摘要：近年我國紡織機械機電一體化技術發展很快,提高了紡織機械整體水平, 增強了在國際市場的競爭力,紡織機械的產量和出口均以每年以上增長。本文將從七個方面介紹了紡織機械電一體化的特點。 關鍵詞：傳動 控制 變頻器 現場總線 PLC 紡織機械 引言 近幾年紡織機械的機電一體化水平迅速提高, 其結果是機械結構大大簡化, 性能明顯提高（生產速度提高噪聲降低,加工產品質量穩定,勞動條件改善等）。在國內外市場的競爭增強，紡機的產量增加數倍，2007年紡織機械年銷售額超過500億元。出口快速增長,2001年出口約1億美元, 到2007年我國紡織機械出口到印度、巴基斯坦、孟加拉國、印尼、日本、德國等130多個國家，金額已超過10億美元。紡機機電一體化的主要特點：由單電動機傳動改為多電動機傳動, 手動操作變成自動操作，模擬量控制發展為數字量控制，從電氣傳動發展到運動軌跡控制，普及了戶和變頻器的應用,推廣了現場總線網絡通信技術以及工藝參數的在線檢測等，可概括為以下七個方面。 1.從單電動機到多電動機傳動 由于紡織品的品種不斷增加,提高紡織產品質量的要求日益增長，同時，降低勞動強度的呼聲日漸增強，不少紡機由單電機傳動改為多電動機傳動，例如傳統梳棉機僅道夫是變速運行，而新型梳棉機已改為5臺電動機變速傳動除道夫外錫林給棉羅拉、蓋板清潔輥,圈條器均改為單獨電動機變速傳動粗紗機也改為7臺電動機分別傳動錠翼,牽引羅拉,筒管和龍筋升降。滌綸短纖維后加工聯合機從導絲機到四道牽伸機也由單電動機加長邊軸和齒輪變速箱傳動改為臺電動機分別傳動導絲1、2、3和4道牽伸機以及緊張熱定型機和疊絲機, 圖1, 為長邊軸傳動示意圖，圖2為多電動機傳動系統方框圖。 [align=center] 圖1 長邊軸傳動滌綸短纖維后加工聯合機（牽伸段）[/align] [align=center] 圖2 多電動機傳動滌綸短纖維后加工聯合機[/align] 由此大大簡化了機械結構,降低噪聲減少占地面積提高車速增加單機產量同時更改工藝方便加工產品質量得到保證。采用多電動機傳動后對各臺電動機運行速度的控制要求更高, 各電動機均需要同步調速或比例同步調速、位置跟隨等通常采用PLC控制技術和網絡通訊技術來實現。 由上可看出紡織機械能從單機電動機傳動發展為多電動機傳動首先是由于PLC控制的變頻調速系統技術的成熟并在紡機上得到普及應用, 工控機IPC或PLC控制的變頻調速為數字控制，加上數字通信可以很方便地精確控制各臺電動機的運行, 保證全機各電動機根據不同的工藝要求按不同的規律運行。 2 從手動操作到自動操作 絡紗機按操作形式分成普通絡筒機和自動絡筒機，兩者的根本區別是普通絡筒機每錠紗線接頭均由手工操作來完成, 而自動絡筒機每錠紗均自動接頭,自動接頭可以是一臺打結器對全機或一側的各錠進行循環打結也可以是每錠均設有打結器,如錠數較多、速度較高,一般是每錠均設有打結器。 電子清紗器對紗線進行全程監視, 當清紗器發出無紗信號后，筒子抬起并剎車——槽筒剎車——筒子落下——筒紗吸咀上行——槽筒倒轉——風門打開并吸紗——筒紗吸咀下行使筒紗進入接頭裝置并短時等待——管紗下行、探測是否有管紗，若有管紗管紗，吸咀動作（包括預清紗器和張力盤的開、閉等）, 并把管紗送至接頭裝置；若管紗已用完則先換管紗, 然后管紗吸咀再動作，待管紗和筒紗都進入接頭裝置后——接頭裝置開始接頭接頭完成后——槽筒重新起動紗線進入紗路, 開始正常絡紗。 該絡筒機為單錠單電動機驅動。槽筒由無刷直流電動機同軸傳動, 保證了槽筒在高速運轉下能迅速剎車。全機共60臺無刷直流電動機，也有的絡筒機采用伺服電機驅動或交流變頻調速電動機驅動。 每錠接頭部件由臺步進電機分別驅動筒紗吸咀動作，管紗吸咀動作、換管動作和接頭動作,保證筒紗吸咀、管紗吸咀和換管的準確定位。全機共240臺步進電機。 吸風系統吸風電動機由交流異步電動機傳動變頻調速。 每錠設有單錠CPU控制器控制該錠接頭程序, 運轉速度和紗線張力上位機，采用工業計算機IPC, 并配有17英寸觸摸屏監控紗線質量、筒子防疊、紗線張力、打結循環程序以及吸風電動機等工作狀況、數據統計和工藝參數設定、顯示等全機采用CAN現場總線控制系統（FCS）如圖3所示。 [align=center] 圖3 自動絡筒機控制系統原理框圖[/align] 圖3中步進控制即步進電動機驅動器，無刷控制即無刷直流電動機控制器，IPC為工業計算機，CPU為每錠設有CPU控制器1個,控制該錠接頭程序、運轉速度和紗線張力。 3 從模擬量控制到數字量控制 上世紀80年代前, 大部分控制系統均采用模擬量（0～10V，4～20mA）作為控制信號，早期的變頻器大多也采用模擬量（如0～5V等）控制。隨著數字技術的發展,推動了信息化時代的到來數字儀表、數字控制器紛紛推出，上世紀90年代數字量控制系統日益發展起來，尤其是網絡技術的應用、數字控制逐步普及,PLC控制的變頻調速已應用到大部分紡織機械，每年用于紡織機械的PLC控制的變頻調速系統達5萬套以上,其中大部分都有了數字控制技術，近年推出的新型紡機產品不僅采用數字控制, 還采用了多種總線實現數字傳輸，采用觸摸屏或工作站實現數字顯示等。 “十一五”期間紡織機械將對10種新型成套紡機設備進行攻關和實現產業化并提出實現單機（單臺現場設備）數字化、車間（含多臺現場設備）自動化、企業（含控制和管理）信息化的戰略目標。 4 從有觸點的邏輯控制到無觸點邏輯控制 上世紀90年代以前，各種紡織機械的控制使用大量的中間繼電器、時間繼電器。例如棉紡清鋼聯合機，化纖打包機等，單臺機需要數十甚至數百個繼電器。由于PLC可編程控制器的發展和價格的降低，PLC在紡織機械上應用得到普及，逐步取代了傳統的繼電器邏輯控制系統, 從而提高了控制系統性能、運行的可靠性,縮小了控制裝置體積、降低了故障率減少了維護維修工作量減少了電能的消耗。 5 從電氣傳動發展到運動軌跡控制 傳統的紡織機械電氣傳動電動機基本上是三大類：一是直流電動機（含并激他激和串激直流電動機）；二是交流異步電動機（含籠式和繞線式異步電動機以及電磁調速異步電動機）；三是同步電動機（含永磁和激磁式同步電動機）。采用各種控制方案對電動機速度進行不同的控制以滿足各種紡織機械對運轉速度的不同要求。隨著紡織機械的發展和生產工藝對紡機的要求不斷提高,對紡機運行速度的控制要求起來越高,越來越多樣化,傳統的電氣傳動已不能滿足當今紡織機械的需要。 （1）伺服電動機的應用：自動筒絡機打結循環要求準確定位。精密絡筒機導絲機構要求快速往復運動；噴氣和劍桿等無梭織機的電子送經,電子卷取等需準確控制經紗的送出量、卷取量；平網印花機導帶前后傳動輥要求保持嚴格同步運轉；園網印花機的園網為保證園網與導帶及網與網之間嚴格同步運轉,近幾年來都采用了伺服電機驅動,較好地解決了位置和速度的同步控制。 （2）步進電機的應用電腦刺繡機繡框X、Y方向的移動是采用兩臺步進電機分別驅動以保證刺繡圖案的精細單軸流開棉機塵棒采用步進電機驅動,有利于塵棒位置或塵格角度的調節, 此外簾子線直捻機橫動導絲機構分條整經機織軸和整徑臺的橫移、前后移等均有采用了步進電機驅動。 （3）無刷直流電動機的應用永磁無刷直流電動機由于結構簡單、效率高、起動轉矩大, 在紡織械得到愈來愈廣泛的應用，例如自動絡筒機一錠一臺無刷直流電動機驅動槽筒，使槽筒在高速運行下能迅速剎車，起動也快，很好地滿足了絡筒工藝要求。 另外開關磁阻電動機在工業縫紉機上得到廣泛應用等等由此看出上述各種電動機用于紡織機械控制各旋轉軸的運動實現轉速、位置、力矩三個參數的聯動控制將電網、電源變換、電動機、生產機械和控制系統作為一個整體來考慮使控制更加優化整機機電一體化水平得到明顯提高很好地滿足了紡織機械的精確的位置控制、速度控制和力矩控制。 6 可編程控制器PLC和變頻器的普及應用 PLC和變頻器多功能化,已能滿足各種紡織機械的各種技術要求，目前80%以上的紡織機械均推廣應用了PLC控制、變頻調速技術解決了紡織機械的同步或比例同步調速、程控調速、定位控制調速恒張力恒線速調速等。圖4為織軸恒張力恒線速卷繞控制系統原理框圖。 