PLC控制開關磁阻電機在無梭織機主傳動系統中的應用

1 引言
無梭織機的主傳動一般都采用高轉矩三相交流電動機驅動，通過三角皮帶和離合器來傳動主軸和其它的機構，變速時更換皮帶輪，停車時采用制動裝置。傳統的織機主傳動系統中離合器和剎車片的磨損以及皮帶的打滑都會使起停性能逐漸變差，需要定時更換維修;另外，使用交流異步電動機織機只能通過更換皮帶輪實現有級調速。當織機在慢速尋緯時還需專配一臺小電機帶動相關機構完成，從而增加了機械的復雜程度和維護難度。中低檔撓性劍桿織機的電控系統一般都采用電子元件或集成線路板與繼電器組成的電控系統。織機停車故障的引入信號主要為斷經和斷緯，其中由壓電陶瓷傳感器引入的緯紗信號為連續模擬小信號，而上述電控系統是通過繼電器實現邏輯控制的，不能對該模擬量進行有效的運算處理;在現場控制中，由于電網電壓波動、機器振動等干擾因素，使斷緯電信號檢測失誤，造成織機無故停車，直接影響到織造質量和機器效率。
近年來比利時畢佳樂公司引入了一種新型交流調速電動機傳動系統—開關型磁阻電動機(SRM，稱作Sumo馬達)傳動系統，該公司生產的無梭織機均將Sumo馬達作為織機的標準配置。由于該類電動機結構簡單堅固、工作可靠、效率高，因此由其構成的傳動系統運行性能和經濟指標比普通的交流電動機，甚至比晶閘管－直流電動機系統都好。Sumo馬達基于可調節磁阻技術，可直接啟動織機，無需離合器和制動裝置，有相當快的響應速度。
針對現有劍桿織機電控系統的上述缺陷，本文提出了一種利用可編程控制器系統取代原電子元件、集成線路板、繼電器的開關磁阻電機控制系統，使其性能得到進一步的改善。

2 無梭織機主傳動系統控制要求
2.1 織機的啟動
按下啟動按鈕，能夠正常啟動開車;織機正常開車的前提條件是:左右墻板上安裝的光電安全裝置處無障礙物，找緯信號開關斷開，經停、緯停裝置處于無斷經、斷緯狀態，緊急停車按鈕釋放。
可實現點動操作。當按下點動按鈕時，劍桿織機劍頭動程和速度大小由手控按鈕的時間長短來決定。

2.2 織機的制動
斷經停車:斷經可能發生在織機的任何角度，其停車按圖1所示時序進行。這里涉及到一個“剎車角”的概念，即剎車動作開始到織機完全剎停的角度，本課題的織機剎車角為90°(310°～40°)。當檢測到斷經發生時，織機一直運行到310°時開始剎車，40°時剎車動作完成(此時織機負載最大，有利于剎車)，然后再返回到320°綜平位置(有利于穿經)，至此斷經定位停車動作完成。

圖1 斷經停車

斷緯停車:斷緯一般發生在織機的引緯過程中，其停車按圖2所示時序進行。在織機的90°—290°區域檢測緯紗狀態(正常時該區域內有緯紗信號輸出)，織機一直運行到310°時開始剎車，40°時剎車動作完成，然后再返回到前一緯的40°(開口最大位置，有利于處理緯紗)，至此斷緯定位停車動作完成。

圖2 斷緯停車

在織布達到預先設定的長度后或當遇到換班、臨時檢修等時，可使織機停于經停位置;出現緊急狀態時，按下停車按鈕使織機停車，此時停車位置不受主軸轉角的限制。

2.3 織機的調速
當織制不同品種需要改變織機轉速的時候，可以通過直接調節電機轉速來實現。

3 系統的硬件設計
3.1 織機的選取
織機選用實驗室樣機，其額定轉速300r/min。用開關磁阻電機取代原有的電機、皮帶輪、離合器和制動器。
3.2 開關磁阻電機
試驗選用國產的通用開關磁阻電機。其主要技術參數如下:額定功率3kW，額定轉矩19.1N·M，額定轉速1500r/min，轉速范圍30～2000r/min，輸出特性:恒轉矩(30～1500)，啟動轉矩28.6N·M，制動轉矩19.1N·M。
3.3 自動尋緯功能的實現方案
傳統劍桿織機配備有輔助傳動機構，由一功率較小的電動機驅動，使織機以較低的轉速正轉或反轉。當經停或緯停發生時，低速電機將以預定的方式驅動織機的有關機構進行找斷緯和對織口等操作。在本系統中，由于主電動機采用開關磁阻電動機，并由PLC進行控制，調速方便。因此，省去原來的輔助傳動機構。直接由主電機完成原來輔助傳動機構的操作。
其方案示意圖見圖3:

