關鍵詞 卷染機 恒張力 恒線速 變頻控制 公共直流母線

一、前言 
        卷染機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，發展前景看好應用越來越廣泛。卷染機控制方面要求具備自動記道、自動計數、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，因此對系統的自控控制水平要求較高。國內較為傳統的卷染機大部分采用雙直流電機控制，只能達到近似的恒張力控制效果，也有采用單變頻器的卷染機，放卷采用異步電機直流制動的方式，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果，因此控制效果不盡如人意。進口的高檔卷染機，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，效果較為理想，但是對于國內的用戶來說，成本壓力很大。本文以一個工程實例來說明采用匯川張力控制專用變頻器精確并巧妙的完成卷染機的工藝要求。

CLM158巨型卷染機技術指標：
◆門幅：1800--3600mm；
◆最大卷徑：1500mm；
◆車速：20--150m/min；
◆最高溫度：98℃；
◆張力調整范圍：300~1000N；

圖四是卷染機工作的示意圖，這是一個典型的中心卷曲控制系統。未染色的布匹首先通過上布電機卷曲到其中的一個輥筒上，在輥筒的傳動軸上安裝有計數用的接近開關，此時控制系統計下整卷布的道次，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，控制的要求是保持布匹上的張力恒定，保持布匹在染液經過的時間一致，也就是線速度恒定。這是個沒有線速度反饋的驅動系統，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，控制系統需要適應這種獨特的要求。
    匯川MD330變頻器為卷染機的高性能控制提供了理想的驅動平臺。在江蘇地區各個卷卷機廠家以及最終用戶處的實際使用情況表明，采用MD330控制的卷染機，兼顧了控制性能和成本之間的要求，為該行業的產品升級換代提供了優秀的解決方案。下面結合用于平幅絲綢棉布尼龍人造及合成絲等織物的CLM158 巨型恒張力卷染機的工程實例說明匯川MD330高性能矢量控制變頻器在該行業的應用。

二、采用張力控制專用變頻器的卷染機電氣系統 
         卷染機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系到張力以及線速度控制的驅動部分控制。

        該卷染機的控制系統以西門子作為控制器，采用觸摸屏作為人機界面，它們主要完成的是張力，線速度的設定，布的厚度的測量以及相關邏輯動作的控制。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，使得整個系統看起來很精簡。接線示意可見圖五。由圖中可見：兩臺完全一樣的變頻器，它們均工作于閉環矢量控制模式，由于卷染機在接近滿卷時候會較長時間工作在很低的頻率下（1~3Hz）,采用較高線數的編碼器有助于提高在低轉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。
上布時刻，PLC記錄下該布卷在輥筒上面的總圈數，然后由操作工測量該布卷的直徑，把這個值輸入到HMI，PLC根據直徑和總圈數，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MD330張力控制變頻器，作為控制的最基本參數。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上面設定好，然 后通過PLC傳遞給變頻器。
         MD330的功能十分強大，除了具有常規的慣量補償，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、印包等行業收卷控制的自動換盤設計的功能：預驅動。該功能的作用是根據線速度和卷徑的關系，自動計算出所匹配的角速度。利用這個功能，我們首先可以實現卷染機控制要求中的恒定線速度控制。其原理是：根據設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旋轉速度，當直徑變化的時候，輥筒每旋轉一圈，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矩控制功能，實時的根據張力的設定值，錐度，補償量以及卷軸直徑計算出所需要的轉矩，從而達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，而卷染機正是較為典型的該類系統。在該系統中，變頻器接收PLC通過485傳送過來的張力設定值，然后根據布厚的遞歸運算得到直徑，張力設定值乘上半徑除上機械系統的傳動比就是電機所需要輸出的轉矩。
    在該系統中，假設我們把放卷的定為速度模式，它始終工作在預驅動模式下，根據輥筒直徑的變化計算出需要的電機轉速來保證布匹的線速度恒定，收卷的則始終工作在轉矩控制模式下。當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/放卷控制模式和預驅動即可。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。
    由卷染機的工作原理可見，放卷的電機始終處于發電模式，通常的做法都是采用制動單元、制動電阻，將制動產生的能量以熱量的形式消耗掉。對于卷染機這樣長年累月工作在發電模式下的設備來說，這種方式電能的浪費是大量的。匯川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，這樣正常工作制動產生的能量通過并聯的母線又回到拖動的電機。為了考慮在快速減速的時候，有可能兩臺電機都處于發電狀態，在其中的一臺變頻器上面仍舊并聯了一個制動電阻，這個電阻的工作是短時的，能耗很小。老是卷染機控制柜下方很大的一個電阻箱現在可以完全取消了，既節省了能耗，又避免了很大的一個熱源，從而系統的可靠性也得到了提高。

三、結束語
    本系統在優化參數值之后，設備試機時速度150米/min非常穩定，完全解決了原來采用直流電機張力控制不夠連續、穩定的問題。為了穩妥器件，第一套系統在染缸底部的過渡輥上面安裝了張力傳感器來監測布匹的張力，從傳感器檢測回來的數據可以看到，這個系統的張力控制的非常的穩定，穩態的時候波動可以做到小于5%，快速加減速度的動態過程波動小于15%。從傳感器也可以看到錐度系數在控制中的作用，而這些性能，功能都是原來直流電機沒有做到的。采用公用母線方式，設備效率為90-95%、節電率為40%左右。而且本系統電氣器件配置簡練、邏輯清晰，兼顧了控制要求和成本之間的要求，的確是個性價比優良的方案，采用該控制方案的卷染機現在已經已經在福建，淮北，江陰等地批量應用。