姜 磊

(浙江工业职业技术学院，浙江绍兴 312000)

卷染机械中的线速度控制和张力控制是印染行业的重要环节，其控制系统的性能直接影响产品的质量。由于影响卷染机运行的因素较多，如织物的张力、收放卷张力及线速度等，所以很难准确建立相应的数学模型［1］，对线速度和张力控制系统的改造一直是企业技术革新的难题。为提高卷染机控制系统的可靠性，降低设备运行维护成本，本文提出运用PLC与变频器相结合的控制及运用张力控制模块对系统进行优化设计，以满足负荷实时变化的要求，避免资源浪费，提高企业生产效率。

1 系统设计分析

1.1 卷染机控制系统现状分析

传统的恒张力和恒线速度系统的控制效果不佳，执行机构大都采用直流电动机控制，少数采用液压控制，这些控制方式只是一种近似控制，存在较大的误差。在具有高温、高湿、强腐蚀的染整环境中，直流调速系统性能明显下降;液压控制系统(一般为进口设备)也因价格昂贵［2］，维护工作量大而应用受限。随着交流变频技术及PLC技术的日益成熟，现在的张力控制系统多以其联合控制方式出现［3］。

通过对企业现场调研及查阅相关文献，总结出卷染机控制系统的几种控制方式:

1)PLC和变频器的恒张力控制［4］。此控制方式能有效地进行卷取机构的恒张力控制，但控制器具有较大局限性，需要采用专门的张力变频器，且控制策略较为复杂，对于大型的生产加工企业来说，系统的改造升级较为困难。

2)PLC、伺服放大器及纠偏传感器的联合控制［5］。此控制方式具有较高的精度，但系统的成本较大，对中小型企而言，技术改造成本及效益是首要因素，此系统控制对象较为局限，多以高端产品为主。

3)单片机和张力传感器的张力控制。此控制方式以单片机为核心技术［1］，具有较高的性价比。但受环境影响较大，稳定性得不到相应保证。

随着现代控制理论的发展模糊控制，神经网络控制、自适应PID控制逐渐应用到相关的控制器中［6］，使控制效果及控制精度最大化。

1.2 系统设计方案

控制系统整体设计框图如图1所示。系统有2种控制方式，一种是由PLC与变频器组成的恒线速度控制系统，另一种是由张力控制器及张力传感器组成的恒张力控制系统。触摸屏用于参数设定及信息交换;PLC用于控制模式转换及数据处理;变频器作为核心控制器。2种控制方式在一定程度上是相互联系的，根据不同的生产情况进行选择。

图1 控制系统整体框图Fig.1 Whole control system

通过系统改造可以解决如下问题:

1)防止织物与辊轴之间的滑动，实现织物的平稳传送;

2)避免卷染机在染色过程中出现色差问题;

3)使织物在收卷和运输过程中不出现变形散落情况，确保织物卷轴的牢固性;

4)保证织物的平稳恒速运行，降低因速度变化引起的机械故障，降低能耗。

2 控制系统硬件设计

2.1 PLC与变频器的恒线速度控制系统

PLC与变频器的恒线速度控制系统在卷染机系统中的具体框图如图2所示。

由图可见，该系统由三菱L-700系列变频器作为核心控制器，分别控制系统的3个电动机，其中编码器作为闭环控制的反馈信号传送给变频器信号，再通过变频器去控制电动机的转速。

图2 卷染机恒线速度控制系统结构框图Fig.2 Structure diagram of jigger constant linear velocity control system

1)系统框图中的主轴电动机由变频器2控制，其速度恒定不变，具体参数通过触摸屏设定。

2)变频器1与变频器3控制收卷电动机与放卷电动机，二者速度与主轴速度保持一致，根据编码器的反馈数据进行实时调整。

3)PLC在系统中属于数据交换处理环节，可以同时控制滚轮1与滚轮2的正反转，实现收卷与放卷的即时变化。

在系统运行过程中，收卷辊随着收卷织物层数的增加转速下降，要实现恒速控制就必须达到频率匹配(包括转速运算和卷径运算)［7］。同步匹配频率f(t)的计算公式为

式中:V为织物线速度;P为电动机极对数;i为机械传动比;D(t)为卷筒卷径。由式(1)可以看出，由于卷筒的卷径不断变化，要使织物线速度恒定，电动机的转速也要同步变化［7］，如式(2)所示。

