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    一、引言

    細紗機是紡織廠的專用設(shè)備，具有前后兩個輥子。由于前面輥子的速度比后面輥子快，從前輥子進去的粗紗在兩個輥子之間得到拉延，從后面輥子輸出的紗就變細了。花式紗不是均勻粗細，而是粗細相間。要得到粗細相間的紗，只需讓后輥子的轉(zhuǎn)速時快時慢即可。本文設(shè)計了一套機械差動齒輪減速箱，減速箱的兩個輸入：一是前輥子通過減速齒輪傳動后輥子的運動；另一是一臺永磁同步伺服電機，通過控制系統(tǒng)使其頻繁啟停控制。目前永磁同步電機控制系統(tǒng)最大啟停次數(shù)可達280次/min。差動齒輪系的輸出端接后輥子。如伺服電機不轉(zhuǎn)，后輥子勻速旋轉(zhuǎn)，紡出的是普通紗，如伺服電機頻繁啟停，經(jīng)差動輪系合成后，后輥子速度時快時慢，紡出來的就是花式紗了。根據(jù)生產(chǎn)的需要，需要提高細紗機的車速，以提高紡紗的生產(chǎn)率，為保持原來花式細紗粗細相間的節(jié)距，后輥子轉(zhuǎn)速變化率需要提高到500次/min，要求伺服電機啟停率也要500次/min。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)難以滿足要求。

    作者設(shè)計了一套驅(qū)動控制系統(tǒng)，采用兩臺永磁同步電機伺服系統(tǒng)，每臺電機啟停250次/min，兩臺電機啟停時間錯開，通過機械裝置將其合成為500次/min。

    二、差動齒輪系的設(shè)計

    差動齒輪系的工作原理如圖1所示，來自于前輥子的轉(zhuǎn)速經(jīng)過齒輪減速后作為差動齒輪系的一個輸入，另一個輸入由兩臺伺服電動機通過機械合成而成，能實現(xiàn)啟停500次/min。從圖可見，若兩臺伺服電動機不轉(zhuǎn)，差動齒輪系輸出到后輥子的為一個低于前輥子的均勻速度，此時細紡機紡出為普通紗。若兩臺伺服電機均啟停250次/min，且啟停時間錯開，通過機械合成后為啟停500次/min，此時差動輪系輸出到后輥子的變化速度為500次/min，細紡機紡出為花式紗。

圖1 差動齒輪系原理圖

    三、控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計

    在紡紗過程中需要不斷地改變紗的粗細、紗的長度和節(jié)距3個參數(shù)，要求伺服電機不斷改變啟停周期和速度，每種紗常有300多種變化組合，參數(shù)要求方便進行調(diào)整，而且工作環(huán)境較惡劣，可靠性要求高。根據(jù)以上要求本文選擇Mitsubishi的FX2N系列可編程控制器，控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

    伺服系統(tǒng)電機采用Mitsubishi的低慣量永磁同步電機，其參數(shù)為12Nm，22A，2.84KW，3000r/min。兩套伺服系統(tǒng)的速度控制號由PLC模擬量I/O模塊FX2N-3A 輸出控制，其模擬電壓為0～10V。A、B兩套伺服系統(tǒng)的啟停控制信號

    由PLC擴展的脈沖輸出模塊FX2N-1PG輸出端控制，其相位相互錯開。

    為了調(diào)節(jié)紗的粗細、長度和節(jié)距，PLC需要不斷檢測前輥子的速度，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和檢測的前輥子速度計算出后輥子的速度和開關(guān)頻率。本系統(tǒng)中前輥子速度和伺服電機速度的檢測采用光電編碼器，其輸出的脈沖信號輸送到PLC的高速計數(shù)模塊FX2N-1HC進行計數(shù)從而得到前輥子的速度以計算伺服電機速度和開關(guān)頻率。另外PLC選用絕緣型RS232C通訊用適配器與工控機進行通訊，以實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控。工控機采用研華AWS-825，用VB開發(fā)工控機的監(jiān)控程序和控制界面。
 
