基于PLC控制系统的新型电磁引纬织机的研究.pdf

自动控制系统与装置 皇 皇 竺 兰 兰竺 竺 Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e ms＆ E q u ipme n t s 基于 P L C控制系统的新型 电磁引纬织机的研究 罗生梅 ，张博。 ，田乐 ， 曹卫 1 ． 兰州理工大学 数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 兰州理工大学 机电工程学院。 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ； 3 ． 兰州兰石机械设备有限责任公司炼化设备公司， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要 在对传统纺织机引梭装置进行深人研究的基础上， 将电磁技术引入纺织机， 研究开发一种由电磁线圈产生的电磁力来牵引纬 纱引线梭子的纺织机。通过引梭装置中的带电线圈产生的电磁力来驱动引线梭子在梭道中快速运行， 以此来实现引纬运动， 弥补现有引梭装置对纺织机性能的制约， 解决宽幅面的织布问题。同时， 设计开发织机的 P L C控制系统与人机界面， 实现机电 一 体化在纺织机械的应用。 关键词纺织机械； 电磁引纬； 人机界面； P L C控制系统 [ 中图分类号]T S 1 0 3 ． 3 ； T P 2 7 3 ． 5 [ 文献标志码]B [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 2 0 6 0 0 6 1 ～ 0 4 S t u d y o f a Ne w El e c t r o ma g n e t ic Sh u t t l e Te x t i l e Ma c h i n e B a s e d o n t h e PL C l LUO S h e n g - me i ，ZHANG B0 ，TI AN Le 。CAO W e i 。 1 ． K e y L a b o fD i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n ， T h e Mi n i s t r y ofE d u c a t i o n a n d Lan z h o u U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， L a n z h o u ， G a n s u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l D 厂 Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c a l E n g i n e e r i n g。 L a n z h o u U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， Lan z h o u， G a n s u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a； 3 ． L a n z h j o u Lan s h i Ma c h i n e r y E q u ip i n e n t C o ． ， L t d ． ， R e fi n e r y E q u i p m e n t C o m p a n y ， Lan z h o u ，G a n s u 7 3 0 0 5 0， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e i nd e p t h s t u d y o f t r a d i t i o n a l w e ft i n s e r t i o n a p p a r a t u s ，t h e e l e c t r o ma g n e t i c t e c h n o l o g y w a s i n t r o d u c e d i n t o t h e t e x t i l e ma c h i n e s ．