式中:N为电动机的转速;f为电源的频率;P为电动机极对数;s为转差率。

由于系统的卷径(滚轮厚度)不断增大，所以需要通过人机界面及传感器传给控制器(PLC)［8］，再由PLC传给变频器，如图1框图所示。本控制系统运用变频器内部的PID控制程序进行控制，通过编码器进行数据反馈，所以实现了是闭环PID控制。3个变频器的参数设置如表1、2所示。

表1 变频器1、3的主要参数设置及说明Tab.1 Main parameters and description of inverters 1 and 3

表2 变频器2的485通讯参数设置Tab.2 485 Communication parameters of inverter 2

在接线过程中需要注意的是，如果旋转编码器的型号选择是集电极开路的，变频器上的接线端子A7AP需要接通。

2.2 变频器的PID控制算法

根据系统的实际运行情况，需要实现负反馈作用，因此将Pr.128设置为40(PID负反馈，41为正反馈)。又由现场测试分析得，控制系统通过PI控制即可满足控制要求，即设置比例参数为50(Pr.129=50)，积分时间为1.6 s(Pr.130=1.6 s)，其他设置如表1所示。

2.2.1 PID控制算法介绍

图3示出PID控制基本构成。其中Kp为比例常数;Ti为积分时间;S为运算;Td为积分时间。

图3 PID控制基本构成框图Fig.3 Block diagram of PID control

在设置PID参数过程中需要注意:

1)当PID的比例参数P的设定值较小时，测定值的微小变化可以得到大的输出变化。参数设置过大可能会引起系统超调，降低稳定性。

2)积分时间不宜设定太大，系统响应速度变慢。随着积分时间变小，完成速度越快，但是有超调的危险。

2.2.2 PID增益调整说明

图4示出系统调节过程中的变化曲线。控制系统在进行调试的过程中要呈现图4(b)的状态，使系统在加速、匀速、减速和急减速时的状态均正常运行。可以通过调整变频器Pr.129(PID比例参数)和Pr.130(PID积分时间)实现。

图4 系统调节过程中的变化曲线Fig.4 Change curve in system regulation process.(a)System response speed is slow;(b)System response speed is moderate;(c)System response speed is high

1)系统响应速度慢时的调整方法。将Pr.129(PID比例参数)降低10%，同时将Pr.130(PID积分时间)减小0.1 s。使系统在任何运行状态下都能达到图4(b)的状态。

2)响应速度快时(振荡不收敛时)的调整方法。将 Pr.129(PID比例参数)增加10%，同时将Pr.130(PID积分时间)增加0.1 s。使系统在任何运行状态下都能达到图4(b)的状态。

2.3 全自动张力控制系统设计

2.3.1 影响张力控制的因素

在卷染机械中影响张力F的主要因素有卷轴的扭矩 T和卷径 D，三者之间关系如式(3)所示。

由式(3)可知，扭矩一定时，张力与卷径成反比，因此在放卷或者收卷时，为了确保张力恒定需要伴随卷径的变化改变扭矩。此外，引起张力变化的因素除卷径外，还有损失扭矩变动产生的影响，以及速度变化时惯性的影响。

2.3.2 张力控制设计

文献［9］介绍了张力控制的几种方式，如手动张力控制、卷径检测式张力控制(半自动控制)、全自动控制(闭环控制)方式。在这几种控制系统中，全自动张力控制是反馈张力控制，与卷径检测控制相比张力精度较高，本文的张力控制为全自动张力控制，系统结构如图5所示。

图5 全自动张力控制系统结构Fig.5 Structure of automatic tension control system

控制系统在硬件选择上采用三菱系列产品。

1)张力检测器。选用三菱LX-050TD型张力检测器，其中050为额定负载除以10后得到的数值，单位为N。因此该系统为500 N的额定负载量，检测器属于微偏位型张力检测器。

2)张力控制器。张力控制器选用三菱的LE-40MTA-E型。其工作原理为:张力控制器接收来自张力检测器的信号，自动控制织物的放卷、中间辅助轴和收卷时的材料张力。并针对执行机构发出0～24 V的控制电压。图6示出张力控制器与PLC的CAD接线图。

