CN112363445A - 一种玻捻机控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玻捻机控制系统,该系统包括定位模块、伺服电机驱动器、伺服电机、锭子变频器、丝筒变频器;控制模块,向定位模块发送下一个周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息;定位模块,根据预设的定位脉冲数与钢领板位置之间的关系,将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息,转换为定位脉冲信号和定位方向信号;所述定位脉冲信号频率对应钢领板需要达到的速度、定位脉冲信号的脉冲个数对应钢领板需要达到的位置;定位方向信号的符号对应钢领板运动方向;伺服电机驱动器,将定位脉冲信号转换为伺服电机控制信号,驱动伺服电机带动钢领板升降,使得钢领板在下一个控制周期起始时刻到达预设的位置和速度。

Description

一种玻捻机控制系统
技术领域
本发明涉及到一种玻捻机控制系统,适用于纺织机械设备等,属于玻捻机电控领域。
背景技术
玻捻机是用于将玻纤进行加捻的机械设备,玻捻机电控系统用于完成玻捻机机械部件的全自动高精度纺纱成形控制。在玻捻机电控系统中,其核心是实现对纺纱成形工艺控制、纺纱长度控制及纱线捻度与张力控制,电控系统的设计组成对其纺纱产品质量有着直接影响。
已知早期的玻捻机电控系统采用继电器组合来作为控制核心,控制功能简单,线路复杂,精度较低;已知一种国内玻捻机电控系统采用工控机为控制核心,但由于工控机机身设计及板卡空间狭小等缺陷,存在发热过高易导致的系统不稳定问题,同时由于采用的是非实时性的Windows操作系统,具有实时控制精度有限及需防病毒感染等缺点;已知一种进口玻捻机电控系统采用PLC作为控制核心,采用DeviceNet高速数字总线来实现对锭子变频器和丝筒变频器的控制,采用DeviceNet接口的数字伺服驱动器来控制升降电机的运动,控制系统成本高,同时DeviceNet存在总线延迟,不能满足精细纱的控制精度要求;已知最新一种国外玻捻机电控系统采用自研的控制主板为核心,钢领板升降电机及丝筒、锭子都采用变频调速控制,该系统控制精度高,但该系统组成全部采用自研产品包括变频器、控制主板、钢领升降电机等,具有价格昂贵,用户后期维护成本高等缺点。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种玻捻机控制系统,用于解决现有玻捻机控制系统不稳定、实时性不足、散热不良及成本偏高、维护困难等缺点。
本发明的技术方案是:一种玻捻机控制系统,该系统包括控制模块、定位模块、伺服电机驱动器、伺服电机;其中:
控制模块,按照预设的控制周期,向定位模块发送下一个周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息;
定位模块,根据预设的定位脉冲数与钢领板位置之间的关系,将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息,转换为定位脉冲信号和定位方向信号,发送钢领板升降伺服电机驱动器;所述定位脉冲信号频率对应钢领板需要达到的速度、定位脉冲信号的脉冲个数对应钢领板需要达到的位置;定位方向信号的符号对应钢领板运动方向;
伺服电机驱动器,将定位脉冲信号转换为伺服电机控制信号,驱动伺服电机旋转,驱动伺服电机带动钢领板升降,使得钢领板在下一个控制周期起始时刻到达预设的位置和速度。
上述控制器还包括触摸屏、控制模块、相对编码器、锭子变频器、丝筒变频器;
触摸屏,为人机操作界面,接收用户输入的纺纱操作指令和纺纱工艺参数,发送至控制模块;
锭子变频器,根据控制模块发送的锭子频率指令和锭子方向指令,输出相应的控制电压信号,控制锭子电机的速度和方向;
丝筒变频器,根据控制模块发送的丝筒频率指令和丝筒方向指令,输出相应的控制电压信号,控制丝筒电机的速度和方向;
相对编码器,采集电机转速,转化成脉冲信号,发送给控制模块;
控制模块,根据纺纱操作指令和纺纱工艺参数,按照预设周期,向锭子变频器发送锭子频率指令和锭子方向指令,向丝筒变频器发出丝筒频率指令和丝筒方向指令;周期性采集相对编码器发送的脉冲信号,根据脉冲信号频率,计算丝筒电机的转速,结合丝筒电机与丝筒的传动比,计算当前丝筒转速,根据此时当前丝筒转速与丝筒理论计算速度进行PID闭环控制,将两者稳态偏差控制在预设的误差范围之内,从而保证丝筒送纱速度与纱线捻度,根据相对编码器发送的脉冲信号总数,计算当前纺纱长度。
所述触摸屏选用西门子MP277 10英寸触摸屏。
