花式捻線機(jī)控制器的智能化

摘要：花式捻線機(jī)構(gòu)的工藝控制十分復(fù)雜，花式紗線的加工設(shè)備要能夠適應(yīng)多品種變化的需要，除了相應(yīng)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)以外，最重要的是要有功能完善、控制靈活的控制器。本文介紹了兩種花式捻線機(jī)控制器，即基于單片機(jī)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型控制器和基于工業(yè)PC機(jī)的高檔控制器。

    1 引言

    與普通紗線相比較，花式紗線的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜。由于花式紗線的種類很多，目前還無法以單一的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)適應(yīng)所有花式紗線的工藝要求。普通紡紗機(jī)只要求各個(gè)羅拉以一定的速度恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，而花式紗線紡紗機(jī)則要復(fù)雜得多。只有部分花式線品種的生產(chǎn)工藝要求羅拉以恒速運(yùn)行。像結(jié)子紗一類的花式紗線，則要求紡紗機(jī)的控制羅拉以分段變速的方式運(yùn)行，有些紗型還要求控制羅拉有短時(shí)間的停頓甚至反轉(zhuǎn)。這不僅要求控制系統(tǒng)本身具有相應(yīng)的控制功能，而且要有相應(yīng)的性能良好的驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)系統(tǒng)。

    為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，除了基本的控制功能以外，控制器還要具備相應(yīng)的輔助控制功能。這些功能包括：?jiǎn)?dòng)/停機(jī)的過渡過程控制；整機(jī)聯(lián)動(dòng)調(diào)速功能；紗錠成型控制功能；計(jì)數(shù)計(jì)長(zhǎng)功能以及故障保護(hù)功能等等。由此可見，完善的花式捻線機(jī)控制系統(tǒng)是一套復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，整體實(shí)現(xiàn)具有相當(dāng)大的難度。

    早期的花式捻線機(jī)是在原有的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，仍然采用原來的集中驅(qū)動(dòng)、分散傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此這種花式捻線機(jī)的控制也很簡(jiǎn)單，但難以滿足復(fù)雜紗型的生產(chǎn)工藝需要。

    隨著控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的集中驅(qū)動(dòng)已經(jīng)逐漸為分散驅(qū)動(dòng)所取代。即錠子采用一臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了使錠子速度可調(diào)，通常采用變頻調(diào)速。控制羅拉均采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)不同的控制要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以采用步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)或交流變頻調(diào)速電機(jī)。這樣，不僅可以省去集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且由于可以分別對(duì)每根羅拉進(jìn)行單獨(dú)的控制，便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，可以紡出傳統(tǒng)的集中驅(qū)動(dòng)式紡紗機(jī)所無法紡出的紗型。對(duì)于分散驅(qū)動(dòng)的花式捻線機(jī)，目前主要有以下幾種控制方式：第一是利用有些變頻器所具備的多段速運(yùn)行控制功能；第二是采用PLC作為控制器實(shí)現(xiàn)所需要的控制；第三是采用專用的花式捻線機(jī)控制器。

    以上幾種控制方式中，第一種方式只能實(shí)現(xiàn)基本的分段變速運(yùn)行功能，由于只能控制交流電機(jī)，因此無法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)控制，瞬時(shí)停頓也很困難。采用簡(jiǎn)單PLC所能夠?qū)崿F(xiàn)的控制功能也是有限的，如果采用高檔的PLC，則勢(shì)必增加控制器的成本，且還需要增加相應(yīng)的輔助控制電路。采用專用的控制器是花式捻線機(jī)發(fā)展的方向，因?yàn)橹挥袑ｉT設(shè)計(jì)的控制器才能夠滿足花式捻線機(jī)的所有功能要求。國(guó)外先進(jìn)的花式捻線機(jī)均采用專用的控制器。國(guó)內(nèi)也有不少廠家自行開發(fā)了專用的控制器。