    四、程序設(shè)計

    根據(jù)PLC的工作過程，PLC控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

    速度檢測采用M法測速，在固定的時間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號的脈沖數(shù)從而計算出轉(zhuǎn)速的大小。設(shè)m1為在固定時間間隔Ts內(nèi)讀取速度信號的脈沖數(shù)，P為電機光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)，在時間Ts內(nèi)共發(fā)出m1個脈沖，其速度為：。

    串行通信模塊數(shù)據(jù)傳送利用RS指令，其與工控機進行串行通信時可以設(shè)置數(shù)據(jù)長度、奇偶性、波特率、停止位等。本系統(tǒng)設(shè)置的通信數(shù)據(jù)長度為8位，采用偶校驗，設(shè)置1為停止位，通信的波特率為2400bps。

    D/A模塊具有電壓輸出和電流輸出兩種形式，電壓輸出可選0～10V和0～5V輸出，本系統(tǒng)選擇0～10V輸出控制伺服電機轉(zhuǎn)速從0～3000r/min變化。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊采用FROM，TO指令，其中FROM控制A/D輸入，TO控制D/A輸出，編程指令包含選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換通道和輸入輸出數(shù)據(jù)存放單元，設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換命令，輸出或讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果等。

    五、上位機的編程

    在Windows下用VB實現(xiàn)串行通信有兩種方法：一種為使用Windows應(yīng)用編程接口（API）。API提供了完備的應(yīng)用程序接口函數(shù)和中斷方式的通信設(shè)備驅(qū)動程序（Comm.DRV）。另一種為使用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）。它包含了Windows API中串行通信的16個函數(shù)所完成的功能，且含有使用戶設(shè)計方便的對象特性。本系統(tǒng)采用VB系統(tǒng)集成環(huán)境提供的串行通信控件（MSComm）實現(xiàn)串行通信。MSComm控件的通信功能的實現(xiàn)實際上是調(diào)用了API函數(shù)，API函數(shù)是由Comm.drv解釋并傳送給設(shè)備驅(qū)動程序執(zhí)行的，對于VB開發(fā)者只需知道MSComm控制的屬性和事件的用法即可以實現(xiàn)串行口的通信操作。

    上位機與PLC之間通信參數(shù)包含伺服電機速度、開停頻率等信息，所以必須要有一個標(biāo)識字節(jié)用于區(qū)分傳送信息的類型。同時考慮到傳輸中可能出錯，再增加一個檢驗字節(jié)。所以本文中兩機之間通訊協(xié)議為每傳一次含括5幀，它們分別是：

    1、標(biāo)識字節(jié)，用于分辮所傳信息的種；2、所傳信息16位二進制碼的低位字節(jié)；3、所傳信息16位二進制碼的高位字節(jié)；4、校驗字節(jié)，為前3個字節(jié)的異或值；5、結(jié)束位，表明此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

    每一幀包括：1位起始位、8位有效數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗位、1位停止位。

    根據(jù)以上分析，本文成功設(shè)計了一套基于PLC控制和工控機監(jiān)控的紡織專用細紗機控制系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于某紡織廠的生產(chǎn)線中。工控機通過PLC串行通信監(jiān)測的伺服電機啟制動時速度的變化曲線如圖4 所示。2個月成功運行表明，該系統(tǒng)設(shè)計合理、工作可靠。

圖4 伺服電機起制動速度變化曲線

    六、結(jié)論

    本文設(shè)計了一套基于PLC控制和工控機監(jiān)控的紡織專用細紗機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)利用差動齒輪系和兩套伺服電機設(shè)計的后輥子速度變化頻率可達500次/min，滿足了細紗機生產(chǎn)的需要。同時利用工控機通過串行通信對系統(tǒng)進行參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)測，運行表明，該系統(tǒng)設(shè)計合理、工作可靠。