所述控制模块选用西门子公司的S7-300 PLC。
所述控制模块由MPI口通过RS485总线接口与锭子变频器、丝筒变频器进行通信。
所述定位模块选用FM353 STEPPER。
控制模块与定位模块的通信方法如下:
控制模块将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息写入根据定位模块的UDT接口定义的用户自定义数据块中,由定位模块通过读取。
所述触摸屏通过MPI接口与控制模块相连,并通过TAG标签与控制模块行数据交换。
所述控制模块其上的输入通道获取锭子变频器和丝筒变频器报警、上下限位报警、急停故障状态,通过输出通道切断锭子变频器和丝筒变频器输出信号、伺服驱动器使能信号,确保故障状态时设备及操作人员的安全,并辅以红、黄、绿三种颜色的指示灯提示锭子变频器、丝筒变频器和/或伺服驱动器三种设备当前工作状态,其中绿色代表设备正在运行状态、红色常亮代表设备停机状态、红色闪烁代表设备故障状态。
所述伺服驱动器采用位置控制模式驱动伺服电机,伺服电机每转1圈需要的脉冲数为4k。
本发明与现有技术相比的有益效果是:
(1)、本发明采用了分布式控制方式,在完成当前定位运动过程之前,FM353已获知下一次定位运动的方向和位置信息,此种控制方式避开了两次定位运动之间由于程序扫描周期过长而可能造成的换向延时,可满足钢领板的实时运动控制需求。
(2)、本发明由POS_CTRL功能块通过高速背板总线将钢领板位置和方向信息传送至FM353,无需占用太多的CPU资源。
(3)、本发明对PID控制参数进行调试,实现了锭子变频器和丝筒变频器精确稳定控制。
附图说明
图1为本发明实施例基于S7-300 PLC与FM353定位模块的玻捻机电控系统原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明提供了一种玻捻机控制系统,该系统包括触摸屏、控制模块、定位模块、相对编码器、伺服电机驱动器、伺服电机、锭子变频器、丝筒变频器;其中:
触摸屏,为人机操作界面,接收用户输入的纺纱操作指令和纺纱工艺参数,发送至控制模块;所述纺纱操作指令包括启机、停机、张筒、缩筒、落纱、清洁操作;纺纱主要工艺参数包括纱线长度、捻度、锭子电机转速;
锭子变频器,根据控制模块发送的锭子频率指令和锭子方向指令,输出相应的控制电压信号,控制锭子电机的速度和方向;
丝筒变频器,根据控制模块发送的丝筒频率指令和丝筒方向指令,输出相应的控制电压信号,控制丝筒电机的速度和方向;
相对编码器,采集电机转速,转化成脉冲信号,发送给控制模块;
控制模块,根据纺纱操作指令和纺纱工艺参数,按照预设周期,向锭子变频器发送锭子频率指令和锭子方向指令,向丝筒变频器发出丝筒频率指令和丝筒方向指令;周期性采集相对编码器发送的脉冲信号,根据脉冲信号频率,计算丝筒电机的转速,结合丝筒电机与丝筒的传动比,计算当前丝筒转速,根据此时当前丝筒转速与丝筒理论计算速度进行PID闭环控制,将两者稳态偏差控制在预设的误差范围之内,从而保证丝筒送纱速度与纱线捻度,根据相对编码器发送的脉冲信号总数,计算当前纺纱长度;按照预设的控制周期,向定位模块发送下一个周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息;
定位模块,根据预设的定位脉冲数与钢领板位置之间的关系,将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息,转换为定位脉冲信号和定位方向信号,发送钢领板升降伺服电机驱动器;所述定位脉冲信号频率对应钢领板需要达到的速度、定位脉冲信号的脉冲个数对应钢领板需要达到的位置;定位方向信号的符号对应钢领板运动方向;
伺服电机驱动器,将定位脉冲信号转换为伺服电机控制信号,驱动伺服电机旋转,驱动伺服电机带动钢领板升降,使得钢领板在下一个控制周期起始时刻到达预设的位置和速度。
优选地,所述触摸屏选用西门子MP277 10英寸触摸屏。
优选地,所述控制模块选用西门子公司的S7-300 PLC。
优选地,所述控制模块由MPI口通过RS485总线接口与锭子变频器、丝筒变频器进行通信。
优选地,所述定位模块选用FM353 STEPPER。
优选地,控制模块与定位模块的通信方法如下:
控制模块将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息写入根据定位模块的UDT接口定义的用户自定义数据块中,由定位模块通过读取。
优选地,所述触摸屏通过MPI接口与控制模块相连,并通过TAG标签与控制模块行数据交换。
