【摘 要】介紹了三菱變頻器在磁棒平網印花機定位控制中的應用方案。
【關鍵詞】變頻器 平網印花機 定位控制
1.概述
磁棒平網印花機(簡稱平網印花機)是紡織印染行業特別是毛巾（含浴巾、沙灘巾、裝飾巾、毛巾掛毯等）制造企業的重要生產設備。平網印花機由橡膠輸送帶（簡稱導帶）輸送毛巾運動，多個平網在毛巾上套印不同的顏色，其印花及套色的準確性直接影響毛巾成品的美觀和質量等級，因而要求拖動系統定位準確；為了提高生產效率，降低成本，又必須保持一定的印染速度。{TodayHot}若速度過快，慣性太大，導帶難以停穩，定位套色必然不準，這是一個不可回避的矛盾。在湖南某毛巾廠，我們以三菱工控產品為主體，設計了一個印花機自控系統，發掘了變頻器的功能，巧妙地利用它進行定位控制，以較少的投資平衡了上述矛盾，技術改造方案達到了預定的目標。
2.平網印花機的工作原理（參見圖1）
首先在導帶的預定位置用乳白膠粘貼白色毛巾坯，然后啟動變頻器驅動三相籠型交流異步電機，電機經蝸輪減速機減速后拖動導帶，當導帶上的毛巾對準印花平網的位置停穩后，平網網框下壓貼緊毛巾，網框內放置的細圓磁性鋼棒在輸送帶下方的磁場控制器驅動下往復滾動，將平網內放置的顏料透過鏤空的圖案印染到毛巾上。1個顏色的圖案印完了，網框抬起，導帶將毛巾送到下一個網框位置停穩，開始第二個顏色圖案的印染………，直到多個顏色（一般8~10個顏色）依次套準印完，一條彩色毛巾才告完成，而第二條毛巾緊接著1條毛巾不間隔地套色印染………周而復始，連續作業。每條毛巾印染完成后，隨即{HotTag}送到隧道式蒸汽烘房內烘干，然后絞邊、整理、質檢、包裝，直至入庫出廠。
3.平網印花機自控系統主要配置
·三菱多功能矢量控制變頻器：FR－A540－7.5K－CH（內置制動單元）1臺
·上海穩達RXLG鋁合金外殼變頻器制動電阻 75Ω/780W 1只
·三相籠型交流異步電動機：Y系列，4極，7.5kW 1臺
·三菱可編程控制器：FX2N-48MR-001（繼電器輸出、I/0=24/24、內置高速計數功能）1臺
·臺達旋轉編碼器：ES520CB8942（增量式、集電極開路輸出、解析度2000ppr）1臺
·三菱4.4英寸觸摸屏：F930GOT-BWD-C（STN藍白兩色） 1臺
·明緯開關電源：S-25-24
（220VAC / +24VDC；對編碼器和觸摸屏供電）1臺
4.平網印花機負載的機械特性和變頻器的選型
平網印花機的電氣拖動主要是驅動橡膠導帶運動，其阻力矩TL取決于導帶和傳輸輥之間的摩擦力FL與傳輸輥半徑r的乘積，即TL=FL×r。在這里，傳輸輥的半徑r是恒定不變的，摩擦力FL的大小也與轉速無關。這是典型的恒轉矩負載機械特性。因此，初步選用三菱A540系列變頻器。
三菱A540系列變頻器具有如下特性：
·采用先進的磁通矢量控制。由于采用了精簡指令集計算機RISC微處理芯片，使之具有全新的在線自動調整功能，使電機在不影響啟動速度的情況下迅速得到調整，從而在不安裝編碼器反饋PLG板低速運行時，達到高精度運行和高轉矩輸出。
·具有多段速度選擇功能：它有高速RH、中速RM、低速RL、第二加/減速時間選擇RT、漏型公共輸入端SD等端子，可以通過PLC的輸出點直接控制輸入端子的ON/OFF狀態來實現變頻器速度的上升、下降和1停車。每檔速度的大小可由變頻器功能預置來設定。
·運用了三菱首創“柔性脈寬調制”（Soft-PWM）開關方式，實現更低噪音運行，并能減少對外射頻干擾，有利于鄰近的PLC、旋轉編碼器的可靠運行。
·調速范圍：1：120（0.5Hz~60Hz運行時），采用自動調整后,可以在不同的品牌的電機上實現高精度運行。
·11kW以下的規格型號內置制動單元，外配制動電阻即可實行直流制動（能耗制動），實現快速停車。
