一、前言
卷染機(jī)適合目前市場對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)用越來越廣泛。卷染機(jī)控制方面要求具備自動記道、自動計數(shù)、自動換向、自動掉頭、自動停車、防墜液等功能，在整個工藝過程中，要求保證布匹的張力和線速度恒定，因此對系統(tǒng)的自控控制水平要求較高。國內(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)直流制動的方式，收放卷用接觸器在變頻器和直流制動之間進(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，有的是用價格昂貴的工程型變頻器來實現(xiàn)，效果較為理想，但是對于國內(nèi)的用戶來說，成本壓力很大。本文以一個工程實例來說明采用科創(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)：
◆門幅：1800--3600mm；
◆最大卷徑：1500mm；
◆車速：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，這是一個典型的中心卷曲控制系統(tǒng)。未染色的布匹首先通過上布電機(jī)卷曲到其中的一個輥筒上，在輥筒的傳動軸上安裝有計數(shù)用的接近開關(guān)，此時控制系統(tǒng)計下整卷布的道次，上卷完畢，采用人工的方式把布匹的一頭卷到另外一個輥筒上面，待包覆緊密即可正常開始工作。此時兩個輥筒朝著同一個方向運轉(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)過的時間一致，也就是線速度恒定。這是個沒有線速度反饋的驅(qū)動系統(tǒng)，但線速度又實實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)動平臺。在各個卷染機(jī)廠家以及最終用戶處的實際使用情況表明，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)的工程實例說明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控制兩部分，本文重點描述的是關(guān)系到張力以及線速度控制的驅(qū)動部分控制。
該卷染機(jī)的控制系統(tǒng)以西門子作為控制器，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，布的厚度的測量以及相關(guān)邏輯動作的控制。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知道變頻器主要變量的信息，減少接線，使得整個系統(tǒng)看起來很精簡。兩臺完全一樣的變頻器，它們均工作于閉環(huán)矢量控制模式，由于卷染機(jī)在接近滿卷時候會較長時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，同時考慮散熱，需要采用變頻專用電機(jī)。
上布時刻，PLC記錄下該布卷在輥筒上面的總?cè)?shù)，然后由操作工測量該布卷的直徑，把這個值輸入到HMI，PLC根據(jù)直徑和總?cè)?shù)，可以精確計算出來單層布的厚度。采用這種方法獲得布厚，誤差很小。布厚通過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)。同時針對每種織物，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)的慣量補償，卷徑計算，摩擦力補償，錐度計算等張力控制功能之外，還有一個為了線纜、印包等行業(yè)收卷控制的自動換盤設(shè)計的功能：預(yù)驅(qū)動。該功能的作用是根據(jù)線速度和卷徑的關(guān)系，自動計算出所匹配的角速度。利用這個功能，我們首先可以實現(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，我們可以得到一個匹配的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，當(dāng)直徑變化的時候，輥筒每旋轉(zhuǎn)一圈，變頻器會自動減去一層布的厚度，從而得到一個新的直徑，通過這個新的直徑，變頻器又能夠計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，實時的根據(jù)張力的設(shè)定值，錐度，補償量以及卷軸直徑計算出所需要的轉(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485傳送過來的張力設(shè)定值，然后根據(jù)布厚的遞歸運算得到直徑，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)動模式下，根據(jù)輥筒直徑的變化計算出需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速來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)一個方向快要染到頭的時候，只需要切換一下兩臺變頻器的收/放卷控制模式和預(yù)驅(qū)動即可。而這正好是一組邏輯上相反的信號，采用一個繼電器即可獲得。
由卷染機(jī)的工作原理可見，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單元、制動電阻，將制動產(chǎn)生的能量以熱量的形式消耗掉。對于卷染機(jī)這樣長年累月工作在發(fā)電模式下的設(shè)備來說，這種方式電能的浪費是大量的。科創(chuàng)力源變頻器可以方便支持公共直流母線，我們在實踐中將兩臺變頻器的P N母線直接并聯(lián)，這樣正常工作制動產(chǎn)生的能量通過并聯(lián)的母線又回到拖動的電機(jī)。為了考慮在快速減速的時候，有可能兩臺電機(jī)都處于發(fā)電狀態(tài)，在其中的一臺變頻器上面仍舊并聯(lián)了一個制動電阻，這個電阻的工作是短時的，能耗很小。老是卷染機(jī)控制柜下方很大的一個電阻箱現(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熱源，從而系統(tǒng)的可靠性也得到了提高。
三、結(jié)束語
本系統(tǒng)在優(yōu)化參數(shù)值之后，設(shè)備試機(jī)時速度150米/min非常穩(wěn)定，完全解決了原來采用直流電機(jī)張力控制不夠連續(xù)、穩(wěn)定的問題。為了穩(wěn)妥器件，第一套系統(tǒng)在染缸底部的過渡輥上面安裝了張力傳感器來監(jiān)測布匹的張力，從傳感器檢測回來的數(shù)據(jù)可以看到，這個系統(tǒng)的張力控制的非常的穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)的時候波動可以做到小于5%，快速加減速度的動態(tài)過程波動小于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，功能都是原來直流電機(jī)沒有做到的。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)電氣器件配置簡練、邏輯清晰，兼顧了控制要求和成本之間的要求，的確是個性價比優(yōu)良的方案。