三菱變頻器在磁棒平網(wǎng)印花機(jī)定位控制中的應(yīng)用
----介紹了三菱變頻器在磁棒平網(wǎng)印花機(jī)定位控制中的應(yīng)用方案
1概述
磁棒平網(wǎng)印花機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)平網(wǎng)印花機(jī))是紡織印染行業(yè)特別是毛巾（含浴巾、沙灘巾、裝飾巾、毛巾掛毯等）制造企業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備。平網(wǎng)印花機(jī)由橡膠輸送帶（簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)帶）輸送毛巾運(yùn)動(dòng)，多個(gè)平網(wǎng)在毛巾上套印不同的顏色，其印花及套色的準(zhǔn)確性直接影響毛巾成品的美觀(guān)和質(zhì)量等級(jí)，因而要求拖動(dòng)系統(tǒng)定位準(zhǔn)確；為了提高生產(chǎn)效率，降低成本，又必須保持一定的印染速度。若速度過(guò)快，慣性太大，導(dǎo)帶難以停穩(wěn)，定位套色必然不準(zhǔn)，這是一個(gè)不可回避的矛盾。在湖南某毛巾廠(chǎng)，我們以三菱工控產(chǎn)品為主體，設(shè)計(jì)了一個(gè)印花機(jī)自控系統(tǒng)，發(fā)掘了變頻器的功能，巧妙地利用它進(jìn)行定位控制，以較少的投資平衡了上述矛盾，技術(shù)改造方案達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)。
2 平網(wǎng)印花機(jī)的工作原理
首先在導(dǎo)帶的預(yù)定位置用乳白膠粘貼白色毛巾坯，然后啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)三相籠型交流異步電機(jī)，電機(jī)經(jīng)蝸輪減速機(jī)減速后拖動(dòng)導(dǎo)帶，當(dāng)導(dǎo)帶上的毛巾對(duì)準(zhǔn)印花平網(wǎng)的位置停穩(wěn)后，平網(wǎng)網(wǎng)框下壓貼緊毛巾，網(wǎng)框內(nèi)放置的細(xì)圓磁性鋼棒在輸送帶下方的磁場(chǎng)控制器驅(qū)動(dòng)下往復(fù)滾動(dòng)，將平網(wǎng)內(nèi)放置的顏料透過(guò)鏤空的圖案印染到毛巾上。第一個(gè)顏色的圖案印完了，網(wǎng)框抬起，導(dǎo)帶將毛巾送到下一個(gè)網(wǎng)框位置停穩(wěn)，開(kāi)始第二個(gè)顏色圖案的印染………，直到多個(gè)顏色（一般8~10個(gè)顏色）依次套準(zhǔn)印完，一條彩色毛巾才告完成，而第二條毛巾緊接著第一條毛巾不間隔地套色印染………周而復(fù)始，連續(xù)作業(yè)。每條毛巾印染完成后，隨即送到隧道式蒸汽烘房?jī)?nèi)烘干，然后絞邊、整理、質(zhì)檢、包裝，直至入庫(kù)出廠(chǎng)。
?。场∑骄W(wǎng)印花機(jī)自控系統(tǒng)主要配置
·三菱多功能矢量控制變頻器：ＦＲ－Ａ５４０－７.５Ｋ－ＣＨ（內(nèi)置制動(dòng)單元） 1臺(tái)
·上海穩(wěn)達(dá)RXLG鋁合金外殼變頻器制動(dòng)電阻 75Ω/ 780W 1只
·三相籠型交流異步電動(dòng)機(jī)：Y系列，4極，7.5kW 1臺(tái)
·三菱可編程控制器：FX2N-48MR-001（繼電器輸出、I/0=24/24、內(nèi)置高速計(jì)數(shù)功能） 1臺(tái)
·臺(tái)達(dá)旋轉(zhuǎn)編碼器：ES520CB8942（增量式、集電極開(kāi)路輸出、解析度2000ppr） 1臺(tái)
·三菱4.4英寸觸摸屏：F930GOT-BWD-C（STN藍(lán)白兩色） 1臺(tái)
·明緯開(kāi)關(guān)電源：S-25-24（220VAC / +24VDC；對(duì)編碼器和觸摸屏供電） 1臺(tái)
4 平網(wǎng)印花機(jī)負(fù)載的機(jī)械特性和變頻器的選型
平網(wǎng)印花機(jī)的電氣拖動(dòng)主要是驅(qū)動(dòng)橡膠導(dǎo)帶運(yùn)動(dòng)，其阻力矩TL取決于導(dǎo)帶和傳輸輥之間的摩擦力FL與傳輸輥半徑r的乘積，即TL=FL×r。在這里，傳輸輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小也與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。這是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載機(jī)械特性。因此，初步選用三菱A540系列變頻器。
三菱A540系列變頻器具有如下特性：
·采用先進(jìn)的磁通矢量控制。由于采用了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC微處理芯片，使之具有全新的在線(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功能，使電機(jī)在不影響啟動(dòng)速度的情況下迅速得到調(diào)整，從而在不安裝編碼器反饋PLG板低速運(yùn)行時(shí)，達(dá)到高精度運(yùn)行和高轉(zhuǎn)矩輸出。
