V（即0~10000mV），zui大量程为100kg，经纱张力大小在显示屏上以电压值（mV）来表示。将电压值转换为经纱张力值，张力传感器输出电压的zui大值10000mV对应传感器的zui大量程100kg，再根据牛顿公式F=mg算得zui大经纱张力为980N.因此，在显示屏上设定的电压值5500mV转换为经纱张力值大小是539N。采集的实验数据如表1所示。
　　　　
　　由实验数据可知，当纬密在14.9~21.0根/cm范围之间变化时，经纱张力下限的平均值为524.3N，经纱张力上限的平均值为553.8N，再根据经纱张力设定值539N可计算出经纱张力的控制精度为依2.7%.当纬密在12.0~24.0根/cm范围之间变化时，经纱张力下限的平均值为603.5N，经纱张力上限的平均值为652.5N。很明显，经纱张力波动远远超出所设定的张力值。因此可得出结论，当纬密小于等于经纱密度的1.2倍时，纬密的设定值与实际值非常接近，而且此条件下的张力控制精度很高（即张力波动范围很小）；当纬密大于经纱密度的1.2倍时，纬密的设定值与实际值相差很大，而且此条件下的张力波动范围也非常大。所以，只有保证织机的纬密小于等于经纱密度的1.2倍，该织机才具有良好的制造效果，这样既可以保证布匹的质量，同时又能提高生产效率。
　　
　　5、结论
　　
　　（1）电子送经卷取系统采用两套独立的传动源，减少了相互间的干扰，这使得经纱张力检测更加准确、控制精度更高，而且电子送经卷取的纬密设置非常方便。
　　
　　（2）采用PLC作为织机送经卷取的核心控制器，使得织机的工作稳定性和可靠性均有了很好的改善；人机界面采用触摸屏，使得参数设定和在线修改参数更加方便，从而使控制系统更加人性化。
　　
　　（3）对伺服系统的参数调整实质上是对伺服控制系统中各个参数值的确定，由于各个参数之间的关系很复杂，需要不断的试验，找到*的组合，才能充分发挥伺服电机的高性能，才能满足更的送经卷取要求。