由圖4得 式中：△v ——張力調節輸出其值作為線速度的校正； ω[sub]1[/sub]——角速度的計算值； ω——電機實際輸出的角速度并反饋至卷經計算器。 線速度U和角速度ω。在卷經計算器中相除后再乘以系數1/πD，經斜坡處理后輸出并與ν+△ν，相乘即得角速度的計算值ω[sub]1[/sub] , 經電機和控制器后輸出實際角速度ω。 織軸卷繞控制主要是要求在恒張力下將紗片或織物卷繞到織軸上供織造用, 現在可利用變頻器內部設置的卷經控制功能如圖4所示.將織軸的線速度ν和設置在車頭的張力傳感器信號等送至卷經控制器。計算出當前的織軸卷繞直徑根據該直徑控制織軸卷繞變頻器輸出頻率, 調節電動機轉速使織軸卷繞速度恒定。而張力傳感器測出的張力信號反饋值與設定值比較經張力調節器進行數據處理后輸出△ν加作為線速度微調信號，以保證卷繞張力的恒定。 [align=center] 圖4 卷繞控制原理框圖[/align] 7 現場總線的推廣應用 現場總線是連接現場設備并進行相互通信, 現場設備通過現場總線與上層（車間層）通信或者說現場總線是連接自動控制系統最底層的現場控制器（變頻器,各種電動機驅動器、控制器等）等智能設備。總線網上傳送的是各種檢測數據、控制數據等。傳送的數據量不是特別大，傳送的速率不是很高, 但實時性很高是一種實時控制網絡。 中國紡機（集團）總公司鄭州紡機和上海太平洋集團新四機生產的大型（年產3萬噸～8萬噸）滌綸短纖維生產線均采用Profibus-Dp現場總線控制系統和工業以太網, 如圖5所示。 [align=center] 圖5 滌綸短纖維生產設備控制系統方框圖[/align] 該聯合機包括分為4部分即紡絲、卷繞、絲捅往復和增壓泵分控制系統，該4套分系統通過工業以太網與操作員站和工程師站聯接。后加工聯合機分為2部分，牽伸卷曲和切斷分控制系統（打包機為另一系統），該2套分系統同樣可通過PROFIBUS-DP轉換卡接到工業以太網上。與網上操作員站和工程師站進行通信，圖5中,1LPC～4PLC為紡絲聯合機的分控制系統，5PLC，6PLC為后加工聯合機的分控制系統分述如下： （1）紡絲分系統中的主站PLC（1PLC）對32臺紡絲泵,1臺上油泵的變頻調速和4臺紡絲箱體溫度、壓力進行監控。 （2）卷繞分系統中的主站PLC（2PLC）除控制1-6牽引輥、導絲輥、喂入輪、上油泵（輪）電機的調速外還控制紡絲吹風裝置。 （3）絲捅往復分系統中的主站PLC（3PLC）主要是控制絲桶往復裝置的縱向、橫向運動小車伺服電機的精確定位，并通過觸摸屏實現有關參數的設定、修改和采集。 （4）引增壓泵分系統中的主站PLC（4PLC）主要是控制熔體配管的溫度和熔體壓力。 （5）牽伸卷曲分系統中的讓站PLC（5PLC）主要是控制導絲機，1道、2道、3道牽伸機緊張熱定型機、疊絲機、卷曲機和鋪絲機的比例同步運行，特別是準確控制1道—2道和3道—4道牽伸機間的牽伸比（速比）以及牽伸槽和卷曲的溫度等。 （6）切斷分系統中的主站PLC（6PLC）主要是控制曳引機和切斷機的同步調速。 采用Profibus-DP的還有滌綸長絲紡絲聯合機、漿紗機等10余種紡機設備，該總線是紡機中應用最廣泛的一種。此外還有梳棉機、粗紗機等采用CAN總線，紡粘法不造布生產線, 卷繞頭等采用Modbus現場總線。大部分紡織機械采用了RS485總線，主要是因RS485通信方式價格低能滿足通信數據量不是很大的各種紡織機械的要求。 8 結束語 從上世紀90年代中后期開始我國紡織機械為提高整機技術水平, 增強我國紡機在國際市場的競爭力而積極開發新機型并應用變頻器、PLC等新技術、新產品，解決紡織機械應用中的技術難題, 如同步調速中速差的檢測和調整,應用軟件等, 為紡織機械推廣應用計算機、PLC控制變頻調速創造了條件，因而本世紀初我國紡織機械普通應用控制變頻調速等新技術新產品, 因而使我國紡織機械機電一體化水平得到很大提高，紡織機械在國際市場的競爭力明顯增強近幾年我國紡織機械出口每年遞增20%以上。 原文點擊下載： 紡織機械的機電一體化.pdf