花式捻线机控制器的智能化

摘要：花式捻线机构的工艺控制十分复杂，花式纱线的加工设备要能够适应多品种变化的需要，除了相应的机构结构以外，最重要的是要有功能完善、控制灵活的控制器。本文介绍了两种花式捻线机控制器，即基于单片机的经济实用型控制器和基于工业PC机的高档控制器。

    1 引言

    与普通纱线相比较，花式纱线的生产工艺较为复杂。由于花式纱线的种类很多，目前还无法以单一的机构结构适应所有花式纱线的工艺要求。普通纺纱机只要求各个罗拉以一定的速度恒速运转，而花式纱线纺纱机则要复杂得多。只有部分花式线品种的生产工艺要求罗拉以恒速运行。像结子纱一类的花式纱线，则要求纺纱机的控制罗拉以分段变速的方式运行，有些纱型还要求控制罗拉有短时间的停顿甚至反转。这不仅要求控制系统本身具有相应的控制功能，而且要有相应的性能良好的驱动元件和传动系统。

    为了满足实际应用的需要，除了基本的控制功能以外，控制器还要具备相应的辅助控制功能。这些功能包括：启动/停机的过渡过程控制；整机联动调速功能；纱锭成型控制功能；计数计长功能以及故障保护功能等等。由此可见，完善的花式捻线机控制系统是一套复杂的机电一体化系统，整体实现具有相当大的难度。

    早期的花式捻线机是在原有的环锭细纱机基础上改进而成的，仍然采用原来的集中驱动、分散传动的机械结构。因此这种花式捻线机的控制也很简单，但难以满足复杂纱型的生产工艺需要。

    随着控制技术的发展，传统的集中驱动已经逐渐为分散驱动所取代。即锭子采用一台交流电机驱动，为了使锭子速度可调，通常采用变频调速。控制罗拉均采用独立的电机驱动。根据不同的控制要求，驱动电机可以采用步进电机、直流电机或交流变频调速电机。这样，不仅可以省去集中驱动系统中复杂的传动机构，而且由于可以分别对每根罗拉进行单独的控制，便于实现复杂的运动控制，可以纺出传统的集中驱动式纺纱机所无法纺出的纱型。对于分散驱动的花式捻线机，目前主要有以下几种控制方式：第一是利用有些变频器所具备的多段速运行控制功能；第二是采用PLC作为控制器实现所需要的控制；第三是采用专用的花式捻线机控制器。

    以上几种控制方式中，第一种方式只能实现基本的分段变速运行功能，由于只能控制交流电机，因此无法实现反转控制，瞬时停顿也很困难。采用简单PLC所能够实现的控制功能也是有限的，如果采用高档的PLC，则势必增加控制器的成本，且还需要增加相应的辅助控制电路。采用专用的控制器是花式捻线机发展的方向，因为只有专门设计的控制器才能够满足花式捻线机的所有功能要求。国外先进的花式捻线机均采用专用的控制器。国内也有不少厂家自行开发了专用的控制器。

    专用控制器通常以CRT或液晶显示屏作为显示界面，也有的以LED数码管进行显示，配合以相应的操作面板，可以实现各种控制参数和工艺参数的设置和显示。再根据不同的驱动元件输出相应的控制信号（频率信号或电压/电流信号），可以实现复杂的运动控制。同时还配有相应的辅助控制电路以实现整机的运行控制。

         笔者在几年以前就开发成功了基于STD总线系统变频调速交流电机驱动的花式捻线机控制器。在随后的几年里，不断地积累经验、改进设计以适应更为复杂的生产工艺和控制要求，分别开发了基于单片机的普通型花式捻线机控制器和基于工业PC机的高档花式捻线机控制器，能够满足大多数花式纱线的生产工艺要求，并取得了相应的经济效益。　

2 基于单片机的控制器

    图1 花式捻线机控制器总体结构  

    开发基于单片机的控制器的初衷是为了满足低价位普通花式线纱纺机的需要，因此在设计时十分重视性能/价格比，而以单片机为核心的控制系统具有控制功能强、体积小巧、价格低廉的特点，正好能够满足此种控制器的需要。

    基于单片机的控制器应该具有如下的功能：

    （1）能够控制一台交流变频电机（用于驱动锭子）和4根控制罗拉，控制罗拉采用步进电机驱动或独立于锭子的交流变频电机驱动。

    （2）能够适应多数花式线的生产工艺要求（圈圈纱、结子纱等），罗拉可以3种运动方式工作，即连续的匀速运行方式、分段的匀速运行方式和随机化的分段运行方式。

    （3）清晰简洁的用户界面，用LED数码管作为显示部件以显示必要的运行参数和状态，用户通过操作面板上尽量少的按键进行工艺参数的设置，线型工艺参数可以存储以便用户随时调出使用。

    （4）尽可能高的性能/价格比，要与国内目前花式线的生产设备状况相适应。

    根据上述整机的功能要求与技术指标要求，我们设计了以8位微处理器为核心的花式捻线机控制器。整机共分为CPU及外围电路、电池供电RAM电路、LED显示及操作按键电路、频率（脉冲）输出电路、方向控制电路、频率-电压转换电路以及辅助控制电路。系统的总体结构如图1所示。其中CPU采用目前应用较广的MCS-51系列单片机；电池供电RAM用于存放线型工艺参数；CPU根据用户所输入的线型工艺参数通过频率发生器输出相应的频率信号用于驱动步进电机，通过方向控制电路输出步进电机的方向信号；频率信号还通过频率-电压转换电路转换为电压信号，以便用于控制交流变频驱动电机或直流电机；辅助控制电路用于提供花式捻线机所必需的运行控制，包括锭子转速控制、启动/停止控制与故障保护等。

    通常变频调速器提供3种外部速度控制信号接口：电流/电压信号控制、外接端子控制与串行通讯接口控制。本控制器采用外接端子控制，通过3个外接端子的不同连接组合可以8种不同的速度，用一个波段开关即可实现这种控制。