施耐德产品在转杯纺纱机控制系统上的应用

1. 引言
转杯纺纱是一种新型纺纱技术，是将并条加工的熟条开松成单纤维，由气流输送到高速旋转的转杯(高达15万转/分)内进行凝聚和加捻成纱，最后纱线绕在纺纱器外的纱筒上，制成圆柱形或圆锥形纱筒。
与传统的环锭纺纱相比，转杯纺纱具有工序短(省略了粗纱与络筒工序)、产量高(3～8倍)、大卷装等特点，同时使用原料范围广，纱线质量优于环锭纱、纺纱成本也可降低，总体趋势是向着高速、大卷装、智能化、高自动化和低捻(针织纱)等方面发展。目前，我国的转杯纺只占环锭纺的2%，较世界水平(欧洲为25%)还有较大的差距；技术方面，局限于粗支纱的加工，无法纺较细的纱支，因此，转杯纺在我国有较大的发展空间。
转杯纺纱机的控制系统主要包括三个方面的控制：首先是每个转杯的控制，需要实现断纱检测和半自动接头功能；其次，为保证起动和停机时不断纱，纺杯速度、引纱电机与喂棉电机之间的动作必须协调同步，同时要求较高的速度精度和动态响应；第三，需要实现主控制器与分控制器之间的总线连接和通讯，以及用于操作和监控的人机界面。
2. 控制系统方案
转杯纺纱机的控制系统采用了施耐德电气公司根据客户要求量身定作的转杯专用控制器，实现每个纱锭的断纱检测和半自动接头功能，传动系统采用带闭环磁通反馈功能的ATV58F或ATV58变频器(加VW3A58202编码器反馈卡)，主控制器采用Twido PLC或Micro PLC，通过通讯扩展口实现与专用控制器的Modbus总线通讯，通过模拟量输出ATV58F或ATV58变频器实现调速和同步控制，同时配Magelis XBT-G 10.4” 彩色STN触摸屏(XBT-G5230)或TSX08 HMI文本图形显示器进行操作和系统监控。
此外，通过将主轴喂纱电机使用Twin Line系列伺服系统，变换喂纱速度(速度在高速和低速间频繁切换)，实现纱线粗细的有规则变化或无规则的变化，可以纺制出竹节纱等特种纱线。

3. 控制系统简介
Twido PLC是施耐德电气公司推出的结构紧凑、配置灵活、功能丰富的小型PLC系列产品，有模块化和一体化两种CPU本体、以及多种离散量、模拟量I/O模块供用户选择配置，最多可扩展7个I/O模块，最大I/O点数可达264点；同时具有4路高速计数、2路脉冲输出和2路RS485通讯口；程序容量可达3000步(通过存储器扩展插件可扩展至6000步)。Twido PLC采用基于Windows的TwidoSoft编程软件，提供包括浮点数运算、PID指令等丰富的指令集和方便系统调试的应用程序浏览器，可以实现硬件配置、可逆的梯形图和指令列表编程，具有完全的符号化编程以及ASCII码导入/导出等功能，为客户提供简单、灵活、可靠的解决方案。
转杯专用控制器施耐德电气公司根据客户对转杯纺纱机应用的各项功能要求，通过施耐德上海研发中心高水平的技术开发力量和施耐德无锡电子工厂可靠的制造加工能力，为客户量身定作的专用控制器。转杯专用控制器基于Twido PLC的软、硬件平台，不仅具有与Twido PLC相同的功能和编程软件开发环境，而且根据客户的实际需求，设计了恰当数量的I/O点(每个控制器控制16个或12个转杯)和相应的输入/输出方式，并且内置了转杯纺纱半自动接头等特殊指令；同时，控制器的安装方式、接线方式、通讯方式等也通过专门设计以符合转杯纺纱机的实际应用和连接状况，充分地满足了客户的对转杯纺纱机控制的特定需求。
ATV58系列变频器是施耐德电气公司推出的磁通矢量控制通用变频器，功率范围 0.37～75kW，输出频率最大到500Hz，具有低速大转矩特性、150%的高制动力矩，以及低电网电压运行 (大于60%正常电压可运行) 等功能；额定速度下，调速精度开环为?1%，闭环为?0.1%(配测速发电机反馈卡)或?0.02%(配编码器反馈卡)。ATV58变频器内置了EMC滤波器、进线电抗器、制动单元等，有效地降低了系统集成成本，提高了系统可靠性。此外，ATV58变频器除内置的Modbus通讯接口(即操作面板接口)外，通过通讯扩展卡，可以提供多种通讯网络接口(包括工业以太网、FIPIO、Modbus Plus、CANopen、Interbus-S、Profibus-DP、DeviceNet、AS-i、Uni-telway等)和相应的通讯控制方式，极大地丰富了变频器的应用范围，为传动系统中常见的多电机同步控制、变频器远程操作和监控、变频器控制和状态信息的双向交换等复杂应用提供了简单、可靠、便捷的解决方案。
TSX08 HMI系列产品是施耐德电气公司面向中国市场推出的极具竞争力、功能丰富的中文文本图形显示器，有两行文本图形和四行文本图形两种型号，具有64K存储容量，通过Modbus、JBus等通讯协议与PLC连接，通过面板上的8个功能键实现数据输入等操作。采用TSX08 HMI Configurator开发软件，可以配置多达60个应用、报警和帮助页面，其中变量可以以字母、数字、位图、棒图、趋势图等丰富的形式表示，同时提供I/O交叉索引、HMI/PLC交互控制、以及模拟仿真运行等高级功能，可以很好地满足客户的需求。
在转杯纺纱机的控制系统中，转杯专用控制器安装在各单元机台内部，在实现每个转杯的断纱检测及半自动接头等功能的同时，作为Modbus从站与主控制器Twido PLC或Micro PLC交换信息：转杯控制的相关参数由人机界面输入，通过主控制器送达转杯专用控制器；转杯的状态信息通过主控制器轮询后，在人机界面上显示。引纱电机与喂棉电机之间的同步控制，由主控制器根据工艺参数和编码器反馈信息，经PID调节运算后，通过模拟量输出控制。主控制器还执行转杯、风机、横动及落筒等工艺控制。