系統概述
粗紗工序是紡制細紗前的準備工序，主要包括以下四個主要工序：
(1).牽伸（羅拉）:進行5~12倍的牽伸，分擔細紗機的牽伸比。
(2).加捻（錠翼）:給牽伸后的須條加上適當捻度，使紗具有一定的強度。
(3).卷繞（筒管）:將加捻后的粗紗卷繞在筒管上，便于貯存、搬運。
(4).成形（龍筋）:卷繞成兩端成錐形的粗紗，便于細紗機的退繞喂入。
近年來，隨著電力電子與自動化技術在各行業的廣泛應用與深入普及，為滿足進一步提高紡機競爭力的內在要求，實現粗紗機高速、高效、高度機電一體化已是國內外粗紗機發展的必然趨勢。代表當今最高技術的新型粗紗機的傳動系統結構見圖1所示，整機采用四臺變頻控制的電機分別來實現粗紗的牽伸、加捻、卷繞、成型工序。
圖1 四電機粗紗機傳動原理圖
方案原理圖
圖2 四電機粗紗機傳動方案原理圖
在四電機傳動粗紗機的控制系統中，采用Unity Premium PLC(TSX P57 0244M)作為控制器, 進行粗紗機工藝數學模型的計算和速度閉環和張力閉環控制。四臺施耐德電氣公司的高性能、高精度ATV71變頻器分別控制羅拉電機、錠翼電機、筒管電機及龍筋電機，以實現粗紗機的牽伸、加捻、卷繞成形等工藝要求。同時配Magelis XBT-G 10.4” 彩色STN觸摸屏(XBT G5230)進行操作和系統監控。整個系統通過Unity Premium PLC和ATV71組成通訊速率高達1M的CANopen現場總線。
Premium+ATV71+XBTG方案硬件配置
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Premium PLC部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| TSXP570244M |
Unity Premium 570x4 CPU，帶CAN Master通信擴展卡 |
1 |
| TSXPSY2600M |
電源，110/220 VAC 26W |
1 |
| TSXRKY8 Premium |
機架，8 槽 |
1 |
| TSXDEY16D2 |
開關量輸入，16 點，24 VDC，移動端子塊 |
2 |
| TSXDSY16R5 |
開關量輸出，16 點，3A 24 VDC, 24-240 VAC 繼電器，移動端子塊 |
2 |
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ATV71變頻器部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| ATV71HU15N4Z |
3P 380VAC, 1.5KW,簡易面板,內置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HU30N4Z |
3P 380VAC, 3KW,簡易面板,內置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HU55N4Z |
3P 380VAC, 5.5KW,簡易面板,內置EMC濾波器 |
1 |
| ATV71HD11N4Z |
3P 380VAC, 11KW,簡易面板,內置EMC濾波器 |
1 |
| VW3A3401 |
編碼器接口卡 5V RS 422 |
4 |
| VW3A110 |
遠程圖形顯示終端 |
1 |
| VW3CANTAP2 |
CANopen 適配器 |
2 |
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XBTG人機界面部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| XBTG5230 |
10.4英寸, 64色,STN, 8M內存, CPU主頻100M,以太網接口 |
1 |
| XBTZ968 |
PLC連接電纜, Twido, Micro |
1 |
控制特點
控制器：Premium PLC完成數學模型計算、邏輯控制、張力閉環及CANopen通訊，系統穩定可靠，編程簡單。
為保證粗紗質量，四臺電機的調速和同步控制要求數據刷新速度至少為50ms，通過Unity Premium PLC和ATV71組成CANopen現場總線，應用Unity Premium PLC的高效的數據處理能力和處理速度，以及CANopen總線高速傳輸和周期性、同步數據交換功能，可以很好地滿足四電機傳動粗紗機的實時調速及同步要求。
