浆染联合机组恒张力控制的实现

0 引言

浆染是织布之前的一道工序，主要是对白色原纱根据生产品种进行染色、上浆、烘干、分绞，烘干之后的纱线需要在恒张力下收卷在前车织轴上。纱线的中心卷曲是最后一道工序，张力控制的好坏将直接影响织布的质量。中心卷曲的恒张力控制以前大部分采用机械变矩器或者直流电机来实现，但这两种方法都存在一些问题。机械变矩器普遍存在平均无故障时间太短的问题;而直流电机则需要经常性的维护保养。目前国内纺机厂都在积极寻找采用交流电机加变频器来进行控制，国内无锡的工诚纺机等都做过一些采用速度同步或者直接加上张力传感器的方案尝试，但是由于系统的复杂性，一直没有取得理想的控制效果。

1 浆染联合机组的工作原理

浆染联合机组的示意图如图1 所示。传统的控制方法是对于浆染部分整体传动的机组，一般的配置是采用30/37 kW的主机作为主传动，拖引和收卷部分，则采用变频器加上直流驱动器的方式。其中的直流驱动器工作在转矩模式下，对收卷纱线的张力进行控制。高性能矢量控制变频器的出现，使得采用普通交流异步电机实现较高精度的转矩控制成为可能。艾默生TD3000 系列的优异转矩控制功能加上TD3300专业化的卷曲软件设计，为行业性的应用提供了客户化的、具有优良性价比的解决方案。

2 改造方案

2.1 实现思路

经过与厂家的交流，确定了控制方案，考虑到系统的张力较大(一般在1 000~3 000 N 之间调节)，工作速度较低(浆纱，浆染最大车速一般在35 m / min，并纱一般<80 m / min)，对于这种低速大张力的工艺系统，利用线速度进行卷径计算的开环张力控制是最合适的。由于有储纱架，因此主边轴电机的速度控制是完全独立的，它所要保证的只是速度控制的稳定以及变频器较好的低频特性，这样能够在起动的时候克服很大的静态摩擦力矩。分绞之后的拖引变频器，要求速度特性很硬，并且会长期工作在发电状态下，因此需要使用制动单元。卷曲部分则是整个系统的核心。

2.2 系统构成

系统的主要驱动设备如下：

TD2000-37kW 用于主机边轴驱动;

TD3000-11kW 分绞拖引电机变频器;

TD3300-15kW 织轴中心卷曲电机驱动变频器;

E6B2-CWZ6C 编码器安装在与卷绕电机同轴的位置。

从系统构成来看，由于采用了专业设计的TD3300张力控制变频器，因此对于电气系统的控制相当简单，不需要专用控制板，PLC 也不需要使用昂贵的模拟量模块，所有的复杂数学运算都在变频器内部由高速DSP 实现，外部只需要处理一些启、停，复位等的逻辑信号即可，也不需要昂贵并且难以安装的张力检测辊。由于TD3000 系列变频器22 kW 以下都内置制动单元，因此对于拖引变频器来说，无需另外选配制动单元。综上所述，用户电控部分成本得到有效的控制。

收卷系统接线示意图如图2 所示。图中PLC负责外围逻辑信号和时序的处理;在前车头的左、中、右均安装有现场操作按钮箱，供挡车工使用，可以控制起停、加减速度、复位等;变频器的模拟量输出口除了输出速度信号之外，还用于数显表的张力和车速显示;张力通过控制盘上的电位器进行调整。可以看出，这是一个很精简的张力控制系统，大部分复杂功能的实现都集成在变频器的内部，从而降低了成本，提高了可靠性。

3 系统调试

浆染联合机/并纱机/浆纱机的控制原理和调试方法都很相似。调试过程需要关注的主要有：各种速度系数的计算，张力的选取，卷径复位方式选择，编码器的安装，制动电阻的安装与散热等。例如线速度与拖引变频器、卷绕变频器之间的对应关系很重要，需要较为精确的设定。但是有时候用户也给不出这些比例参数，这时候可以让变频器工作在5 Hz 的频率下，运行1 min 对卷绕轴计数，用卷绕轴转过的圈数，除以5 Hz，1 min 内四极电机应该转过150 转，这样基本可以把传动系数测量出来。最小线速度的设定要合理，一般的经验参数是最大线速度的一半。但是如果生产的品种改变，这时候速度上不去，那就要及时修改最小线速度的设定值。调试实践中，宜兴中港纺织就发生过改生产粗纱之后，张力通过电位器无法调节的现象，事后到现场发现粗纱的生产速度慢，到不了最小线速度，因此一直是零速张力在起作用，电位器当然改不了。但是最小线速度不能设得太小，否则起始时刻卷径计算误差较大，从而张力波动也变大。

从调试的角度来说，纱线的卷绕比布匹、纸张的难度要大，因为纱线在刚刚上车张紧的时候并不能做到松紧程度一致。假设原先的张力为500 N，这种情况下，对均匀缠绕的纱线是适合的，但是如果松紧不一，500 N的力对应紧的纱线可能就大了，应力一集中就会发生断头，并进一步形成连锁反应，使全部纱线断裂，工人们称之为“爆头”。为了避免这种现象，我们设计增加了点动上车功能，让卷绕变频器首先工作于速度模式，用较低的速度点动将纱缠在卷绕轴上，由工人将其尽量分布均匀。速度模式下，采用转矩限幅来进行张力的控制，此时的变频系统相当于力矩电机，限幅的值一般设得很低。待转过几圈，轴上纱线松紧程度接近的时候，才切换到转矩控制模式。同时，转矩控制模式下，转矩限幅不起作用，可以进行正常的张力控制。

卷绕电机采用变频电机是最优的选择。因为对于一个卷径比变化比较大的系统，在满卷的时候，变频器可能会工作在3~5 Hz。这时候对系统，包括电机的散热都是一个严峻的考验。事实证明，TD3000、TD3300 的低频性能是相当出色的，3 Hz运行平稳，张力控制效果没有变化。但对电机来说，此时的散热条件相当苛刻，时间稍长，便会过热保护。因此选用变频电机是合适的。

4 结语

EMERSON TD3300 变频器自从在安徽安庆东至纺织厂成功应用于进口泰利浆染联合机的改造之后，已经在很短的时间之内在华东地区的浆纱机、卷染机等有相似张力控制工艺工况的生产线或生产设备得到了迅速的推广应用，或取代机械变矩器，或取代直流电机，或取代力矩电机，都取得了很好的控制效果，并且得到用户的普遍认可，一些原来只有通用变频器无法进入的配套厂也得以借此机会顺势进入。就性价比而言，TD3300 是目前该领域具有优异性能价格比的优势产品，值得用户采用。