    專用控制器通常以CRT或液晶顯示屏作為顯示界面，也有的以LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示，配合以相應(yīng)的操作面板，可以實(shí)現(xiàn)各種控制參數(shù)和工藝參數(shù)的設(shè)置和顯示。再根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)元件輸出相應(yīng)的控制信號(hào)（頻率信號(hào)或電壓/電流信號(hào)），可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)還配有相應(yīng)的輔助控制電路以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的運(yùn)行控制。

         筆者在幾年以前就開發(fā)成功了基于STD總線系統(tǒng)變頻調(diào)速交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的花式捻線機(jī)控制器。在隨后的幾年里，不斷地積累經(jīng)驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)以適應(yīng)更為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和控制要求，分別開發(fā)了基于單片機(jī)的普通型花式捻線機(jī)控制器和基于工業(yè)PC機(jī)的高檔花式捻線機(jī)控制器，能夠滿足大多數(shù)花式紗線的生產(chǎn)工藝要求，并取得了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。　

2 基于單片機(jī)的控制器

    圖1 花式捻線機(jī)控制器總體結(jié)構(gòu)  

    開發(fā)基于單片機(jī)的控制器的初衷是為了滿足低價(jià)位普通花式線紗紡機(jī)的需要，因此在設(shè)計(jì)時(shí)十分重視性能/價(jià)格比，而以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)具有控制功能強(qiáng)、體積小巧、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，正好能夠滿足此種控制器的需要。

    基于單片機(jī)的控制器應(yīng)該具有如下的功能：

    （1）能夠控制一臺(tái)交流變頻電機(jī)（用于驅(qū)動(dòng)錠子）和4根控制羅拉，控制羅拉采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)或獨(dú)立于錠子的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

    （2）能夠適應(yīng)多數(shù)花式線的生產(chǎn)工藝要求（圈圈紗、結(jié)子紗等），羅拉可以3種運(yùn)動(dòng)方式工作，即連續(xù)的勻速運(yùn)行方式、分段的勻速運(yùn)行方式和隨機(jī)化的分段運(yùn)行方式。

    （3）清晰簡(jiǎn)潔的用戶界面，用LED數(shù)碼管作為顯示部件以顯示必要的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，用戶通過操作面板上盡量少的按鍵進(jìn)行工藝參數(shù)的設(shè)置，線型工藝參數(shù)可以存儲(chǔ)以便用戶隨時(shí)調(diào)出使用。

    （4）盡可能高的性能/價(jià)格比，要與國(guó)內(nèi)目前花式線的生產(chǎn)設(shè)備狀況相適應(yīng)。

    根據(jù)上述整機(jī)的功能要求與技術(shù)指標(biāo)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了以8位微處理器為核心的花式捻線機(jī)控制器。整機(jī)共分為CPU及外圍電路、電池供電RAM電路、LED顯示及操作按鍵電路、頻率（脈沖）輸出電路、方向控制電路、頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路以及輔助控制電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中CPU采用目前應(yīng)用較廣的MCS-51系列單片機(jī)；電池供電RAM用于存放線型工藝參數(shù)；CPU根據(jù)用戶所輸入的線型工藝參數(shù)通過頻率發(fā)生器輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，通過方向控制電路輸出步進(jìn)電機(jī)的方向信號(hào)；頻率信號(hào)還通過頻率-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，以便用于控制交流變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)或直流電機(jī)；輔助控制電路用于提供花式捻線機(jī)所必需的運(yùn)行控制，包括錠子轉(zhuǎn)速控制、啟動(dòng)/停止控制與故障保護(hù)等。

    通常變頻調(diào)速器提供3種外部速度控制信號(hào)接口：電流/電壓信號(hào)控制、外接端子控制與串行通訊接口控制。本控制器采用外接端子控制，通過3個(gè)外接端子的不同連接組合可以8種不同的速度，用一個(gè)波段開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)這種控制。