优选地,所述控制模块其上的输入通道获取锭子变频器和丝筒变频器报警、上下限位报警、急停故障状态,通过输出通道切断锭子变频器和丝筒变频器输出信号、伺服驱动器使能信号,确保故障状态时设备及操作人员的安全,并辅以红、黄、绿三种颜色的指示灯提示锭子变频器、丝筒变频器和/或伺服驱动器三种设备当前工作状态,其中绿色代表设备正在运行状态、红色常亮代表设备停机状态、红色闪烁代表设备故障状态。
优选地,所述伺服驱动器采用位置控制模式驱动伺服电机,伺服电机每转1圈需要的脉冲数为4k。
实施例:
本发明实施例提供给了一种基于S7-300 PLC与FM353高精度定位模块为控制核心的玻捻机电控系统。
本实施例中,电控系统包括西门子MP277 10英寸触摸屏、PS307 10A/24V电源、S7-300 PLC(内含CPU 313C-2PtP)、FM353定位模块、相对编码器、钢领升降伺服驱动器、升降伺服电机、锭子变频器、丝筒变频器等。
工业可靠的触摸屏用于人机操作界面,通过MPI口与CPU相连,并通过TAG标签与PLC进行数据交换,完成启机、停机、张筒、缩筒、落纱、清洁等操作及纺纱工艺参数设置等。
西门子S7-300系列可编程逻辑控制器(PLC)具有可靠性高、运行稳定、组态简单、价格低、散热性好等优点;本电控系统选用的CPU为313C-2PtP,系统资源充足,具有两个MPI接口,一个MPI口连接触摸屏,另一个MPI口通过RS485总线接口按站点通讯方式与锭子变频器、丝筒变频器进行通信,根据锭子变频器、丝筒变频器通讯协议分别向锭子变频器、丝筒变频器发出运行方向指令与频率指令,对锭子电机和丝筒电机进行变频调速;同时,利用CPU上可组态的高速计数通道(最大30KHz)周期性获取高精度相对编码器发送的脉冲信号,根据脉冲信号频率,计算丝筒电机的转速,结合丝筒电机与丝筒的传动比,计算当前丝筒转速,根据此时当前丝筒转速与丝筒理论计算速度进行PID闭环控制,将两者稳态偏差控制在0.3%的误差范围之内,从而保证丝筒送纱速度与纱线捻度,根据相对编码器发送的脉冲信号总数,计算当前纺纱长度。
本实施例中,PID闭环控制模型如下所示:
Figure BDA0002754192020000061
y为PID指令输出值;w为设定值,设定为丝筒电机的理论转速,x为过程值,为实时测得的电机转速,TD为微分作用时间,T1为积分作用时间,a为微分延迟系数,取值范围0~1;s为拉普拉斯算子,c为微分作用加权,取值范围0~1,Kp为比例增益,b为比例作用加权,取值范围0~1。
上述本发明具体实施例中,积分作用时间T1设定为2s、比例作用加权b为100%、微分作用加权c为0、比例增益Kp设定为0.8。
S7-300 PLC通过CPU上的16DI/16DO通道获取变频器报警、上下限位报警、急停等故障状态,通过相应DO通道切断变频器输出及伺服驱动器使能信号,确保故障状态时设备及操作人员的安全,并辅以不同颜色的指示灯提示设备当前状态。
FM353定位模块硬件接口可输出最高200kHz的高速脉冲及方向控制信号。FM353模块具有7种工作模式,本方案主要采用手动数据输入(MDI)模式,输出连续高速脉冲控制钢领板进行精确定位运动。FM353具有独立的MPI地址,相当于具有独立的控制处理器,本质上CPU对FM353的控制就是两者之间数据交换的过程,由FM353内的POS_CTRL专用功能块负责CPU与FM353之间的数据交换工作。CPU只需将钢领板位置和方向信息写入根据UDT接口定义的用户自定义数据块中,由POS_CTRL功能块通过高速背板总线将钢领板位置和方向信息传送至FM353,无需占用太多的CPU资源。另外FM353定位模块还提供可编程4DI/4DO,用于参考点接近、使能、限位等信号的连接。
在控制程序代码编写过程中,开发者采用了分布式控制方式,在完成当前定位运动过程之前,FM353已获知下一次定位运动的方向和位置信息,此种控制方式避开了两次定位运动之间由于程序扫描周期过长而可能造成的换向延时,可满足钢领板的实时运动控制需求。根据用户设定的钢领板升降速度及成形参数点位信息,CPU将其换算成为FM353需要的定位脉冲信号和定位方向信号,并输出至伺服驱动器,驱动伺服电机完成升降定位运动。由于伺服驱动器采用位置控制模式,设置伺服电机每转1圈需要的脉冲数为4k,结合机械部分的减速机及高精度滚珠丝杠,钢领板的定位精度理论上可达到微米级。FM353模块输出脉冲频率稳定,钢领板运行过程中的速度波动也远低于采用模拟量输出的控制模式。
