CN106865310A - 一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法 - Google Patents

一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,由变频器、电动机、PLC控制器、触摸屏、收卷辊和放卷辊组成,在收卷辊和放卷辊之间设置一根测速辊,测速辊上设置线速度传感器,通过PLC控制器负责整个系统的变频器控制、传感器数据采集和运算、逻辑控制和张力及线速度控制算法计算,最终达到降低生产设备的投资成本以及印染机在营运阶段的电量使用成本。

Description

一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工 作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及对印染机械的往复传动、并要求对印染原布进行开环的张力进行控制 及线速度控制的方法及算法,通过放卷辊和收卷辊的变频器之间直流母排并联从而实现了 放卷親一侧的发电状态下,电机能量回馈给收卷親一侧的电动状态的电机使用,整个系统 的设计不仅降低了控制设备的投资成本,也极大程度的降低了印染机在营运阶段的电量成 本。
背景技术
[0002] 随着自动化技术发展,印染机对电气控制的要求越来越高,因为印染工艺要求对 布匹的线速度及张力需要保证一定的精度,才能印染出合格的布匹。印染机上的原布匹需 要反复来回进行印染,每个卷辊既要作为放卷辊又要作为收卷辊,因此,传动系统会出现几 个难点:1、两个卷辊在运行时直径会时时发生变化导致线速度会发生变化,速度不恒定,就 导致了布匹印染的不均匀而发生质量问题;2、当卷辊作为放卷辊运行时,处于发电状态,涉 及到能量回馈的问题,通过变频器驱动很容易会发生跳闸的故障;3、放卷辊对布匹张力控 制精度不够,导致布匹拉伸不均匀和线速度不问题。4、张力传感器价格非常昂贵,在激烈的 市场竞争的环境下,只能舍弃张力传感器实行张力开环控制,但采用张力开环控制,会进一 步导致张力控制的精度不高。这些难点都决定了对印染机械控制的复杂性。目前,市场上的 印染机还没有一套行之有效的办法来解决这些问题。
发明内容
[0003]本发明内容是通过设计出一种有效的传动控制方案和线速度控制算法及张力的 开环算法解决了印染机控制所存在的问题,并且大大降低了系统运行所需要的电量。
[0004] 为解决上述问题,本发明采用如下方案:
[0005] 一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,硬件设备由 两台变频器、两台电动机、一台PLC控制器、一台触摸屏、一根收卷辊和一根放卷辊组成,在 收卷辊和放卷辊之间设置一根测速辊,测速辊上设置线速度传感器,收卷辊、放卷辊和测速 棍上分别设置一个光电编码器,两台变频器米用分别独立供电并且直流母排并联的连接方 式,PLC控制器负责整个系统的变频器控制、传感器数据采集和运算、逻辑控制和张力及线 速度控制算法计算。 <
[0006]作为上述技术方案的进一步改进:
[0007]所述收卷辊的线速度控制算法分成两部分,第一部分,计算出空卷卷辊的转速,根 据物理学原理:
[0008] FI =P*n*Ls/ (2*3 • 14*r)-----------------------------①
[0009]其中F1为空卷辊转速;?为电机极对数;n为减速箱减速比;Ls为设定线速度;r为空 卷辊径;
[0010]第二部分,收卷辊逐渐增大,势必需要收卷辊的转速减少,减少量是通过PID控制 算法来计算:
[0011] F2=Kp* [ (Ls-Lp) +1/Ti*/ (Ls-Lp) dt+Td* (Ls-Lp) /dt]---------------②
[0012]②为PID算法公式,其中F2为空卷辊直径变大转速减少量;Kp为PID比例系数;Ti为 积分系数;Td微分系数;Ls为设定线速度;Lp为反馈线速度;
[0013] 从①、②得出:
[0014] F=F1-F2---------------------------------------------------------③
[0015]公式③最终收卷辊为保持设定线速度Ls的转速的计算公式。
