【正文】 變頻調(diào)速 組態(tài)軟件 The Design of Control System for Mercerizing Machine Abstract Mercerizing Machine is widely used in Textile amp。 Mercerizing Machine。 Frequency Control。依據(jù)中國印染協(xié)會“ 2020 年 15月份全國印染行業(yè)經(jīng)濟運行情況”報告，可以發(fā)現(xiàn)全國印染行業(yè)產(chǎn)銷情況良好，進出口貿(mào)易走高，利潤繼續(xù)增加。隨著加入 WTO，我國已經(jīng)成世界紡織服裝的制造中心，這為我國紡織工業(yè) 的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的產(chǎn)業(yè)基礎和發(fā)展空間。另外，我國染整業(yè)落后還表現(xiàn)在裝備方面，設備自動化程度不高，精度不夠，迫切需要升級改造。 國內(nèi)外印染行業(yè)現(xiàn)狀 在紡織領域中，印染業(yè) 是整個紡織產(chǎn)業(yè)鏈中的關鍵工序，扮演著紡織品化妝師的角色。印染產(chǎn)業(yè)的集聚與興衰，直接關系著上下游產(chǎn)業(yè)的配套與完善，對于賦予織物的附加價值具有重要的影響，是提升紡織品整體價值的重要加工工業(yè)。這些地區(qū)的產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的 80%以上 [2]。 在新一代國產(chǎn)設備的開發(fā)方面，我國企業(yè)的整體水平在逐步上升。 (2)我國印染業(yè)存在的問題 我國的印染業(yè)雖然取得了很大的進步，但是與發(fā)達國家相比，在軟硬技術以及信息、開發(fā)和銷售渠道等重要方面還存在較大差距，印染業(yè)已成為我國紡織工業(yè)中唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 2 的最薄弱環(huán)節(jié)。一是產(chǎn)品開發(fā)缺乏創(chuàng)新性。 前己提及，我國在紡織助劑方面成績不錯，但是從整體來看，我國是染料大國但不是染料強國，染料總產(chǎn)量己占世界染料總量的 45%以上，但大部分為原染料或濾餅，在國際上只占據(jù)著低端市場。印染產(chǎn)業(yè)的能耗量在紡織業(yè)首屈一指，對能源質(zhì)量的需求標 準高，尤其是印染的高耗水量。 染整過程中，由于自然或人為的原因，工藝變量值往往發(fā)生波動，偏離產(chǎn)生偏差。 對 工藝變量的設定值 進行有效的檢測與控制，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量 ，對整個染整行業(yè)具有重要意義。通常，絲光是指棉及其混紡織物在經(jīng)緯向都受到一定張力的情況下，用濃燒堿其它化學藥品處理，以改變棉纖維的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，從而達到改善纖維性能的加工過程。其主要原因是 :由于鈉離子體積小，不僅能進入纖維的無定形區(qū)，而且還能進入纖維的部分 結(jié)晶區(qū) 。當鈉離子進入纖維內(nèi)并與纖維結(jié)合時，大量的水分子也被帶入，因而引起纖維的劇烈膨脹。當燒堿濃度增大到一定的程度后，水全部以水化狀態(tài)存在，此時若再繼續(xù)提高燒堿唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 3 的濃度，對每個鈉離子來說，能結(jié)合到的水分子數(shù)量有減小的趨勢，即離子的水化層變薄，因而纖維的膨脹程度反而減小。 (2)棉纖維在濃堿作用下，生成堿纖維素，物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，所以對染料的吸附能力有所增加，改善了染色性能，使色澤鮮艷。 (4)絲光可以消除繩狀皺痕，纖維的膨化拆散了原分子鍵的作用，絲光后的分子鍵結(jié)合比絲光前更牢固，因此絲光具有定形作用，降低了縮水率。 絲光設備 絲光機有紗線絲光機和織物絲光機兩類。目前也出現(xiàn)布 鋏 彎輥、布鋏直輥、彎輥直輥聯(lián)合絲光機。 布鋏絲光機是一種被廣泛應用的絲光設備，其最大優(yōu)點是擴幅較好，光澤及縮水率均能滿足 要求，但缺點甚多，由于浸軋時間短，使布面帶堿量低，限制了堿液向布芯的進一步滲透擴散，另外能源消耗高，噪聲大，易產(chǎn)生破邊，脫鐵，皺條等，此外織物二邊與中間徑向密度不一，特別當幅寬增大時更嚴重，所以對門幅寬的織物不適宜采用布鋏絲光機。因為織物品種適應性廣，尤適用于幅寬厚重織物，所以在歐洲被廣泛使用。 由于當今紡織品市場的新品種不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的絲光設備因品種適應性有局 限而不能滿足用戶要求，所以國內(nèi)外紛紛開發(fā)以直輥為主拉幅為輔的混合型絲光機，它主要使直輥絲光和布鋏絲光的優(yōu)點結(jié)合起來。 論文的研究任務與內(nèi)容 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 4 在各種異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 本文研究了變頻調(diào)速技術在生產(chǎn)中的應用，并且考慮到原系統(tǒng)所存在的問題，提出了基于 PLC 控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，構(gòu)建了新一代的絲光織染系統(tǒng)。 闡述了絲光過程，介紹了絲光設備。 (3)對系統(tǒng)的總體 方案進行了設計。對 PLC 的組成、各部分的作用和工作原理進行了較為詳細的研究與分析。 (5)對變頻器的結(jié)構(gòu)和控制方法進行深入的學習和研究，掌握其主要的特點和正確的使用方法。 (7)調(diào)查分析了組態(tài)軟件的發(fā)展和現(xiàn)狀，設計了絲光機控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 5 2 絲光過程變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案 絲光機調(diào)速系統(tǒng)方案的論證 絲光機的動力主要由電動機驅(qū)動， 根據(jù)生產(chǎn)的工藝要求對電動機的旋轉(zhuǎn)速度進行控制和調(diào)節(jié)就是一項經(jīng)常而重要的工作。傳統(tǒng)的絲光機控制系統(tǒng)多采用直流調(diào)速系統(tǒng)，但是直流調(diào)速系統(tǒng)存在較多的弊端。 直流調(diào)速系統(tǒng)所存在的問題 直流電動機的轉(zhuǎn)速易于控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵磁電流恒定，可用改變電樞電壓的方法進行 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法進行恒功率調(diào)速。所以， 20 世紀 80 年代以前，在變速傳動領域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導地位。如果要超出極限允許值，則將大大增加電機的制造難度和成本，以及調(diào)速系統(tǒng)的復雜性。對于要求快速響應的生產(chǎn)工藝，采用直流調(diào)速方式難以實現(xiàn)。這就使得直流調(diào)速系統(tǒng)維護工作量大、費用高，同時停機檢修和更換電刷也直接影響了正常的生產(chǎn)。 交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀 及優(yōu)點 交流電動機，尤其是鼠籠式異步電動機，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉(zhuǎn)動慣量小、 運行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點。 20 世紀七十年代以后，由于科學技術的迅速發(fā)展為交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術條件和物質(zhì)基礎，交流調(diào)速理論及應用技術大致沿以下四個方面發(fā)展 : 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 6 (1)電力電子器件的蓬勃發(fā)展和迅速換代促進了變流技術的迅速發(fā)展和變流裝置的現(xiàn)代化 。 脈寬調(diào)制 (PWM)技術基本上可分為四類 :等寬 PWM 法、正弦 PWM 法 (SPWM)、磁鏈追蹤型 PWM 法及電流跟蹤型 PWM 法。 (3)矢量變換控制技術的誕生和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎交流電動機是個多變量、非線性、強禍合的被控對 象，采用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的現(xiàn)代控制理論概念可以實現(xiàn)交流電動機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解藕，實現(xiàn)了將交流電動機的控制過程等效為直流電動機的控制過程，使交流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能得到了顯著的改善和提高，從而使交流調(diào)速最終取代直流調(diào)速成為可能。 交流調(diào)速技術的發(fā)展過程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需要推動了交流調(diào)速的飛速發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應用，電力電子技術的發(fā)展和應用，微機控制技術及大規(guī)模集 成電路的發(fā)展和應用為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術和物質(zhì)條件。現(xiàn)在，交流調(diào)速系統(tǒng)已全面、逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。電動機交流變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。 交流變頻調(diào)速控制的優(yōu)點主要有 : (1)交流變頻調(diào)速使用的是異步電動機，比同容量的直流電動機具有體積小、占空間小，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便、可靠性高、價格低等優(yōu)點。 (3)交流變頻調(diào)速使用先進的 SPWM 技術，明顯改善了電動機供電電源的質(zhì)量，減少了諧波，提高了效率和功率因數(shù)，節(jié)能明顯。 (5)容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高額度的起停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動。 (7)電源功率因素高，所需容量小，對電網(wǎng)的公害小。