速度環：4臺ATV71（采用編碼器反饋的矢量控制模式），由ATV71自身完成。
ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現代控制理論矢量控制技術的具有高性能和強大功能的全系列變頻器，功率范圍0.37～500KW，頻率范圍0～1000Hz(≤37KW)，0～500Hz (>37KW)；調速范圍1～100(開環)，1～1000(閉環)；調速精度為10%(開環)， 0.01%(閉環)；過力矩能力為170%60s或220%2s。具有開環/閉環切換、擺頻功能、給定值存儲、PID調節以及各種保護等先進功能；集成EMC A級濾波器；無傳感器電機控制；內置可編程控制卡。在四電機傳動粗紗機控制系統中，ATV71采用電流矢量閉環控制模式，可以實現零速度下滿力矩，滿足了粗紗機對低頻傳動的特定要求。
張力環：通過CCD反饋，由Premium PLC完成。
通過CCD反饋檢測粗紗張力的變化，應用Premium PLC的PID函數功能，對四臺變頻器之間的速度比進行實時修正，能有效克服由于溫度、濕度及紗線品質不一致引起的張力波動，達到恒張力紡紗的目的。
高速通信：速率高達1M的CANopen總線。
CANopen總線是基于CAN BUS的高層協議，秉承了CAN總線的抗干擾性強、高速、實時的優點，另外CANopen應用PDO、SDO、NMT等通訊對象，方便了總線的管理和應用。CANopen應用于四電機的粗紗機，可確保四電機之間速度的同步。
緊密紡細紗機控制系統方案
系統概述
細紗工序是成紗的最后一道工序，是將粗紗進一步牽伸30～50倍并加捻，紡成具有一定特數、符合相關質量標準的細紗，供捻線、機織或針織使用。傳統細紗機的牽伸原理與粗紗機基本相同，而卷繞和加捻則是由鋼領和鋼絲圈來完成的。環錠細紗機和傳統粗紗機一樣由一臺電機傳動，通過齒輪箱變換各機構需要的速度。在環錠細紗機各組成部分中，牽伸系統是反映細紗機性能和影響紗線質量的最關鍵因素，而新型的緊密紡紗技術通過對牽伸部分進行創造性改造，將牽伸區和集合區分離，在環錠紡羅拉牽伸與加捻之間疊加對纖維須條的氣動凝聚或集聚技術，增加了須條的緊密度，毛羽減少約20％，強力則提高約10％，同時，條干均勻度、機器效率等也有不同程度的提高，不僅可以降低加工成本，同時可以減少后加工工序。緊密紡的另一優點是與原細紗機完全一致，只多出一對集聚羅拉，在原環錠細紗機上也可進行改裝，具有廣闊的市場前景。
緊密紡細紗機的控制系統較環錠細紗機復雜許多，首先是前后羅拉的嚴格同步，實現牽伸倍數和捻度的精密控制，保證高支數紗線的成紗質量；其次是通過取消鋼領板的傳動齒輪，采用先進的伺服控制技術實現卷裝的電子成形技術，從而實現了機械機構的簡化、生產速度的提高、以及紗線支數和管紗成形的自動調節。
方案原理圖
圖1 緊密紡細紗機傳動方案原理圖
在緊密紡細紗機的控制系統，采用了三套施耐德電氣公司的Twin Line系列伺服驅動系統和無刷伺服電機，分別控制前、后羅拉以及鋼領板；采用1臺ATV71變頻器控制主傳動電機，采用1臺ATV31變頻器控制風機；整個系統采用Micro PLC控制，Micro PLC與變頻器及伺服間采用高速CANopen總線進行通訊，同時采用XBT-G 5.7”黑白觸摸屏進行系統操作和監控。
Micro+ATV71+ATV31+TWLIN+XBTG方案硬件配置
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Micro PLC部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| TSX3722101 |
TSX37-22本體，24V直流電源 |
1 |
| TSXDMZ28DT |
開關量混合，16 點輸入/12 點輸出，固態，螺絲端子塊 |
1 |
| TSXDEZ12D2 |
開關量輸入，12 點，24 VDC，螺絲端子塊，半高 |
3 |
| TSXDSZ08R5 |
開關量輸出，8 點，繼電器，螺絲端子塊，半高 |
1 |
| TSXMFP032P |
Flash EPROM卡，32K |
1 |
| TSXCPP110 |
CANopen Card |
1 |
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ATV變頻器部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| ATV71HD55N4 |