[0016] 所述放卷辊对布匹的张力控制,是以高性能变频器采用了磁场定向矢量控制,即 对解耦出来的磁场电流和转矩电流分别进行控制,达到和直流电机相近的控制效果,
[0017] 其中,放卷辊的转矩电流I = IT+IFC+IF (〇 +IJC+Ij 〇)------------------------④
[0018] 其中It:张力电流,根据电机原理IT = T x RAK®)---------------------⑤
[0019] 其中R为当前放卷辊的辊径R = p*n*LpA2*3.14*F)--------------------⑥
[0020] T为布的张力,,K®为电机系数,F为放卷辊反馈转速;P为电机极对数;n为减速箱 减速比;Lp为反馈的线速度;
[0021] Ifc :低速空载下克服摩擦力的电流;
[0022] If« :可变的空载的摩擦电流,和速度成比例关系;
[0023] IJC:空载加减速电流,IJC = JC X 1/K①X dc〇/dt--------------------⑦
[0024] 其中Jc为空载转动惯量,dc〇/dt角加速度;
[0025] IJ« :带负载后加减速电流;
[0026] IJco =1/2xIIxpx L x (R2) 2x dc〇reel/dt x 1/KO-------------⑧
[0027] 其中p为布的密度;L为布的幅宽;R为当前辊径,d(〇reel/dt当前辊角加速度。
[0028] 所述测速辊设置在收卷辊和放卷辊的正中间。
[0029] 本发明的技术效果在于:
[0030] 收卷辊和放卷辊均由高性能变频器驱动,能解决布匹张力控制的精度;且两个变 频器之间采用直流母排并联,和现有技术中变频器之间仅相互独立供电相比,直流母排并 联能实现能量共享,这样就能有效解决能量回馈造成变频器跳闸问题;在收卷辊和放卷辊 之间,安装测速辊,其作用是:布匹经过测速辊,从而带动测速辊转动,线速度传感器就是通 过检测测速辊的转速并乘以测速辊的辊径,就得出了测速辊的线速度,由于测速辊是被布 匹带动而转动的,两者的线速度是相同的,所以测速辊的线速度就是布匹线速度,就能精确 测量线速度来从而控制线速度的稳定;通过设置一台PLC控制器和一个触摸屏,能负责整个 系统的变频器控制、传感器数据采集和运算、逻辑控制和张力及线速度控制算法计算,触摸 屏作为系统的人机界面,负责整个系统数据监视和参数设定;独特的开环张力控制算法和 线速度控制算法是保证在无张力传感器下张力控制的精度和线速度精度。
附图说明
[0031] 图1为本系统设置方案图。
[0032] 图2为本系统线中转矩和张力、放卷半径三者之间的比例关系图。
[0033] 其中:1•收放卷辊2•测速辊3.变频器4.触摸屏5.PLC控制器6.R1电阻
具体实施方式
[0034] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
[0035] 如图1和图2所示,
[0036] 一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,硬件设备由 两台变频器(3)、两台电动机(7)、一台PLC控制器⑸、一台触摸屏⑷、一根收卷辊⑴和一 根放卷辊(1)组^,在收卷辊(1)和放卷辊Q)之间设置一根测速辊(2),测速辊上设置线速 度传感器,收放卷辊(1)和测速辊(2)上分别设置一个光电编码器,两台变频器⑶采用直流 母排并联的连接方式,PLC控制器(5)负责整个系统的变频器控制、传感器数据采集和运算、 逻辑控制和张力及线速度控制算法计算。
[0037]收卷辊(1)的线速度控制算法分成两部分,第一部分,计算出空卷卷辊的转速,根 据物理学原理:
[0038] Fl=P*n*Ls/(2*3.14*r)-----------------------------①
[0039]其中F1为空卷辊转速;P为电机极对数;n为减速箱减速比;Ls为设定线速度;r为空 卷辊径;
[0040]第二部分,收卷辊(1)逐渐增大,势必需要收卷辊的转速减少,减少量是通过PID控 制算法来计算:
[0041] F2=Kp* [ (Ls-Lp) +1/Ti*/ (Ls-Lp) dt+Td* (Ls-Lp) /dt]---------------②
[0042]②为PID算法公式,其中F2为空卷辊直径变大转速减少量;Kp为PID比例系数;Ti为 积分系数;Td微分系数;Ls为设定线速度;Lp为反馈线速度;
