化纖長(zhǎng)絲在紡絲成形后以一定的卷繞速度通過橫動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和卷取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成而卷繞成具有一定形狀和容量的圓柱形卷裝。隨著高速紡絲技術(shù)的發(fā)展，卷繞速度已高達(dá)4000~8000米／分，甚至更高。在這樣高的卷繞速度下，經(jīng)常采用錠軸傳動(dòng)方式的卷取機(jī)構(gòu)，亦即帶動(dòng)卷裝的錠軸由電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)。然而絲束在整個(gè)卷繞過程中的卷繞速度是一個(gè)恒定值，因此，為了保證卷繞速度的恒定不變，錠軸轉(zhuǎn)速必須遵循一定的函數(shù)規(guī)律。
1 錠軸傳動(dòng)的基本原理及其實(shí)現(xiàn)方法
由于卷繞速度v 、卷裝表面圓周速度V1和橫動(dòng)導(dǎo)絲線速度V2相互構(gòu)成了一個(gè)如圖l 所示的卷繞速度矢量圖，則卷繞角θ 的余弦可寫為：
圖1 卷繞速度矢量圖
從而由式（l ）可得卷裝的錠軸轉(zhuǎn)速Nd與卷繞直徑D之間的函數(shù)關(guān)系式為：
式（2 ）表明在卷裝空管直徑Dmin至滿筒直徑Dmax范圍內(nèi)的錠軸轉(zhuǎn)速Nd是卷繞直徑D 的非線性函數(shù)。而任一瞬時(shí)實(shí)際的卷裝直徑D 可通過卷取機(jī)構(gòu)中壓緊輥的實(shí)際轉(zhuǎn)速戈和錠軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速Ndx來計(jì)算：
式中，k 為取決于壓緊輥直徑大小等因素的系數(shù)。
上述分析表明，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的V 、θ 、K等化纖紡絲生產(chǎn)工藝參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)，可求得不同卷繞直徑D 時(shí)的錠軸轉(zhuǎn)速之值Nd。由此可見，式（2 ）是卷取機(jī)構(gòu)錠軸傳動(dòng)控制的一種模式和基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)錠軸轉(zhuǎn)速按照這種特定規(guī)律變化，可應(yīng)用PCC （可編程計(jì)算機(jī)控制器，Progomable ComPuter Controller ）控制技術(shù)，在卷取機(jī)構(gòu)中的壓緊輥和錠軸處設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，組成一個(gè)如圖2 所示的卷取機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化系統(tǒng)。在這個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)的五大環(huán)節(jié)中：機(jī)械部分主要為卷取機(jī)構(gòu)中的錠軸、卷裝和壓緊輥；傳感器部分為錠軸轉(zhuǎn)速傳感器、壓緊輥轉(zhuǎn)速傳感器及其測(cè)量電路；計(jì)算機(jī)部分為PCC 及其擴(kuò)展裝置；執(zhí)行器部分為錠軸電動(dòng)機(jī)及其變頻器；動(dòng)力部分為系統(tǒng)所需的電能，本系統(tǒng)中采用一個(gè)工業(yè)級(jí)的穩(wěn)壓電源。此時(shí)，卷裝可由錠軸電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)，錠軸電動(dòng)機(jī)通過變頻器來調(diào)速，變頻器的輸入信號(hào)則是滿足高速紡絲工藝要求的錠軸轉(zhuǎn)速給出值：
式（4 ）表示了可利用壓緊輥轉(zhuǎn)速傳感器和錠軸轉(zhuǎn)速傳感器同時(shí)檢測(cè)實(shí)際Njx和Ndx，按式（3 ）求出D ，以式（2 ）計(jì)算Nd并將其與Ndx作比較，把兩者之間的本次偏差Ei經(jīng)比例積分（PI ）調(diào)節(jié)算法，然后，根據(jù)上一次錠軸轉(zhuǎn)速給出值Ndg﹣1，計(jì)算獲取當(dāng)前的錠軸轉(zhuǎn)速給出值Ndg，從而改善整個(gè)控制過程的靜動(dòng)態(tài)特性。式（4 ）中的P為PI 算法中的比例系數(shù)、I為PI算法中的積分系數(shù)、Ei﹣l為Ei的上一次偏差值。
圖2 卷取機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化系統(tǒng)示意圖
2 PCC 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)式（4 ）的要求和目的，可按圖2 的框架設(shè)計(jì)成卷取機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化的PCC 控制系統(tǒng)，其硬件原理框圖如圖3 所示。PCC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它集工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、測(cè)控技術(shù)于一休，是一種高可靠性的集成化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化的自動(dòng)控制裝置，在功能、電源、安全、操作等方面達(dá)到了一個(gè)新水平，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的理想硬件裝置。