石家莊紡織機(jī)械有限公司電控中心 宋玉霞/文

寬重型織機(jī)的電氣控制系統(tǒng)

石家莊紡織機(jī)械有限公司電控中心 宋玉霞/文

本文介紹了德國(guó)KEB的IPC運(yùn)動(dòng)控制器00C6AE1-BEB0在產(chǎn)業(yè)用紡織品寬重型織機(jī)上的應(yīng)用。重點(diǎn)介紹運(yùn)動(dòng)控制器BOX-IPC通過(guò)EtherCAT總線通訊方式控制多軸的驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行開(kāi)口多臂、主機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

產(chǎn)業(yè)用紡織品 寬重型織機(jī) 造紙聚酯網(wǎng) 運(yùn)動(dòng)控制器BOX-IPC EtherCAT總線

1 引言

產(chǎn)業(yè)用紡織品特種織機(jī)在傳統(tǒng)織機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)用紡織品網(wǎng)業(yè)用特種織機(jī)幅寬在5～25米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)織機(jī)幅寬，產(chǎn)業(yè)用紡織品特種織機(jī)不同于傳統(tǒng)服裝紡織、裝飾紡織用織機(jī)，傳統(tǒng)織機(jī)寬度在1～4米，打緯力幾百公斤/米，而產(chǎn)業(yè)用紡織品特種織機(jī)幅寬已達(dá)5～25米，打緯力2～8噸/米，卷取也由傳統(tǒng)的單輥?zhàn)兂扇?，同時(shí)直徑加大，送經(jīng)由單經(jīng)軸變?yōu)殡p經(jīng)軸和三經(jīng)軸，織造材料也由紗線變成單絲或合股絲形式，主機(jī)傳動(dòng)由單邊變成雙邊，開(kāi)口綜框吊點(diǎn)增多，總而言之，產(chǎn)業(yè)用紡織品特種織機(jī)已不同于傳統(tǒng)意義上的織機(jī)了。

隨著國(guó)家結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，老舊的造紙?jiān)O(shè)備和國(guó)家大量淘汰10萬(wàn)噸以下造紙廠，造紙行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。造紙?jiān)O(shè)備向?qū)挿⒏咚侔l(fā)展。但是寬幅、高速造紙機(jī)急需的多層造紙網(wǎng)，主要依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。同時(shí)國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)高檔多層造紙網(wǎng)的廠家，機(jī)械設(shè)備也是高價(jià)從國(guó)外進(jìn)口的。昂貴的價(jià)格制約了我國(guó)造紙行業(yè)的發(fā)展。鑒于以上原因，我公司根據(jù)市場(chǎng)的需要，利用多年來(lái)在特種、寬重型織機(jī)的研發(fā)上積累的技術(shù)基礎(chǔ)，決定研發(fā)CXWJ型多層造紙網(wǎng)劍桿織機(jī)來(lái)織造國(guó)內(nèi)急需的多層造紙網(wǎng)。

2 多層造紙聚酯網(wǎng)織機(jī)電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

由于網(wǎng)類織機(jī)幅寬達(dá)12.8米，織造的張力達(dá)到1.5～4噸/米，開(kāi)口中綜框的張力很大，開(kāi)口的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多臂就要有很大的拉力。我們采用側(cè)拉多臂，通過(guò)小氣缸的升降和機(jī)械拉刀配合，結(jié)合來(lái)自于主機(jī)動(dòng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)大刀片實(shí)現(xiàn)開(kāi)口動(dòng)作。側(cè)拉多臂開(kāi)口形式在織機(jī)打緯時(shí)是平綜打緯，由于開(kāi)口氣缸的開(kāi)閉頻率限制，使得整機(jī)速度不能提高，織機(jī)速度最大到45轉(zhuǎn)/分。為提高織機(jī)的織造效率，在本項(xiàng)目的電氣控制中，我們采用每片多臂由一組大功率的伺服電機(jī)， 24片綜框有24個(gè)KEB的型號(hào)為D3SM500伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

產(chǎn)業(yè)用紡織品網(wǎng)類特種織機(jī)機(jī)架為積木形式，根據(jù)用戶要求幅寬而采取多組組合而成。每組由兩塊墻板和一凸輪組成，每組驅(qū)動(dòng)為雙側(cè)動(dòng)力，由雙側(cè)水冷伺服電機(jī)帶動(dòng)，12.8米織機(jī)有8組這樣的單元組成，通過(guò)電子同步運(yùn)行，由若干組凸輪組成的整體凸輪帶動(dòng)整機(jī)筘座，實(shí)現(xiàn)打緯功能。每組電機(jī)選擇的是西門子公司的型號(hào)為1FT6086-8WH71的水冷電機(jī)，由KEB公司的16F5 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

3 EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn)

EtherCAT（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，EterCAT名稱中的CAT為Control Automation Technology（控制自動(dòng)化技術(shù)）首字母的縮寫(xiě)。

EtherCAT在網(wǎng)絡(luò)性能上達(dá)到了一個(gè)新的高度。1000個(gè)分布式I/O數(shù)據(jù)的刷新周期僅為30μs，其中包括端子循環(huán)時(shí)間。通過(guò)一個(gè)以太網(wǎng)幀，可以交換高達(dá)1486字節(jié)的過(guò)程

數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于12000個(gè)數(shù)字量I/O。而這一數(shù)據(jù)量的傳輸僅用300μs。與100個(gè)伺服軸的通訊只需100μs。在此期間，可以向所有軸提供設(shè)置值和控制數(shù)據(jù)，并報(bào)告它們的實(shí)際位置和狀態(tài)。分布式時(shí)鐘技術(shù)保證了這些軸之間的同步時(shí)間偏差小于1微秒。