A n e w t e x t i l e ma c h i n e w a s r e s e a r c h e d wh o s e s h u t t l e wa s mo v e d b y t h e e l e c t r o ma g n e t i c f o r c e wh i c h w a s g e n e r a t e d b y e l e c t r o ma g n e t i c c o i l ．T h e e l e c t r o ma g n e t i c s h u t t l e w a s mo v e d f a s t i n t h e s h u t t l e p a t h b y t h e e l e c t r o ma g n e t i c f o r c e ． T h r o u g h t h i s t e c h n i q u e。 t h e w e ft i n s e r t i o n mo v e me n t wa s a c c o mp l i s h e d a n d a d e f e c t w a s r e me d i e d t h a t wa s a r o u s e d b y t h e t r a d i t i o n a l we f t i n s e r t i o n a p p a r a t u s ．T h e w e a v i n g q u e s t i o n w h i c h i s w i d t h o f c l o t h w a s s o l v e d b y t h e n e w t e c h n i q u e ． Me a n w h i l e，t h e P L C c o n t r o l s y s t e m a n d t h e h u ma n ma c h i n e i n t e r a c t i o n w h i c h we r e a p p l i c a t i o n o f me c h a t r o n i c s t o t e x t i l e ma c h i n e r y we r e d e s i g n e d ． Ke y wo r d s t e x t i l e ma c h i n e ry ； e l e c t r o ma g n e t i c s h u t t l e ；h u ma n ma c h i n e i n t e r a c t i o n；P L C c o n t r o l s y s t e m 0 引 言 改革开放以来 ， 纺织工业以每年 1 3 ％的速度高速增长， 我国 主要纺织产品产量和生产能力居世界首位。中国纺织工业联合 会统计数据显示 到 2 0 1 0年， 中国纺织服装业规模以上企业 的产 值突破了4万亿元规模 ， 行业全年出 口额达到了 2 0 6 0 5亿美元， 十年间出口额累计增长了2 9 2 ． 1 ％ ， 年均增幅达 1 6 ． 4 ％， 持续保 持了两位数的增长幅度， 同时就业人数也保持在 2 0 0 0万人 口之 上。因此对纺织机进行技术革新在纺织机械设计与制造的应用 领域具有很强的现实意义⋯。 1 新型电磁引纬织机结构 1 ． 1 电磁引纬机构简介 在图 1中可以看到电磁引梭装置的导轨由数个竖起的绕有 线圈的导磁体 1 组成 ， 导磁体 1的齿距为 7 1 ， 各个线圈4的一端连 为一体 ， 另一端分别为控制端。所有导磁体固定在导轨托架 7 上， 托架 7由导磁材料制成。导磁体 1两侧开有梭子的导向槽 B 。横线引线梭子由梭体 2及永磁体 3所组成， 梭体 2镶嵌在导 收稿 日期 2 0 1 20 21 7 向槽 曰的两侧， 永磁体 3在梭体 2的心部 ， 、 Ⅳ为永磁体 3的两 极。布匹9的纵线上半部在梭子上方， 下半部 1 1由导磁体之间 的空隙穿过。 电磁引梭装置的工作原理如图 1 所示 在每个线圈4的控制 端 x I 5 、 x I 4 、 x I 3分别加上电压时， 对应的导磁体 1 形成的 两级分别为 S X I 5 、 S X I 4 、 S X I 3与 N X I 5 、 N X I 4 、 N X I 3 ， 在导磁体 1 、 导轨托架 7 、 永磁体 3之间形成磁路 8 。