圖3 方案示意圖

在織機正常運行時，圖中4向左移動和5嚙合，電動機通過齒輪3帶動主軸、齒輪2帶動開口機構等運轉。當需要做尋緯等慢速動作時，控制器發出信號，圖3中4向右軸向移動，于是4和5脫開，主軸脫離電機轉動系統。電動機通過齒輪1、2只帶動開口等機構慢速反轉。慢速反轉結束后，在正常開車前，4再向左軸向移動與5嚙合，從而再次帶動主軸正常運轉。在織機正常啟動運轉時，其主軸轉速為300r/min，試驗用齒輪模數為6，齒數分別為Z1=23、Z2=57、Z3=57，從電機到織機主軸的傳動比為2.5。

3.4 PLC控制系統的優勢及選取
與傳統的繼電器邏輯控制相比，PLC具有的主要優勢為:可靠性高，邏輯功能強，體積小;采用軟件編程來實現控制任務，改變控制功能只需改變程序;PLC以繼電器邏輯梯形圖為編程語言，學習方便;抗干擾能力強，能夠在惡劣的環境下可靠運作。現代PLC已經成為工業自動化領域中最重要、應用最多的控制設備。從國內紡機廠的生產狀況分析看，江蘇高淳、山西經緯、無錫龍力等，均采用以PLC為核心并配以旋轉光電編碼器為檢測元件作為主要電控器件，既簡化了硬件設計，減少故障點，又提高了系統的可靠性和穩定性，得到了用戶肯定。這表明該系統設計已趨成熟。
PLC的選取考慮兩個問題:PLC的容量和選擇何家公司的PLC及外設。本系統包括以下輸入輸出點，見表1:
表1 I/O點數

本系統共包括24路開關量，4路模擬量。因此選用松下電工的型號為FP1C40的PLC。其有24個輸入點和16個輸出點，另加一FP1-2D/A擴展單元，擴展單元可擴展4個模擬點，可以滿足本系統的要求。
FP1是松下電工的FP系列產品中一種功能很強的小型機，雖然其進入中國市場較晚，但由于設計上的獨到之處和優良的控制功能，一經推出就很受歡迎。FP1主控單元內有高速計數器，可輸入高達10kHz的脈沖，并可同時輸入兩路脈沖。還可輸出頻率可調的脈沖信號，具有8個中斷源的中斷優先權管理。通過主機上配有的RS-422或RS-232接口，可實現PLC和PC機之間的通信。FP1的硬件配置較全，主機可通過外接I/O擴展單元(擴展單元為一些擴展I/O點數的模塊，由E8～E40系列組成)。FP1的智能單元主要有A/D、D/A模塊。當需要對模擬量進行測量和控制時，可以連接智能單元。

4 系統軟件設計
該系統軟件程序的流程框圖如圖4所示:

圖4 系統軟件程序的流程

程序開始首先選擇系統的運行方式，即自動還是點動。選擇自動按鈕時，系統將進入自動運行狀態，首先判斷緊急停車信號、安全信號、經停、緯停、定長和定位信號的狀態，如果上述信號都未接通，則PLC通過輸出繼電器向電機輸出正常啟動所需要的電壓，織機在電機帶動下迅速啟動。如上述任一信號接通，則程序立即轉向相應的子程序。待子程序執行完畢，相應的信號復位后可重新開車。
由此由主軸正常轉速400r/min，得電機正常轉速為400×2.5=1000r/min。在電機需要慢速倒轉帶動開口等機構運動時候，同理可得電機的轉速應該為30×2.5=75r/min。所選的開關磁阻電動機的調速控制由電位器的給定電壓來控制，向電位器給定正向電壓則電動機正轉，反之則反轉。電位器給定的電壓范圍為-10V～＋10V，對應輸出轉速從-2000n/m～＋2000n/m成比例變化。從PLC控制的角度看，所選用的松下FP1模擬量輸出電壓范圍為0～10V和0～5V兩檔，選擇第一檔，對正常啟動時向電位器輸出5V電壓;對慢速轉動時輸出電壓0.375V。對于輸出負電壓則在接線時反結電位器即可。

5 結束語
通過本系統設計、試驗，得到如下結論:采用PLC控制，使主傳動控制系統硬件電路大為簡化，系統運行可靠;同時還可擴展為整臺織機的控制器，以實現整機的協調工作，提高織機的自動化程度。采用開關磁阻電動機調速方便，省去了電磁離合器等零部件，當織機在慢速運轉和尋緯時無需專配小電機，由主電機直接帶動主軸完成，降低了機械的復雜程度和維護難度，生產效率也同時提高。