利用 EtherCAT 技術(shù)的優(yōu)異性能，可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制方法。這樣，通過(guò)總線也可以形成超高速控制回路。以前需要本地專用硬件支持的功能現(xiàn)在可在軟件中加以映射。巨大的帶寬資源使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)與任何數(shù)據(jù)可并行傳輸。EtherCAT技術(shù)使得通訊技術(shù)與現(xiàn)代高性能的工業(yè)PC相匹配?？偩€系統(tǒng)不再是控制理念的瓶頸。分布式I/O的數(shù)據(jù)傳遞超過(guò)了只能由本地I/O接口才能實(shí)現(xiàn)的性能。

4 多臂控制系統(tǒng)

多臂的控制系統(tǒng)控制綜框的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是通過(guò)讓帶動(dòng)每片綜框的電機(jī)正、反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)口，實(shí)現(xiàn)織造的花樣程序。根據(jù)織物的工藝，需要12～32 片綜框，本機(jī)設(shè)計(jì)的是24片綜框?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)上位機(jī)編寫(xiě)的花樣時(shí)序依次輸出花樣參數(shù)中存放的對(duì)應(yīng)的花樣程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的正反向，把提綜信息電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成多臂的機(jī)械位移。提綜的運(yùn)動(dòng)是與主機(jī)的運(yùn)動(dòng)相配合的，過(guò)去的多臂系統(tǒng)動(dòng)力是來(lái)自于織機(jī)的主軸。變化的運(yùn)動(dòng)來(lái)自于主機(jī)的角度。而本機(jī)中主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和多臂系統(tǒng)是獨(dú)立的，沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的機(jī)械連接，完全依靠電氣的同步運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

開(kāi)口時(shí)綜框有不同的啟動(dòng)和打開(kāi)時(shí)間，這可以用來(lái)更好地分層調(diào)整。獨(dú)立控制使得補(bǔ)償織口的大和小變得容易，并且在機(jī)器停車時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，多臂機(jī)自動(dòng)把綜框移動(dòng)到一起，以減小緯紗的張力。

每個(gè)綜框開(kāi)口有獨(dú)立監(jiān)控。可選擇開(kāi)口卡緯或閉口卡緯。

由于多臂機(jī)從一步改變到另一步時(shí)具有很高的速度，時(shí)間僅為120MS，因此機(jī)器速度得以加快。

5 主驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)

由于主機(jī)是由8組獨(dú)立單元聯(lián)動(dòng)控制整體筘座，而且每組的兩個(gè)電機(jī)同時(shí)有一組曲軸硬連接。因此對(duì)這16 個(gè)伺服電機(jī)的同步性要求很嚴(yán)格，同時(shí)伺服電機(jī)還要根據(jù)織造的需要變速運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)織機(jī)的凸輪功能，來(lái)滿足開(kāi)口及引緯的需要。

6 系統(tǒng)組成

整機(jī)的電氣控制運(yùn)用目前最先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制的多軸同步理論，利用IPC控制器把織機(jī)的各部分進(jìn)行同步控制，利用德國(guó)KEB公司的帶有專用運(yùn)動(dòng)控制器的BOX-IPC、采用EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的連接方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。對(duì)織機(jī)的主機(jī)驅(qū)動(dòng)的20個(gè)水冷電機(jī)和開(kāi)口部分的24個(gè)伺服電機(jī)、引緯部分、卷取、送經(jīng)部分進(jìn)行獨(dú)立控制，并能夠根據(jù)主軸的運(yùn)動(dòng)達(dá)到各自獨(dú)立、又與主軸同步運(yùn)行的效果，利用虛擬主軸方式實(shí)現(xiàn)多軸同步傳動(dòng)，EtherCAT現(xiàn)場(chǎng)總線的快速性，保證了織機(jī)各個(gè)部分的有效配合。簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低故障率，提高了織機(jī)性能。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用多軸驅(qū)動(dòng)器共母線方式連接，進(jìn)行能量回饋，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

7 系統(tǒng)控制框圖

8 主要器件選型及說(shuō)明

1）選型詳見(jiàn)表1。

表1

2） 選型說(shuō)明

上述方案中，人機(jī)界面選用15英寸顯示屏，可以支持參數(shù)設(shè)置、顯示等；

運(yùn)動(dòng)控制器選用BOX-IPC，同時(shí)支持CAN接口，便于讀取張力信號(hào)；同時(shí)具有8G內(nèi)存空間，用于數(shù)據(jù)保存；基于COMBIVIS6軟件，方便系統(tǒng)調(diào)試與控制。

通過(guò)總線耦合器，可以連接輸入、輸出點(diǎn)；以上配置中選用了3塊32點(diǎn)輸入模塊、5塊16點(diǎn)晶體管輸出模塊；也可以使用驅(qū)動(dòng)器自身點(diǎn)數(shù)；

模擬量輸入、輸出點(diǎn)選用驅(qū)動(dòng)器自身的接口；

運(yùn)動(dòng)控制器與各驅(qū)動(dòng)器之間，通過(guò)EtherCAT總線通訊方式控制。

用于開(kāi)口的伺服電機(jī)額定速度/最高速度為：3000/4500rpm。

9 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)控制理論，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)五大動(dòng)作的電氣化控制，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)選用高動(dòng)態(tài)、低慣量的電機(jī)，使寬重型織機(jī)效率提高了200%。本系統(tǒng)通過(guò)在我單位試制的12.8米寬幅織機(jī)上應(yīng)用，安全可靠，使企業(yè)的產(chǎn)品提升了檔次，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

方曉柯.現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，東北大學(xué)博士學(xué)位論文.2005