一、前言
卷染機(jī)適合目前市場(chǎng)對(duì)多品種小批量織物的染色需求，可間歇式生產(chǎn)，發(fā)展前景看好應(yīng)用越來(lái)越廣泛。卷染機(jī)控制方面要求具備自動(dòng)記道、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)換向、自動(dòng)掉頭、自動(dòng)停車(chē)、防墜液等功能，在整個(gè)工藝過(guò)程中，要求保證布匹的張力和線速度恒定，因此對(duì)系統(tǒng)的自控控制水平要求較高。國(guó)內(nèi)較為傳統(tǒng)的卷染機(jī)大部分采用雙直流電機(jī)控制，只能達(dá)到近似的恒張力控制效果，也有采用單變頻器的卷染機(jī)，放卷采用異步電機(jī)直流制動(dòng)的方式，收放卷用接觸器在變頻器和直流制動(dòng)之間進(jìn)行切換，以上這些方案，分析其原理，都是在較大誤差情況下的一種近似結(jié)果，因此控制效果不盡如人意。進(jìn)口的高檔卷染機(jī)，有的采用伺服控制，有的是用價(jià)格昂貴的工程型變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，效果較為理想，但是對(duì)于國(guó)內(nèi)的用戶來(lái)說(shuō)，成本壓力很大。本文以一個(gè)工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明采用科創(chuàng)力源張力控制專用變頻器精確并巧妙的完成卷染機(jī)的工藝要求。
CLM158巨型卷染機(jī)技術(shù)指標(biāo)：
◆門(mén)幅：1800--3600mm；
◆最大卷徑：1500mm；
◆車(chē)速：20--150m/min；
◆最高溫度：98℃；
◆張力調(diào)整范圍：300~1000N；
圖1是卷染機(jī)工作的示意圖，這是一個(gè)典型的中心卷曲控制系統(tǒng)。未染色的布匹首先通過(guò)上布電機(jī)卷曲到其中的一個(gè)輥筒上，在輥筒的傳動(dòng)軸上安裝有計(jì)數(shù)用的接近開(kāi)關(guān)，此時(shí)控制系統(tǒng)計(jì)下整卷布的道次，上卷完畢，采用人工的方式把布匹的一頭卷到另外一個(gè)輥筒上面，待包覆緊密即可正常開(kāi)始工作。此時(shí)兩個(gè)輥筒朝著同一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)，控制的要求是保持布匹上的張力恒定，保持布匹在染液經(jīng)過(guò)的時(shí)間一致，也就是線速度恒定。這是個(gè)沒(méi)有線速度反饋的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，但線速度又實(shí)實(shí)在在的隨著輥筒的半徑的變化在變化。因此，控制系統(tǒng)需要適應(yīng)這種獨(dú)特的要求。
科創(chuàng)力源CM60-T變頻器為卷染機(jī)的高性能控制提供了理想的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。在各個(gè)卷染機(jī)廠家以及最終用戶處的實(shí)際使用情況表明，采用CM60-T控制的卷染機(jī)，兼顧了控制性能和成本之間的要求，為該行業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)換代提供了優(yōu)秀的解決方案。下面結(jié)合用于平幅絲綢棉布尼龍人造及合成絲等織物的CLM158 巨型恒張力卷染機(jī)的工程實(shí)例說(shuō)明CM60-T高性能矢量控制變頻器在該行業(yè)的應(yīng)用。
二、采用張力控制專用變頻器的卷染機(jī)電氣系統(tǒng)
卷染機(jī)的控制可以分為溫度控制和傳動(dòng)控制兩部分，本文重點(diǎn)描述的是關(guān)系到張力以及線速度控制的驅(qū)動(dòng)部分控制。
該卷染機(jī)的控制系統(tǒng)以西門(mén)子作為控制器，采用觸摸屏作為人機(jī)界面，它們主要完成的是張力，線速度的設(shè)定，布的厚度的測(cè)量以及相關(guān)邏輯動(dòng)作的控制。變頻器和PLC之間采用485通訊。采用通訊方式的好處是可以隨時(shí)知道變頻器主要變量的信息，減少接線，使得整個(gè)系統(tǒng)看起來(lái)很精簡(jiǎn)。兩臺(tái)完全一樣的變頻器，它們均工作于閉環(huán)矢量控制模式，由于卷染機(jī)在接近滿卷時(shí)候會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間工作在很低的頻率下（1~3Hz）,采用較高線數(shù)的編碼器有助于提高在低轉(zhuǎn)速工況下的控制性能，同時(shí)考慮散熱，需要采用變頻專用電機(jī)。
上布時(shí)刻，PLC記錄下該布卷在輥筒上面的總?cè)?shù)，然后由操作工測(cè)量該布卷的直徑，把這個(gè)值輸入到HMI，PLC根據(jù)直徑和總?cè)?shù)，可以精確計(jì)算出來(lái)單層布的厚度。采用這種方法獲得布厚，誤差很小。布厚通過(guò)485通訊傳送到CM60-T張力控制變頻器，作為控制的最基本參數(shù)。同時(shí)針對(duì)每種織物，染色所需要的張力以及染色速度，也在HMI上面設(shè)定好，然 后通過(guò)PLC傳遞給變頻器。