這種“自我保護”的功能，不僅 保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。例如 :丹麥 FAERCH 塑料包裝廠真空泵的控制由于采用變頻技術對真空泵進行了改造，使該廠每年節(jié)約電費 23500 歐元，而且真空泵系統(tǒng)加裝濾波器也取得了可觀的節(jié)能效果。節(jié)能效果非常明顯， 16100 歐元的設備改造總投資預計可以在三年以內(nèi)收回。尤其是最近幾年， PLC 的推廣應用在我國得到了迅猛的發(fā)展。我國各行各業(yè)也涌現(xiàn)出大批應用 PLC 改造設備的成果，機械行業(yè)生產(chǎn)的設備越來越多地采用PLC 作控制裝置。 變頻調(diào)速技術已成為節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。例如包鋼 1150 軋機采用變頻裝置后，年平均事故時間達到工作時間的 %以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，且年節(jié)約電費約 50 萬元 。所以， 絲光機所采用 PLC 控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)是必要的和可行的。 本系 統(tǒng) 以各電機的速度 實際 值 (即各 速度傳感 器的 輸出 電壓信號 )作為 PLC的模擬量輸入，以 按鈕 開關 ，限位開關，熱繼電器 的輸出信號作為 PLC 的開關量輸入，通過 PLC 內(nèi)部算法輸出模擬量，輸送到變頻器，改變其頻率來控制各電機的轉(zhuǎn)速，最終目的是控制 絲光機生產(chǎn)線的自動運行 。采用 PLC 輸出的模擬量信號作為變頻器的控制端輸入信號。它通過接受 PLC 的信號控制電機轉(zhuǎn)速大小。 控制系統(tǒng)框圖如圖 21： PLC系統(tǒng)中各個變頻器上位機傳感器各開關觸點系統(tǒng)中各個拖動電機 圖 21 控制系統(tǒng)框圖 根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設計系統(tǒng)的軟件流程圖如圖 22： 在系統(tǒng)流程運行之前，首先進行初始化，通過開關元件及 組態(tài)軟件 將設備運行參數(shù)送至 PLC，檢查空氣開關 等設備運行是否正常，若不正常，則等待；直到正常，調(diào)節(jié)布 鋏 等設備的寬度。 吸邊器運行 ， 檢測 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 9 初始化開始電源好？NNYY幅寬調(diào)節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設定值？1 直棍越位？吸邊器運行NNYNYYN1 軋車P I D 調(diào)節(jié)2 直輥運行升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY1 軋車運行？NY變量每周期減1變量每周期加1A1 軋車越位？NY初始化開始電源好？NNYY幅寬調(diào)節(jié)好？1 直輥升速？變量= 設定值？變量每周期減1Y降速Y變量每周期加1變量= 設定值？1 直棍越位？吸邊器運行NNYNYYN1 軋車P I D 調(diào)節(jié)2 直輥運行升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY1 軋車運行？NY變量每周期減1變量每周期加1A延時6 0 秒60秒內(nèi)2直棍越位？故障報警停車制動結(jié)束N布鋏主傳動延時1 0 秒Y2 軋車P I D 調(diào)節(jié)3 直輥運行2 軋車運行？NY升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY10秒內(nèi)4直棍越位？故障報警停車制動結(jié)束N3 軋車P I D 調(diào)節(jié)3 軋車運行？NY4 直輥運行變量每周期減1變量每周期加1AB蒸洗1 烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結(jié)束升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調(diào)節(jié)4 軋車運行？NYB1 軋車越位？NY3 軋車越位？NY2 軋車越位？NY4 軋車越位？NY (a) 變頻調(diào)速傳動模塊程序流程 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 10 蒸洗1 烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結(jié)束升速？變量= 設定值？Y降速Y變量= 設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14 軋車P I D 調(diào)節(jié)4 軋車運行？NYB4 軋車越位？NYCC蒸洗1烘筒越位？NY烘筒運行冷水棍越位？NY冷水棍運行牽引棍越位？NY牽引棍運行擺布運行落布越位？NY落布運行卷布運行結(jié)束升速？變量=設定值？Y降速Y變量=設定值？NNYNYY變量每周期減1變量每周期加14軋車PID調(diào)節(jié)4軋車運行？NYB4軋車越位？NYCC (b) 變頻調(diào)速 傳動模塊程序流程 圖 22 變頻調(diào)速傳動模塊程序流程圖 1直輥是否越位，若未越位， 等待 ，直至 1直輥越位， 1軋車運行。若 60 秒內(nèi) 2直輥越位，則 2軋車運行，延時 10 秒，3直輥運行， 延時 60 秒，檢測 3直輥是否越位，若 10 秒內(nèi) 3直輥未越位，則故障報警， 若越位 3軋