3P 380VAC, 55KW,中文面板,內置EMC濾波器,內置電抗器 |
1 |
| ATV71HD15N4 |
3P 380VAC, 15KW,中文面板,內置EMC濾波 |
1 |
| ATV31HU75N4A |
3P 380VAC, 7.5KW, 亞洲版 |
1 |
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伺服驅動部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| TLC6382F322141 |
TLC6,CAN總線，RS422編碼器接入 |
1 |
| TLC6382D312141 |
TLC6,CAN總線，RS422編碼器接入 |
1 |
| SER3BD4L7SSOA48 |
SER伺服電機，帶8:1減速機 |
1 |
| SER3BD4L5DSOA38 |
SER伺服電機，帶8:1減速機 |
1 |
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人機界面HMI部分 |
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| 型號 |
說明 |
數量 |
| XBTG2110 |
5.7英寸, 藍屏, 4M內存, CPU主頻100M |
1 |
| XBTZ968 |
PLC連接電纜, Twido,Micro |
1 |
控制特點
控制器：由Micro PLC實現整機的邏輯控制和參數計算，實現整機的最優控制。
Micro系列PLC是施耐德電氣公司推出的具有強大處理能力和較大的存儲空間的中小型PLC(I/O點最多256點)。通過Micro PLC準確的運算和高精度的模擬量輸出，控制Twin Line系列伺服系統，可以實現緊密紡細紗機所要求的前、后羅拉精密同步、以及鋼領板電子成形；Micro PLC的內存擴展功能也為緊密紡細紗機控制所需的大容量數據存儲區提供了有力的保障。
人機界面：由觸摸屏XBTG HMI實現紡紗參數的設定、顯示和故障監控。
錠子和羅拉的變頻調速（ATV71）
錠子利用變頻器的多段速功能很好地滿足了細紗的工藝要求,前后羅拉通過ATV71進行嚴格速度同步，實現對粗紗的精密牽伸。其主要優勢在于能夠根據落紗大、中、小紗的張力變化，實現自動無級變速，優化紡紗條件，以盡可能地保持紡紗各階段的張力穩定，對進一步降低斷頭，減少毛羽，實現優質高產，降低能耗和減輕值車工勞動強度都將起到積極作用。
ATV71系列變頻器是施耐德電氣公司推出的基于現代控制理論矢量控制技術的具有高性能和強大功能的全系列變頻器。調速范圍1～100(開環)，1～1000(閉環)；調速精度為10%(開環)， 0.01%(閉環)；過力矩能力為170%60s或220%2s。集成EMC A級濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業現場總線。
風機的變頻調速（ATV31）: ATV31系列變頻器具有可靠性高、結構緊湊、便于使用等特點，內置A級EMC濾波器，集成了Modbus和CANopen兩種工業現場總線。
圖2 緊密紡細紗機錠子的多段速
細紗的成形：由伺服控制鋼領板升降。
應用伺服控制器的電子凸輪功能， 預先下載兩條曲線至伺服驅動器，在機器啟動后，伺服接受信號輸入啟動凸輪曲線后兩條曲線交替切換工作。用戶可從人機界面上輸入相關參數，然后通過通訊傳到伺服相關參數可以修正曲線以適應不同的產品需求。關于停電后恢復生產的功能，電子凸輪提供實時讀取當前主軸位置的功能，TLC6的內存區內可以提供若干斷電記憶的變量區間，我們利用這些功能將斷電前瞬間的位置記住，在恢復電源之后重新進行生產過程。
圖3 鋼領板升降電子凸輪曲線
自動落紗:由位置型伺服實現細紗的高速、精準、全自動落紗。
應用伺服控制器的(位置型) 點到點精確定位，同時應用伺服控制器的內置編程功能實現停電時的位置記憶。
現場總線通訊：速率高達1M的CANopen總線。
CANopen總線是基于CAN BUS的高層協議，秉承了CAN總線的抗干擾性強、高速、實時的優點，另外CANopen應用PDO、SDO、NMT等通訊對象，方便了總線的管理和應用。施耐德的ATV31、ATV71及伺服系統TWLIN均內置了CANopen，因此，將CANopen應用于多電機傳動的緊密紡細紗機，不僅可獲得高性能的總線通訊，而且非常經濟。
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