在圖3 中的PCC 采用了奧地利貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司的B&R 2003 PCC 及其模塊擴(kuò)展技術(shù)，主要包括：B&R 2003 PCC 系列的CP474CPU 主模塊，內(nèi)含2003 的處理器、SRAM 、Flash PROM 、RS232 和CAN 接口以及4 個(gè)CP 插槽（本系統(tǒng)分別選用并插人了DI135 、IF321 、IF3ll 等三個(gè)模塊）；DIl35 高速數(shù)字量輸人模塊主要借助其計(jì)數(shù)器的功能來檢測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)速Njx和Ndx ,從而有效地提高測(cè)速的精度；IF321 、RS485 接口模塊主要將輸出信號(hào)Ndg送至錠軸電動(dòng)機(jī)變頻器的RS485 接口，實(shí)現(xiàn)錠軸傳動(dòng)的過程控制；IF311 、RS232接口模塊用于與PANELWARE P125 緊湊型人機(jī)操作面板連接，通過12 個(gè)數(shù)字鍵與12 個(gè)功能鍵、4 x20 字符LCD 顯示屏可進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)指示、文字圖形、功能選擇等有關(guān)操作和信息顯示。
圈3 錠軸傳動(dòng)型卷取機(jī)構(gòu)的PCC 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圈
3 PCC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
錠軸傳動(dòng)型卷取機(jī)構(gòu)PCC 控制系統(tǒng)的軟件主要采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程快速、便于開發(fā)的B&R2003 PCC 系列編程軟件包PG 2000 所提供的高級(jí)語言PL2000和PANELWARE Panel Stodio 軟件包進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。按系統(tǒng)實(shí)際功能，可將其應(yīng)用軟件分解為若干模塊，下面介紹的是卷取機(jī)構(gòu)過程控制處理程序模塊的設(shè)計(jì)流程。
圈4 卷取機(jī)構(gòu)的過程控制處理程序流程圖
圖4 所示的為卷取機(jī)構(gòu)的過程控制處理程序流程圖，其中Ndgo為錠軸初始設(shè)定轉(zhuǎn)速。首先，利用Njx和Ndx按式（3）求得D ，并以式（2）為主要依據(jù)；然后，通過計(jì)算Nd與Ndx之間的偏差，調(diào)用PI 算法，按式（4 ）得出輸出控制信號(hào)，經(jīng)變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷取機(jī)構(gòu)的錠軸傳動(dòng)控制,使錠軸轉(zhuǎn)速按式（2）的目標(biāo)函數(shù)運(yùn)行。
4 結(jié)論
本文重點(diǎn)論述了一種應(yīng)用PCC 控制錠軸傳動(dòng)型卷取機(jī)構(gòu)的基本原理，從錠軸轉(zhuǎn)速目標(biāo)函數(shù)確立到PCC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為具體實(shí)施應(yīng)用提供了一種有效途徑。
由于B&R 2003 PCC 具有工控機(jī)的能力，其CP474 CPU 主模塊與各擴(kuò)展模塊之間具有電氣隔離措施，用下業(yè)級(jí)穩(wěn)壓電源作為CP474 CPU 的供電電源，因此，這些措施有效地提高了卷取機(jī)構(gòu)PCC 控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可充分發(fā)揮PCC 豐富的功能和開發(fā)周期短的特點(diǎn)，通過擴(kuò)展相關(guān)環(huán)節(jié)將本文介紹的PCC 控制系統(tǒng)與橫動(dòng)機(jī)構(gòu)控制、壓緊輥故障檢測(cè)等內(nèi)容一并綜合設(shè)計(jì)，以組成一個(gè)完整的卷繞機(jī)構(gòu)機(jī)電一體化PCC 控制系統(tǒng)。如利用CAN 總線接口聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，還可形成一個(gè)規(guī)模更大的基于CIMS 理念的化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)線計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)。
貝加萊（B&R）工業(yè)自動(dòng)化是一家專業(yè)致力于創(chuàng)新自動(dòng)化前沿技術(shù)的全球性領(lǐng)導(dǎo)廠商，總部位于奧地利，目前已在全球60個(gè)國(guó)家設(shè)立了分支機(jī)構(gòu)，擁有155個(gè)辦事處。“完美自動(dòng)化”與“您的全球自動(dòng)化合作伙伴”是貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的使命與追求。
1996年8月，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司正式落戶中國(guó)上海，本地化的銷售與精湛的技術(shù)隊(duì)伍為中國(guó)客戶帶來更迅捷的服務(wù)響應(yīng)。十幾年來，貝加萊（中國(guó)）一直專注于為國(guó)內(nèi)用戶提供高品質(zhì)的自動(dòng)化全線產(chǎn)品和優(yōu)秀的技術(shù)解決方案。如今，貝加萊的產(chǎn)品和方案已廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域，如包裝、印刷、塑料、紡織、食品飲料、機(jī)床、半導(dǎo)體、制藥等行業(yè)；以及過程自動(dòng)化領(lǐng)域，如電力、冶金、市政、交通、石油、化工和水泥等行業(yè)。目前，貝加萊（中國(guó)）已成立了北京、廣州、濟(jì)南、西安、成都和沈陽辦事處，上海和西安建立了完備的技術(shù)培訓(xùn)中心，以及分布在全國(guó)的大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。