[0043] 从①、②得出:
[0044] F=F1-F2---------------------------------------------------------③
[0045] 公式③最终收卷辊为保持设定线速度Lp的转速的计算公式。
[0046] 放卷辊⑴对布匹的张力控制,是以高性能变频器采用了磁场定向矢量控制,即对 解耦出来的磁场电流和转矩电流分别进行控制,达到和直流电机相近的控制效果,
[0047] 其中,放卷棍⑴的转矩电流I = It+Ifc+ifco+]jC+Ijg)-------------------④
[0048] 其中It:张力电流,根据电机原理It=T x IV(K®)---------------------⑤
[0049] 其中R为当前放卷棍的棍径R = p*n*Lp/ (2*3.14*F)--------------------⑥
[0050] T为布的张力,,K®为电机系数,F为放卷辊反馈转速;P为电机极对数;n为减速箱 减速比;Lp为反馈的线速度;
[0051] Ifc:低速空载下克服摩擦力的电流;
[0052] If« :可变的空载的摩擦电流,和速度成比例关系;
[0053] IJC:空载加减速电流,IJC = JC X 1/K① X dw/dt--------------------⑦
[0054] 其中Jc为空载转动惯量,d«/dt角加速度;
[0055] IJ « :带负载后加减速电流;
[0056] IJco =l/2xllxpx L x (R2) 2x dwreel/dt x 1/K®-------------⑧
[0057] 其中p为布的密度;L为布的幅宽;R为当前辊径,d 〇> ree 1/dt当前辊角加速度。
[0058] 测速辊⑵设置在收卷辊⑴和放卷辊⑴的正中间。
[0059] 印染机工艺要求染布需要来回的摆动,这就决定了两个卷辊(1)的控制方式随时 要发生变化。收卷辊(1)转速度控制来保证系统的线速度,放卷辊的变频器(3)采取转矩控 制来实现对张力的控制,并且控制角色随时会发生变化,当前的放卷辊(1)变成收卷辊(1), 当前的收卷辊(1)变成放卷辊(1)。这些工艺特性决定了变频器(3)的高性能要求,卷辊在收 卷时,变频器⑶处于第一象限内的电动状态,需要变频器⑶提供精确的转速控制;卷辊在 放卷时,变频器(3)就处在第四象限内部的发电状态,需要变频器(3)提供精确的转矩控制 来保证染布张力的恒定。
[0060] 两台变频器⑶采用直流母线并联的方式连接,可以把放辊反馈回来的能量给卷 親用,能大量节省电能,假如反馈回来能量多余或为了快速制动,可以在其中一台变频器 ⑶加一制动电阻(6),其中一台变频器⑶内置制动单元。
[0061] 为了精确地控制系统、发挥变频器的磁场定向转矩控制性能,通过光电编码器信 号把放卷辊或者收卷辊的转速信号反馈到变频器,实现闭环控制。
[0062] 布匹的张力控制采用开环控制。转矩和张力、放卷的半径成一定的比例关系,张力 的控制,最终就是放卷电机二四象限内的转矩控制。
[0063]在项目实施中,控制系统由一台PLC控制器⑸、一台触摸屏⑷、两台变频器⑶、 两台电动机(7)、三个速度传感器组成,两台变频器(¾分别用三相交流电源供电且之间采 用直流母线进行并接,即两者的正极之间和负接之间相连,其中一台变频器〇3)接有R1电阻 (6)。在PLC控制程序里,把一些基本数据如电机极对数、空卷辊径、减速箱减速比、低速空载 下克服摩擦力的电流、空载转动惯量等参数(设备定下来,这些参数就基本不变了)输入到 数据库里,新布卷的直径、印染的线速度、需要的张力大小、往复次数等参数的数据通过触 摸屏⑷设定。
[0064]当一卷待染的布匹吊装到其中一个卷辊后,装有布卷的的卷辊为放卷辊(1),需要 进行布匹的张力控制;另一卷辊为收卷辊(1),需要进行线速度控制。PLC控制器⑸调用①、 ②、③线速度算法对收卷辊⑴进行线速度控制,同样,PLC控制器(5)调用④、⑤、⑥、⑦、⑧ 张力算法对放卷辊(1)进行张力控制。变频器(3)在驱动放卷辊(1)时,电机处于第四象限运 行范围内,属于发电状态,会产生能量回馈;变频器(3)在驱动放卷辊(1)时,电机处于第一 象限运行范围,属于电动状态,需要消耗能量,放卷辊变频器(3)回馈的能量通过直流母线 提供给了收卷辊(1),能量基本上处于自给状态,只需要少部分的外部电源能量。在紧急停 车时候,由于快速制动,有一部分能量来不及自我消耗,就通过R1电阻(6)发热消耗,避免了 变频器(3)跳闸现象。同理,当往复运行时,原先的收卷辊(D就变成放卷辊(1) 了,放卷辊 (1)变成了收卷辊(1),PLC控制器(5)就按照上述原理进行线速度和张力控制。