CM60-T的功能十分強(qiáng)大，除了具有常規(guī)的慣量補(bǔ)償，卷徑計(jì)算，摩擦力補(bǔ)償，錐度計(jì)算等張力控制功能之外，還有一個(gè)為了線纜、印包等行業(yè)收卷控制的自動(dòng)換盤(pán)設(shè)計(jì)的功能：預(yù)驅(qū)動(dòng)。該功能的作用是根據(jù)線速度和卷徑的關(guān)系，自動(dòng)計(jì)算出所匹配的角速度。利用這個(gè)功能，我們首先可以實(shí)現(xiàn)卷染機(jī)控制要求中的恒定線速度控制。其原理是：根據(jù)設(shè)定的線速度以及布匹的初始直徑，布匹的厚度，我們可以得到一個(gè)匹配的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)直徑變化的時(shí)候，輥筒每旋轉(zhuǎn)一圈，變頻器會(huì)自動(dòng)減去一層布的厚度，從而得到一個(gè)新的直徑，通過(guò)這個(gè)新的直徑，變頻器又能夠計(jì)算出所需要匹配的線速度，如此周而復(fù)始，可以確保布匹線速度的恒定。
恒張力的控制，則是利用矢量控制變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能，實(shí)時(shí)的根據(jù)張力的設(shè)定值，錐度，補(bǔ)償量以及卷軸直徑計(jì)算出所需要的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到間接的控制帶材張力的目的。這種控制方式適合較低速度下的大張力控制，而卷染機(jī)正是較為典型的該類系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，變變頻器接收PLC通過(guò)485傳送過(guò)來(lái)的張力設(shè)定值，然后根據(jù)布厚的遞歸運(yùn)算得到直徑，張力設(shè)定值乘上半徑除上機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)比就是電機(jī)所需要輸出的轉(zhuǎn)矩。
在該系統(tǒng)中，假設(shè)我們把放卷的定為速度模式，它始終工作在預(yù)驅(qū)動(dòng)模式下，根據(jù)輥筒直徑的變化計(jì)算出需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)保證布匹的線速度恒定，收卷的則始終工作在轉(zhuǎn)矩控制模式下。當(dāng)一個(gè)方向快要染到頭的時(shí)候，只需要切換一下兩臺(tái)變頻器的收/放卷控制模式和預(yù)驅(qū)動(dòng)即可。而這正好是一組邏輯上相反的信號(hào)，采用一個(gè)繼電器即可獲得。
由卷染機(jī)的工作原理可見(jiàn)，放卷的電機(jī)始終處于發(fā)電模式，通常的做法都是采用制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻，將制動(dòng)產(chǎn)生的能量以熱量的形式消耗掉。對(duì)于卷染機(jī)這樣長(zhǎng)年累月工作在發(fā)電模式下的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種方式電能的浪費(fèi)是大量的?？苿?chuàng)力源變頻器可以方便支持公共直流母線，我們?cè)趯?shí)踐中將兩臺(tái)變頻器的P N母線直接并聯(lián)，這樣正常工作制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)并聯(lián)的母線又回到拖動(dòng)的電機(jī)。為了考慮在快速減速的時(shí)候，有可能兩臺(tái)電機(jī)都處于發(fā)電狀態(tài)，在其中的一臺(tái)變頻器上面仍舊并聯(lián)了一個(gè)制動(dòng)電阻，這個(gè)電阻的工作是短時(shí)的，能耗很小。老是卷染機(jī)控制柜下方很大的一個(gè)電阻箱現(xiàn)在可以完全取消了，既節(jié)省了能耗，又避免了很大的一個(gè)熱源，從而系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。
三、結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)在優(yōu)化參數(shù)值之后，設(shè)備試機(jī)時(shí)速度150米/min非常穩(wěn)定，完全解決了原來(lái)采用直流電機(jī)張力控制不夠連續(xù)、穩(wěn)定的問(wèn)題。為了穩(wěn)妥器件，第一套系統(tǒng)在染缸底部的過(guò)渡輥上面安裝了張力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)布匹的張力，從傳感器檢測(cè)回來(lái)的數(shù)據(jù)可以看到，這個(gè)系統(tǒng)的張力控制的非常的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)的時(shí)候波動(dòng)可以做到小于5%，快速加減速度的動(dòng)態(tài)過(guò)程波動(dòng)小于15%。從傳感器也可以看到錐度系數(shù)在控制中的作用，而這些性能，功能都是原來(lái)直流電機(jī)沒(méi)有做到的。采用公用母線方式，設(shè)備效率為90-95%、節(jié)電率為40%左右。而且本系統(tǒng)電氣器件配置簡(jiǎn)練、邏輯清晰，兼顧了控制要求和成本之間的要求，的確是個(gè)性價(jià)比優(yōu)良的方案。