在某个线圈 的控制端， 如 x I 5上取消电压， 形成的磁极 S X I 5与 N X I 5 消失， 梭子所受磁力失衡 ， 梭子右移， 移动T ／ 2个齿距到达新的平 衡点； 随后当使 x I 2加上电压， 对应的导磁体产生一对与前者 方向一致磁极， 梭子所受磁力又失衡， 梭子右移， 再次移动 T ／ 2个 齿距 ， 到达新的平衡点， 这时梭子由原来的初始位置向右移动了 一 个齿距 T 。如此不断切换线圈的通电次序， 梭子从左移动到 右， 图2为其剖视图。 1 ． 2 送经机构和卷取机构 电磁引纬织机采用电子连续式送经卷取机构， 如图 3所示， 当经纱从经轴9， 由送经伺服电机 1 0送出时， 经由固定后梁 7和 活动后梁 6 ， 在活动后梁 6 上设置经纱张力传感器 1 2 ， 经纱张力传 感器 1 2将实时张力值的信号通过 A ／ D模块传递给控制器 P L C ， E le c t r i c a I Au t o ma t io n 6 1 电气自动化} 2 0 1 2 年第3 4 卷 第6期 自动控制系统与装置一 Au t o ma t i c Co n t rol S y s t e ms＆ E q u ip me n t s 主轴的角度和速度 ， 以 1 一 导磁体 2一梭体 3一永磁体 4一 线圈 5一并联端 6一 控制端 7一导轨托架 8一 磁路 B一 导向槽 T一齿距 此为时间轴线来控制织 图1 电磁引梭装置的结构图 机的五大机构运动。织 物纬 密 可 以 通 过 人机界 面进行预 设 ， P L C通过控制 卷取 伺服 电机 2 的转速 来控制相 应织物 的纬 密 ， 从 而实现与送经运 动的协调运作， 最 大 程 度 的避 免 开 车痕的产生 ， 提高 织物 的质量 。 9一布匹 1 0一纵线上半部 1 1 一纵线下半部 图2 电磁引梭装置的 A A剖视图 2 控制系统硬件设计 2 ． 1 控制器 本文采用 f3 本三菱公司 F X 系列 P L C ， 它是一种小型化、 高 速度、 高性能的产品， 是 F X系列中最高档次的超小型程序装置。 三菱 F X 系列 P L C内置 8 K容量的 R A M存储器 ， 最大可以扩展 到 1 6 K， C P U运算处理速度基本指令已达到 0 ． 0 8 p ,s ／ 指令， 应用 1 一卷布辊 2一卷取伺服电机 3一卷取辊 4一钢筘 5一综片 6一活 动后梁 7一固定后梁 8一主轴光电编码器 9一经轴 1 0一 送经伺服 电机 1 l 一主电机 1 2一 经纱张力传感器 l 3一力矩电机 图 3 电子送经卷取机构设计 图 6 2 E l e c t r ic a l A u t o ma t io n 程序也已达到 1 ． 5 2 s ／ 指令 。在 F x 系列右侧可连接输入输 出扩展模块和特殊功能模块。 2 ． 2 光电编码器 光电编码器是一种高精度的角位置测量传感器， 它具有分辨 率高、 响应速度快 、 体积小、 输出稳定等特点 J 。纺织常用的光电 编码器采用增量型， 其输出有 A、 B、 Z三相脉冲。不同型号的光 电编码器有不同的分辨率 即每旋转一转所输出的脉冲数 ， 本课 题采用的光电编码器6 0 0 P ／ r ， 将其输出的高速脉冲输入到控制器 P L C中去， 利用 P L C的高速计数器， 实现对主轴转角的实时监测， 并根据主轴角度对相关电器元件进行控制， 实现织机的动作要求。 2 ． 3 输入输出点的分配 织机控制系统如图4所示， P L C控制器通过通信接 E l R S 2 3 2 与人机界面连接， 其输入输出见表 1 。 2 ． 4人机界面 采用 E v i e w MT 4 0 0 0系列的 M T 4 3 0 0 C触摸屏作为人机界面， 该触摸屏采用 2 4 V D C供电， 采用四线式精密电阻网络， 标准硬件 两个串ii3 可以同时使用 R s 2 3 2 ／ R s 4 8 5 ／ R S 4 2 2通讯协议， 能够连 接不同的控制器。 3 控制系统软件设计 3 ． 1 P L C控制器的程序设计 1 控制器程序设计包括 织机正常织造主程序， 电磁引纬 子程序， 卷取送经子程序， 故障检测子程序 ， 停车处理子程序等。 其程序图如图5所示。 2 光电编码器检测主轴角度， 应根据织机运动圆图的时 间顺序来决定织机相应的先后运动。 3 织物长度计算， 当织机每转一圈， 计数器加 l ， 如下面公 式所示 ， 。 