通过采用本发明提出的S7-300 PLC与FM353定位模块为控制核心的玻捻机电控系统,可以较好地解决上述现存方案中的控制系统不稳定、实时性不足、散热不良及成本偏高、维护困难等缺点,并极大提高纺纱品质与成型质量,具有一定的经济效益和实用价值。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰,均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种玻捻机控制系统,其特征在于包括控制模块、定位模块、伺服电机驱动器、伺服电机;其中:
控制模块,按照预设的控制周期,向定位模块发送下一个周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息;
定位模块,根据预设的定位脉冲数与钢领板位置之间的关系,将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息,转换为定位脉冲信号和定位方向信号,发送钢领板升降伺服电机驱动器;所述定位脉冲信号频率对应钢领板需要达到的速度、定位脉冲信号的脉冲个数对应钢领板需要达到的位置;定位方向信号的符号对应钢领板运动方向;
伺服电机驱动器,将定位脉冲信号转换为伺服电机控制信号,驱动伺服电机旋转,驱动伺服电机带动钢领板升降,使得钢领板在下一个控制周期起始时刻到达预设的位置和速度。
2.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于还包括触摸屏、控制模块、相对编码器、锭子变频器、丝筒变频器;
触摸屏,为人机操作界面,接收用户输入的纺纱操作指令和纺纱工艺参数,发送至控制模块;
锭子变频器,根据控制模块发送的锭子频率指令和锭子方向指令,输出相应的控制电压信号,控制锭子电机的速度和方向;
丝筒变频器,根据控制模块发送的丝筒频率指令和丝筒方向指令,输出相应的控制电压信号,控制丝筒电机的速度和方向;
相对编码器,采集电机转速,转化成脉冲信号,发送给控制模块;
控制模块,根据纺纱操作指令和纺纱工艺参数,按照预设周期,向锭子变频器发送锭子频率指令和锭子方向指令,向丝筒变频器发出丝筒频率指令和丝筒方向指令;周期性采集相对编码器发送的脉冲信号,根据脉冲信号频率,计算丝筒电机的转速,结合丝筒电机与丝筒的传动比,计算当前丝筒转速,根据此时当前丝筒转速与丝筒理论计算速度进行PID闭环控制,将两者稳态偏差控制在预设的误差范围之内,从而保证丝筒送纱速度与纱线捻度,根据相对编码器发送的脉冲信号总数,计算当前纺纱长度。
3.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述触摸屏选用西门子MP277 10英寸触摸屏。
4.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述控制模块选用西门子公司的S7-300 PLC。
5.根据权利要求4所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述控制模块由MPI口通过RS485总线接口与锭子变频器、丝筒变频器进行通信。
6.根据权利要求4所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述定位模块选用FM353STEPPER。
7.根据权利要求6所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于控制模块与定位模块的通信方法如下:
控制模块将下一个控制周期起始时刻钢领板需要达到的位置和速度信息写入根据定位模块的UDT接口定义的用户自定义数据块中,由定位模块通过读取。
8.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述触摸屏通过MPI接口与控制模块相连,并通过TAG标签与控制模块行数据交换。
9.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述控制模块其上的输入通道获取锭子变频器和丝筒变频器报警、上下限位报警、急停故障状态,通过输出通道切断锭子变频器和丝筒变频器输出信号、伺服驱动器使能信号,确保故障状态时设备及操作人员的安全,并辅以红、黄、绿三种颜色的指示灯提示锭子变频器、丝筒变频器和/或伺服驱动器三种设备当前工作状态,其中绿色代表设备正在运行状态、红色常亮代表设备停机状态、红色闪烁代表设备故障状态。
10.根据权利要求1所述的一种玻捻机控制系统,其特征在于所述伺服驱动器采用位置控制模式驱动伺服电机,伺服电机每转1圈需要的脉冲数为4k。
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