·具有多段速度選擇功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時(shí)間選擇RT、漏型公共輸入端SD等端子，可以通過(guò)PLC的輸出點(diǎn)直接控制輸入端子的ON/OFF狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器速度的上升、下降和精確停車(chē)。每檔速度的大小可由變頻器功能預(yù)置來(lái)設(shè)定。
·運(yùn)用了三菱首創(chuàng)“柔性脈寬調(diào)制”（Soft-PWM）開(kāi)關(guān)方式，實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行，并能減少對(duì)外射頻干擾，有利于鄰近的PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器的可靠運(yùn)行。
·調(diào)速范圍：1：120（0.5Hz~60Hz運(yùn)行時(shí)），采用自動(dòng)調(diào)整后,可以在不同的品牌的電機(jī)上實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)行。
·11kW以下的規(guī)格型號(hào)內(nèi)置制動(dòng)單元，外配制動(dòng)電阻即可實(shí)行直流制動(dòng)（能耗制動(dòng)），實(shí)現(xiàn)快速停車(chē)。
綜合多種因素，我們選定了三菱FR-A540-7.5kW-CH變頻器。因三菱原裝制動(dòng)電阻價(jià)格較貴，技術(shù)含量不高，故外配上海穩(wěn)達(dá)RXLG型鋁合金外殼制動(dòng)電阻。另外，我們?cè)?jīng)在變頻器上安裝編碼器反饋PLG選件板FR-A5AP，使變頻器、電機(jī)和編碼器組成一個(gè)速度閉環(huán)，能使電機(jī)速度變動(dòng)率達(dá)到±0.02%（萬(wàn)分之二）。經(jīng)試驗(yàn)證明：變頻器安裝PLG板的方法更適合于高精度轉(zhuǎn)速控制，而我們?cè)谶@里是要利用變頻器的多段速度選擇和A540的高性能來(lái)進(jìn)行定位控制，采用PGL板反而與控制要求有沖突，出現(xiàn)較大的定位誤差，因此取消了PLG板。
5 其他主要自控設(shè)備的選型
5．1 PLC的選型 三菱FX2N型PLC是目前市場(chǎng)占有量較大的機(jī)型，具有很高的性?xún)r(jià)比。它內(nèi)置多個(gè)高速計(jì)數(shù)器。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，我們采用兩相兩計(jì)數(shù)輸入、頻率為30kHz的C251計(jì)數(shù)器，將編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點(diǎn)相連，可以穩(wěn)定地捕捉、記錄編碼器的脈沖信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我們選用24點(diǎn)輸入/24點(diǎn)輸出、繼電器輸出型的FX2N-48MR，I/O點(diǎn)留有一些裕量。
FX2N-48MR的輸出點(diǎn)的外部接線(xiàn)方式為分組式，有COM0~COM5共6個(gè)COM點(diǎn)與24個(gè)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)，可以靈活地選擇輸出點(diǎn)的電源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3直接與變頻器的STF（正轉(zhuǎn)啟動(dòng)）、RH、RL、RT端相連，PLC的4個(gè)輸出點(diǎn)公用的COM1點(diǎn)與變頻器SD端相連，可以直接控制變頻器，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并節(jié)省了有觸點(diǎn)閉合行程、響應(yīng)較慢的電磁式繼電器或接觸器。PLC其他輸出點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的COM點(diǎn)組成回路，可以采用220VAC電源吸合接觸器線(xiàn)圈或其他類(lèi)型的電源驅(qū)動(dòng)其他器件。
5．2 旋轉(zhuǎn)編碼器的選型及安裝 臺(tái)達(dá)光學(xué)式旋轉(zhuǎn)編碼器具有輕慣量、高性能的特性，它的解析度為100ppr~5000ppr，響應(yīng)頻率高達(dá)500kHz。根據(jù)具體情況，型號(hào)選定為ES520CB8942，型號(hào)含義如下：
E S 5 20 C B 8 9 4 2
電纜長(zhǎng)度：2000mm
操作環(huán)境：IP40＆70℃
輸入電壓：7~24VDC