一6 1 式中 为织物下机理论长度， 单位 m； Ⅳ为纬纱根数 计数器 值 ； P 为纬纱密度， 单位根／ 1 0 c m； 6 为下机缩率 ， 单位％。 开关量输入 开关 、 按 钮、触点等 模拟薰输入 传感器等 人机界面 通信接口 动控制系统与装置 皇 竺 竺 竺 兰兰 A u r o raa t i c Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u i p me 开关量输出 各种执行 器、显示器等 模拟景输出 伺服电动 机、电动调节阀等 I I 输入信号 输出信号 X 0 0 0 光电编码器 A相脉冲 Y O 0 1 主电机正转 X O 0 1 光 电编码器 B相脉冲 Y 0 0 2 主电机反转 X 0 。 2 光电编码器 Z相脉冲 Y 0 o 3删6多 l 8 X 0 1 0 启动主电机 Y 0 2 7 油泵接触器 X 0 1 1 停止主电机 Y 0 3 0 电机正 向卷取 X O 1 2 主 电机点动 Y 0 3 1 电机正 向送经 X 0 1 3 主电机紧急停止 Y 0 3 2 电机反 向卷取 X 0 1 4一 X 0 1 5 梭子接近开关 Y 0 3 3 电机反向送经 X 0 1 6 经纱张力传感器 Y 0 3 4 Y 0 4 5 X 0 1 7 液位传感器 Y 0 4 6～ Y 7 7 备用 x 0 2 o 断经信号 X 0 2 1 断纬信号 X 0 2 2 主机变频器故障 X 0 2 3 送经伺服故障 X 0 2 4 送经 伺服备 妥 X 0 2 5 卷取伺服故障 X 0 2 6 卷取伺服备妥 x O 2 7～X 7 7 备用 4 自动润滑程序。利用在润滑油路 中的液位传感器 ， 当 液位传感器 X1 5检测到润滑油液面下降低于设定值时， 自动启动 油泵接触器 Y 0 7 ， 实现 自动润滑功能。 5 故障检测程序。用停经片装置检测是否有经纱断头， 断纬 自停装置检测是否有纬纱断头。 6 用安装在织机活动后梁上的张力传感器， 输出 4～2 0 m A电流给 P L C的模拟量输入模块 ， 经过相应计算， 将计算出的 经纱张力值实时反馈给触摸屏 ， 在触摸屏中实时显示出经纱张 力 ， 经 P I D运算后 ， 控制高速脉冲输出口发送一定的高速脉冲给 卷取、 送经伺服电机， 控制织物纬密和经纱张力。 3 ． 2 电磁引纬子程序设计 由于电磁引纬梭子的飞行速度较快 ， 为了实现提高梭子在梭 板中来 回运动控制的 精确性， 在与走梭板平 齐的梭箱处加装一对 接近开关。此开关 位 于梭道的两端， 当电磁 梭子完成一个工作行 程到达一端时， 此接近 开关将信号输入 P L C 的输入单元， 通过 P L C 程序的逻辑判断， 启动 相应的通断电程序。 根据 电磁 引梭装 置的工作原理 ， 将电磁 引梭装置 的结构进行 相应的简化， 以达到简 化编程 的 目的。其 简 化 后 的 结 构 如 图 6 所示 。 l～1 0为电磁 引 梭装置的 1 0个 电磁控 图5 控制器的程序简图 图6 电磁引梭装置简图 制线圈， S Q 1为接近开关 1 ， S Q 2为接近开关 2 ， 当接到启动信号 时， 引线梭子在图中 1 2 3 的初始位置， 1 、 2 、 3 三个电磁线圈通 电， 然后 1 点带电线圈取消电压 ， 引线梭子右移， 移动 T ／ 2个齿距 到达新的平衡点； 当4点电磁线圈施加电压 ， 梭子右移 ， 再次移动 T ／ 2个齿距， 到达新的平衡点。如此不断切换线圈的通 电次序， 梭子从左移动到右。 当引线梭子到达 1 0点位置时 ， 接近开关 2检测到梭子已经 到达指定位置， 则输出信号到 P L C系统， 启动另外一套反向运动 程序 ， 根据上述工作原理使引线梭子回到初始位置， 如此循环往 复可以实现纺织机的引纬动作。 仪 目披U 关 ． ， x1 4 Y3 右梭箱接近开 Y3 5 关 Y3∈ y X 1 5 Y3 停止信号输 P LC Y4C 入 m Y4l ．． ．． ．．． ．． ．． ． l 。．． ．． ．．． ．． ．． ．． ．．． 一 X l l Y4 2 启动信号输 入 Y41 m ．． ．． ．．． ．． ．． 