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    一、引言

    細紗機是紡織廠的專用設備，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，只需讓后輥子的轉速時快時慢即可。本文設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，通過控制系統使其頻繁啟停控制。目前永磁同步電機控制系統最大啟停次數可達280次/min。差動齒輪系的輸出端接后輥子。如伺服電機不轉，后輥子勻速旋轉，紡出的是普通紗，如伺服電機頻繁啟停，經差動輪系合成后，后輥子速度時快時慢，紡出來的就是花式紗了。根據生產的需要，需要提高細紗機的車速，以提高紡紗的生產率，為保持原來花式細紗粗細相間的節距，后輥子轉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，國內外生產的伺服驅動系統難以滿足要求。

    作者設計了一套驅動控制系統，采用兩臺永磁同步電機伺服系統，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、差動齒輪系的設計

    差動齒輪系的工作原理如圖1所示，來自于前輥子的轉速經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，能實現啟停500次/min。從圖可見，若兩臺伺服電動機不轉，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、控制系統硬件的設計

    在紡紗過程中需要不斷地改變紗的粗細、紗的長度和節距3個參數，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，參數要求方便進行調整，而且工作環境較惡劣，可靠性要求高。根據以上要求本文選擇Mitsubishi的FX2N系列可編程控制器，控制系統的原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統原理框圖

    伺服系統電機采用Mitsubishi的低慣量永磁同步電機，其參數為12Nm，22A，2.84KW，3000r/min。兩套伺服系統的速度控制號由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。

    為了調節紗的粗細、長度和節距，PLC需要不斷檢測前輥子的速度，根據設置的參數和檢測的前輥子速度計算出后輥子的速度和開關頻率。本系統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的高速計數模塊FX2N-1HC進行計數從而得到前輥子的速度以計算伺服電機速度和開關頻率。另外PLC選用絕緣型RS232C通訊用適配器與工控機進行通訊，以實現參數的設置和監控。工控機采用研華AWS-825，用VB開發工控機的監控程序和控制界面。
 
    四、程序設計

    根據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內讀取速度信號的脈沖數從而計算出轉速的大小。設m1為在固定時間間隔Ts內讀取速度信號的脈沖數，P為電機光電編碼器每轉輸出的脈沖數，在時間Ts內共發出m1個脈沖，其速度為：。

    串行通信模塊數據傳送利用RS指令，其與工控機進行串行通信時可以設置數據長度、奇偶性、波特率、停止位等。本系統設置的通信數據長度為8位，采用偶校驗，設置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，本系統選擇0～10V輸出控制伺服電機轉速從0～3000r/min變化。數模轉換模塊采用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模轉換通道和輸入輸出數據存放單元，設置數模轉換命令，輸出或讀入轉換結果等。

    五、上位機的編程

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

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

    1、標識字節，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；3、所傳信息16位二進制碼的高位字節；4、校驗字節，為前3個字節的異或值；5、結束位，表明此次數據傳輸結束。

    每一幀包括：1位起始位、8位有效數據位、1位奇偶校驗位、1位停止位。

    根據以上分析，本文成功設計了一套基于PLC控制和工控機監控的紡織專用細紗機控制系統，并成功應用于某紡織廠的生產線中。工控機通過PLC串行通信監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，該系統設計合理、工作可靠。

圖4 伺服電機起制動速度變化曲線

    六、結論

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