軸/孔徑： 8mm
輸出信號(hào)：A、B（無(wú)Z輸出）
輸出形態(tài)：集電極開(kāi)路輸出
解析度：2000ppr
外徑：50mm
軸形態(tài)：軸心式
應(yīng)用形態(tài)：增量式
編碼器初始安裝在傳輸輥的同心位置，但試驗(yàn)結(jié)果脈沖計(jì)數(shù)誤差較大。后來(lái)將編碼器安裝在與電機(jī)主軸的平行位置，通過(guò)橡膠齒帶傳動(dòng)與電機(jī)同步，脈沖計(jì)數(shù)和定位控制達(dá)到了要求。這個(gè)安裝位置與交流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在尾部類(lèi)似，記錄的是電機(jī)的即時(shí)位置。
5．3 觸摸屏的選型 三菱F930GOT-BWD-C觸摸屏是一款高質(zhì)量的STN單色藍(lán)白液晶顯示屏，具有非常出色的視覺(jué)性能。它觸鍵反應(yīng)迅速，與FX2N型PLC連接時(shí)，觸鍵反應(yīng)時(shí)間小于0.163s。它的有效顯示尺寸為對(duì)角線(xiàn)4.4英寸，顯示5行×30個(gè)字符，足夠應(yīng)付一個(gè)小型自控系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話(huà)要求。產(chǎn)品有很高的性?xún)r(jià)比。
6 系統(tǒng)調(diào)試、變頻器參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行效果
6．1 計(jì)算平網(wǎng)間隔的脈沖總數(shù)和分段脈沖數(shù) 8色平網(wǎng)的相互間隔是一個(gè)定值；減速機(jī)的減速比、傳輸輥的周長(zhǎng)等也是定值；而編碼器每轉(zhuǎn)為2000個(gè)脈沖；根據(jù)以上已知數(shù)據(jù)，可以推算出理論上的脈沖數(shù)。用PLC編寫(xiě)一條32位的高速計(jì)數(shù)器區(qū)間比較復(fù)位指令DHSZ，用觸摸屏對(duì)PLC數(shù)據(jù)寄存器D賦值，數(shù)值以理論脈沖數(shù)為基準(zhǔn)增減，再與C251記錄的編碼器脈沖數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)相等時(shí)，PLC指令變頻器和電機(jī)停機(jī)。經(jīng)反復(fù)賦值試驗(yàn)，可以找到精確的編碼器脈沖總數(shù)。然后按照速度控制規(guī)律的各段分配脈沖數(shù)，以指導(dǎo)PLC適時(shí)向變頻器發(fā)出速度切換指令。試驗(yàn)時(shí)電機(jī)采用低速運(yùn)行，脈沖數(shù)以實(shí)際記錄為準(zhǔn)。（參見(jiàn)圖2）
6．2 變頻器參數(shù)設(shè)置 起初，我們采用三段速控制，擬高速段Pr.4設(shè)為60Hz，中速段Pr.5設(shè)為30Hz，低速段Pr.6設(shè)為0.8Hz。經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在中段速轉(zhuǎn)折處，導(dǎo)帶有些抖動(dòng)，影響穩(wěn)定均勻降速，最后設(shè)置兩段速：高速60Hz，低速設(shè)為0.8Hz。上限頻率Pr.1與高速段速度參數(shù)Pr.4數(shù)值相同；下限頻率Pr.2設(shè)為0。
加速/減速時(shí)間的設(shè)置是變頻器參數(shù)設(shè)置的關(guān)鍵。印花機(jī)“加速—運(yùn)行—減速—低速運(yùn)行—停止”為一個(gè)運(yùn)行周期，每一周期中的間隔是磁棒的滾動(dòng)印染時(shí)間。系統(tǒng)最終調(diào)試的結(jié)果是小于4秒鐘為一個(gè)運(yùn)行周期：加速時(shí)間Pr.7、高速段60Hz運(yùn)行時(shí)間、減速時(shí)間Pr.8、低速段0.8Hz的運(yùn)行時(shí)間大約都設(shè)為1秒鐘。變頻器和電機(jī)是在0.8Hz的極低速度下運(yùn)行到終點(diǎn)，即第二減速時(shí)間Pr.45為0。在降速和停止過(guò)程中，制動(dòng)單元及電阻的直流制動(dòng)（能耗制動(dòng)）功不可沒(méi)。直流制動(dòng)的相關(guān)參數(shù)有Pr.10直流制動(dòng)動(dòng)作頻率、Pr.11直流制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間、Pr.12直流制動(dòng)電壓等3個(gè)參數(shù)。合理設(shè)置這些參數(shù)，可以調(diào)整定位運(yùn)行的停止精度或直流制動(dòng)的運(yùn)行時(shí)間，使它適合負(fù)荷的要求?？傊?，變頻器參數(shù)的設(shè)定始終要兼顧定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和印染速度。