图6中FX3U-48MT为48点的PLC控制器，FX3U-4DA为PLC的4通道模拟量输出模块，FX3U-4AD为PLC的4通道模拟量输入模块。系统中有2个张力控制器，分别控制图2中滚筒1与滚筒2的张力。由于系统是对称结构，所以本文仅对张力控制器LE-40MTA-E(1)进行分析。

PLC输出端 Y0-Y3控制 LE-40MTA-E(1)的MC1(运行/停止)、MC4(停止保持记忆复位)、MC5(控制模式1)、MC6(控制模式2)。FX3U-4DA的4个模拟量输出通道与控制器的模拟输入信号AI1(外部张力设定)、AIC(内部电阻)、AI2(功能设置)、AI3(功能设置)相连。FX3U-ADA的4个模拟量输入通道与控制器的模拟输出信号SA(控制信号输出)、SN(选择信号)、AOC(张力显示输出)、TMO(张力显示输出)相连。图7示出张力控制器与检测器连接图。

上述控制系统可以通过PLC来实现模式的切换，从而实现恒线速度与恒转矩控制。由于PLC本身也具有PID算法，所以在系统改造中更加灵活多变，维护也更加方便。

图6 张力控制器与PLC的CAD接线图Fig.6 CAD wiring diagram of tension controller and PLC

图7 张力控制器与检测器连接图Fig.7 Connection diagram of tension controller and tester

3 控制系统软件设计

3.1 控制系统流程分析

根据上述控制原理进行程序设计，系统的控制流程如图8所示。

图8 系统的控制流程图Fig.8 Control flow chart of system

由三菱GTO1000触摸屏通过RS422通讯形式来控制FX3U-48MPLC，在经FX3U-485通讯模块与3台变频器进行通讯。

3.2 触摸屏界面设计

触摸屏控制模式选择界面中变频器速度控制按钮对应程序软元件为M300，而张力转矩控制按钮对应程序软元件为M400。

张力控制模式界面中启动按钮对应程序软元件中的M1502，右放左收按钮对应程序软元件中的M1501，当M1501为OFF时触摸屏显示右放左收，当M1501为ON时显示为左放右收。

速度控制模式界面中启动按钮对应程序软元件的M502，右放左收按钮对应程序软元件中的M501，当M501为OFF时显示右放左收，当M501为ON时显示左放左收。在触摸屏上还有循环/单动模式，手动调节模式，还有一个转速显示对应于程序软元件的D18。

3.3 控制程序设计

启动与模式选择参考程序如图9所示。M502与M1502接收来自触摸屏的信号，将相应的速度传给电动机。程序中M300与M400分别是2种控制模式的选择按钮，当速度控制有效时，转矩控制相关软件被复位，反之亦然。

图9 启动与模式选择参考程序Fig.9 Slection reference program of start and mode

变频器参数运行读取参考程序如图10所示。程序中IVDR为变频器的运行控制专用指令，前面的K1为变频器的站号。H0ED为写入设定频率(RAM)，H0FA为运行指令。后面的 K1为PLC的使用通道，本设计为通道1。

图10 变频器参数运行读取参考程序Fig.10 Inverter parameter run read reference program

M700对应速度控制模式界面中的“收卷”，当为OFF时显示收卷，为ON时显示放卷。M701对应滚轮显示，M800对应张力控制模式界面中的“收卷”，当为 OFF时显示收卷，为 ON时显示放卷。M801对应滚轮显示。

4 改造设计效果

通过对绍兴某印染厂卷染设备进行数据测试，在进行了恒线速度恒张力控制改造设计后，卷染机卷径变化与速度和张力的关系如表3所示。

表3 改造测试数据Tab.3 Transformation test data

从数据可见，本文设计方案满足了规定的设计要求，随着设备的运行，卷染织物的卷径不断变化，以往的控制系统中经常会出现断布，停机的情况。而经过改造后的系统，只要在触摸屏上设定好相应的参数及控制模式，其运行的线速度及转矩将基本保持不变。

由于卷染材料通常以弹性织物为主，所以传感器在检测过程中会产生微小的误差，从而影响控制精度。这样的误差可以通过设置变频器参数及调用PLC程序来进行补偿。

5 结论

卷染机自动控制系统设计改造后系统的控制模式灵活方便，可以满足生产线上不同的工艺需求。实现企业智能控制管理，提高生产效率。本文控制系统的设计布线简单，控制系统的后期改造升级更为方便。

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