1l ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 X1 0 Y4 Y4 C0M l 点继电器得电 2 点继电器得电 3 点继电器得电 4 A继电器得电 5 点继 电器得 电 6 点继电器得电 7 A继 电器得 电 8 点继 电器得 电 9 A继电器得电 l o A继电器得电 图7 P L C系统部分输入输出I ／ O图 E le c t r i c a l Au t o ma t io n 6 3 电气自动化 2 o 1 2年第3 4 卷 第 6 期 自动控制系统与装置 A u t o ma t i c Co n t r o I S y s t e ms＆ E qu ip me n 根据控制要求， 画出 P L C控制部分输入输出 I ／ O接线图， 如 图 7所示 。 其 中输入部分有 X 1 4为接近开关 1 ； X 1 5为接近开关 2 ； X 1 1 为停止信号输入； X I O为启动信号输入。输 出部分有 Y 3 4为 1 点继电器； Y 3 5为 2点继电器； ⋯⋯； Y 4 5为 1 0点继电器。 梯形图的设计采用顺序控制的方法， 自上而下， 完成控制任 务。其设计的梯形图如图8所示。 图8 P L C控制系统部分梯形图 ， ” ” ” ” ” t { t i 现 U ； { 人 t i 纯净的 如 曩 口 } 的最后 T I ． ． ． ． ． 在人 类 渴 体 的 7 0 ％ P L C控制系统控制动作顺序为 当有输入启动信号 X l O后， 辅助继电器 M1 0 0得电， 进而 自锁进人工作状态， 同时， 1点继电 器 Y 3 4 ， 2点继电器 Y 3 5和3点继电器 Y 3 6得电； T I 定时器工作， 0 ． 1 S 后 1 点继电器 Y 3 4失电， 引线梭子向右前进T ／ 2个齿距； T 1 定时器动作 ， 带动4点继电器 Y 3 7得电， 引线梭子又向右前进 T ／ 2个齿距⋯⋯如此循环， 当到达 1 0点时， 触碰到限位开关 X1 5， T 1 0定时器动作， 0 ． 1 S 后， Y 4 5失电， 引线梭子向左前进T ／ 2个齿 距； T 1 0定时器动作， 带动 Y 4 2得电， 引线梭子又向左前进 T ／ 2个 齿距⋯⋯当到达 1 点时完成一个工作循环， 这时接近传感器 X1 4 检测到梭子的位置， 则启动下一个工作循环程序。 当需要停止设备时， 输入停止信号 X 1 1 ， 使辅助继电器 M I O 0 失电， 可以停止整个控制系统。 将定时器的定时时间设置为 0 ． 1 s ， 当然， 在实际的纺织生产 中可以根据生产的需要， 在合理的范围内设置所需时长来控制引 线梭子的速度。 4 结束语 由于电磁式引梭纺织机具有效率高、 适合老机改造且改造方 便等优点， 符合我国的具体国情 ， 有希望成为我国大面积有梭织 机改造的一条较好的途径， 同时引入 P I C可编程控制系统可以 提高电磁引梭装置的可控性 ， 提高织机的机电一体化程度。 参考文献 [ 1 ]朱苏康 ， 陈元甫． 织造学 上册 [ M] ． 北京 中国纺织出版社， 1 9 9 6 3 4． [ 2 ]高超， 梁海顺， 陈赞， 等．几种喷气织机四连杆打纬机构的比较分析 [ J ] ． 纺织器材， 2 0 0 8 ， 3 5 4 2 9 3 2 9 5 ． [ 3 ]顾惠祥 ， 卢达， 孙华平．基于三菱 P L C的高速剑杆织机定位控制[ J ] ． 匕海纺织科技 ， 2 0 0 4， 3 2 4 2 02 2 ． 【 作者简介】罗生梅 1 9 6 4一 ， 女， 青海西宁人， 中国机械工程学会会员， 副教授 、 硕 士研 究生导 师。研 究方向 为数控 技术 、 机 械制造 及 自动化等 。 获省级奖励四项， 厅级奖励一项， 发表论文四十多篇， 俄 罗斯 文摘 摘录 两篇， 获专利三项， 出版专著一部； 张博 1 9 8 6一 ， 男， 河南驻马店人， 硕 士研 究 生； 田 乐 1 9 8 2一 ，男， 陕 西 渭 南 人 ， 硕 士研 究 生 ； 曹 卫 1 9 6 7一 ， 男， 甘肃兰州人， 工程师， 主要从事工厂供电、 设备管理、 设备维 修、 维护及设备大修理 等工作 。 节约用水 ， 从点滴开始 了有水喝 ； 将来 ， 地球 渴 了会 怎样 是水 ， 你 污 染 的水 早晚 也会 污 染 你 水 留给 下 一 代 吧 果人类不从现在节约水 源 一 滴水 将是 自 己的眼 泪。 6 4 E le c t r i c a I Au t o ma t io n ，保 护环境 ， 人 类 看 到 ． ． ． - m 偈n 卯n Ⅲ鼬 码 n 鸭 n w n 惭 {2 n 主 曼 } 2 n 懈 n m