6．3 運(yùn)行效果 我們?cè)赑LC程序設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每一個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行編碼器計(jì)數(shù)清零，使之沒(méi)有誤差；變頻器參數(shù)的精細(xì)調(diào)整使導(dǎo)帶運(yùn)行快速穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確；驗(yàn)收時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果是：連續(xù)13個(gè)周期的積累誤差小于0.5mm，滿(mǎn)足了毛巾印花機(jī)的速度和精度的要求。現(xiàn)在已運(yùn)行了三個(gè)多月，情況良好。這套系統(tǒng)我們是采用普通三相籠型電機(jī)來(lái)作動(dòng)力來(lái)源的，若改用變頻器專(zhuān)用的恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)，效果會(huì)更加理想。
7 印花機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)
7．1 平網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 印花機(jī)分為平網(wǎng)和圓網(wǎng)兩個(gè)大類(lèi)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，普遍采用交流伺服系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)平網(wǎng)印花機(jī)。交流伺服系統(tǒng)比變頻器系統(tǒng)效率更高、定位更準(zhǔn)，技術(shù)更為先進(jìn)，是目前的發(fā)展趨勢(shì)。如本文所敘述的系統(tǒng)，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服電機(jī)和MR-J2S-700A型伺服放大器組成伺服系統(tǒng)，可以提高印染精度并較大幅度地提高生產(chǎn)效率。但是，它的投資大約是變頻器系統(tǒng)的5~8倍。
7．2 圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 傳統(tǒng)的機(jī)械式圓網(wǎng)印花機(jī)是由主電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)?~20只圓網(wǎng)與傳輸導(dǎo)帶同步運(yùn)轉(zhuǎn)，連續(xù)印染無(wú)限長(zhǎng)的紡織品。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、速度慢、效率低、對(duì)花次布多，不能適應(yīng)高檔精細(xì)花型的生產(chǎn)。圓網(wǎng)印花機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是以荷蘭STORK畢加索產(chǎn)品為代表，采用多電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)、同步運(yùn)行的交流伺服系統(tǒng)，即將每只圓網(wǎng)和導(dǎo)帶分別采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由高速計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制各分部同步高速運(yùn)行。三菱Q運(yùn)動(dòng)控制器是新一代高速運(yùn)動(dòng)控制器的代表，它一個(gè)單PLC系統(tǒng)使用3塊Q173運(yùn)動(dòng)CPU模塊最大可以控制96軸伺服電機(jī)。它采用伺服控制器網(wǎng)絡(luò)SSCNET將伺服放大器前后級(jí)串連接線(xiàn)，8軸的掃描周期僅0.88ms。我們采用Q173運(yùn)動(dòng)CPU通過(guò)伺服系統(tǒng)控制導(dǎo)帶和12色圓網(wǎng)，印染速度達(dá)到80m/min，印花精度達(dá)到±0.01mm，達(dá)到國(guó)外進(jìn)口名牌整機(jī)的技術(shù)性能。
8 結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)是紡織印染大國(guó)，有著數(shù)以萬(wàn)計(jì)的紡織印染企業(yè)，生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)改造的工作量很大，企業(yè)可以根據(jù)自身的經(jīng)濟(jì)條件、產(chǎn)品檔次、生產(chǎn)狀況選擇合適的技改方案。本文推薦的方案無(wú)疑是一個(gè)效果顯著、投資節(jié)省的方案，值得在毛巾、床單印染企業(yè)推廣。這種控制方法也可以應(yīng)用到其他如金屬塑料板材、線(xiàn)材定尺送料剪切等需要簡(jiǎn)易定位控制的領(lǐng)域。
（轉(zhuǎn)載）