[0065]以上所举实施例为本发明的较佳实施方式,仅用来方便说明本发明,并非对本发 明作任何形式上的限制,任何所属技术领域中具有通常知识者,若在不脱离本发明所提技 术特征的范围内,利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例,并且 未脱离本发明的技术特征内容,均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (4)

1.一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,硬件设备由两 台变频器(3)、两台电动机(7)、一台PLC控制器⑸、—台触摸屏(4)、一根收卷辊⑴和一根 放卷棍⑴组成,其特征在于:在收卷辊⑴和放卷辊⑴之间设置—根测速辊⑵,测速辊 (2)上^置线速度传感器,收放卷辊⑴和测速辊(2)上分别设置一个光电编码器,两台变频 器(3)米用分别独立供电并且直流母排并联的连接方式,pLC控制器(5)负责整个系统的变 频器控制、传感器数据采集和运算、逻辑控制和张力及线速度控制算法计算。'
2.—种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,|特征在于. 收卷辊(1)的线速度控制算法分成两部分,第一部分,计算出空卷卷辊的转速,根据物理学 原理: FI =P*n*Ls/ (2*3.14*r)-----------------------------① 其中H为空卷辊转速;P为电机极对数;n为减速箱减速比;Ls为设定线速度;『为空卷辊 径; 第二部分,收卷辊(1)逐渐增大,势必需要收卷辊的转速减少,减少量是通过PID控制算 法来计算: F2=Kp* [ (Ls-Lp) +1/Ti*/ (Ls-Lp) dt+Td* (Ls-Lp) /dt]---------------② ②为PID算法公式,其中F2为空卷辊直径变大转速减少量;Kp为PID比例系数;Ti为积分 系数;Td微分系数;Ls为设定线速度;Lp为反馈线速度; 从①、②得出: - - --------------------------------------------------------------③ 公式③最终收卷辊为保持设定线速度Lp的转速的计算公式。
3.—种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,其特征在于: 放卷辊(1)对布匹的张力控制,是以高性能变频器采用了磁场定向矢量控制,即对解耦出来 的磁场电流和转矩电流分别进行控制,达到和直流电机相近的控制效果, 其中,放卷辊(1)的转矩电流1 = 17+1^+1^+:^+1^--------------------④ 其中It:张力电流,根据电机原理It=TxR/ (KO)---------------------⑤ 其中R为当前放卷親的辑径R=P*n*Lp/ (2*3.14*F)--------------------© T为布的张力,,K〇为电机系数,F为放卷辊反馈转速;P为电机极对数;n为减速箱减速 比;Lp为反馈的线速度; Ifc:低速空载下克服摩擦力的电流; Ifw可变的空载的摩擦电流,和速度成比例关系; IJC:空载加减速电流,I JC = JCX1/K® Xd « /dt--------------------⑦ 其中Jc为空载转动惯量,do/dt角加速度; IJw:带负载后加减速电流; IJ w =l/2xrixpxLx (R2) 2xd wreel/dtxl/KO-----------⑧ 其中P为布的密度;L为布的幅宽;R为当前辊径,dcoreel/dt当前辊角加速度。
4.一种对印染机械的张力开环控制及传动控制的设备组成及工作方法,其特征在于: 测速辊⑵设置在收卷辊⑴和放卷辊⑴的正中间。
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