綜合多種因素，我們選定了三菱FR-A540-7.5kW-CH變頻器。因三菱原裝制動電阻價格較貴，技術含量不高，故外配上海穩達RXLG型鋁合金外殼制動電阻。另外，我們曾經在變頻器上安裝編碼器反饋PLG選件板FR-A5AP，使變頻器、電機和編碼器組成一個速度閉環，能使電機速度變動率達到±0.02%（萬分之二）。經試驗證明：變頻器安裝PLG板的方法更適合于高精度轉速控制，而我們在這里是要利用變頻器的多段速度選擇和A540的高性能來進行定位控制，采用PGL板反而與控制要求有沖突，出現較大的定位誤差，因此取消了PLG板。
5.其他主要自控設備的選型
5.1 PLC的選型
三菱FX2N型PLC是目前市場占有量較大的機型，具有很高的性價比。它內置多個高速計數器。經過試驗，我們采用兩相兩計數輸入、頻率為30kHz的C251計數器，將編碼器的A、B輸出端與PLC的X0、X1輸入點相連，可以穩定地捕捉、記錄編碼器的脈沖信號。根據系統輸入輸出點統計結果，我們選用24點輸入/24點輸出、繼電器輸出型的FX2N-48MR，I/O點留有一些裕量。
FX2N-48MR的輸出點的外部接線方式為分組式，有COM0~COM5共6個COM點與24個輸出點對應，可以靈活地選擇輸出點的電源形式。如Y0、Y1、Y2、Y3直接與變頻器的STF（正轉啟動）、RH、RL、RT端相連，PLC的4個輸出點公用的COM1點與變頻器SD端相連，可以直接控制變頻器，提高系統的響應速度，并節省了有觸點閉合行程、響應較慢的電磁式繼電器或接觸器。PLC其他輸出點與對應的COM點組成回路，可以采用220VAC電源吸合接觸器線圈或其他類型的電源驅動其他器件。
5.2 旋轉編碼器的選型及安裝
臺達光學式旋轉編碼器具有輕慣量、高性能的特性，它的解析度為100ppr～5000ppr，響應頻率高達500kHz。根據具體情況，型號選定為ES520CB8942，型號含義如下：
編碼器初始安裝在傳輸輥的同心位置，但試驗結果脈沖計數誤差較大。后來將編碼器安裝在與電機主軸的平行位置，通過橡膠齒帶傳動與電機同步，脈沖計數和定位控制達到了要求。這個安裝位置與交流伺服電機的旋轉編碼器安裝在尾部類似，記錄的是電機的即時位置。
5.3 觸摸屏的選型
三菱F930GOT-BWD-C觸摸屏是一款高質量的STN單色藍白液晶顯示屏，具有非常出色的視覺性能。它觸鍵反應迅速，與FX2N型PLC連接時，觸鍵反應時間小于0.163s。它的有效顯示尺寸為對角線4.4英寸，顯示5行×30個字符，足夠應付一個小型自控系統的人機對話要求。產品有很高的性價比。
6.系統調試、變頻器參數設置和運行效果
6．1 計算平網間隔的脈沖總數和分段脈沖數
8色平網的相互間隔是一個定值；減速機的減速比、傳輸輥的周長等也是定值；而編碼器每轉為2000個脈沖；根據以上已知數據，可以推算出理論上的脈沖數。用PLC編寫一條32位的高速計數器區間比較復位指令DHSZ，用觸摸屏對PLC數據寄存器D賦值，數值以理論脈沖數為基準增減，再與C251記錄的編碼器脈沖數進行比較，當兩個數據相等時，PLC指令變頻器和電機停機。經反復賦值試驗，可以找到1的編碼器脈沖總數。然后按照速度控制規律的各段分配脈沖數，以指導PLC適時向變頻器發出速度切換指令。試驗時電機采用低速運行，脈沖數以實際記錄為準。（參見圖2）
6．2 變頻器參數設置
起初，我們采用三段速控制，擬高速段Pr.4設為60Hz，中速段Pr.5設為30Hz，低速段Pr.6設為0.8Hz。經試驗，發現在中段速轉折處，導帶有些抖動，影響穩定均勻降速，最后設置兩段速：高速60Hz，低速設為0.8Hz。上限頻率Pr.1與高速段速度參數Pr.4數值相同；下限頻率Pr.2設為0。
加速/減速時間的設置是變頻器參數設置的關鍵。印花機“加速—運行—減速—低速運行—停止”為一個運行周期，每一周期中的間隔是磁棒的滾動印染時間。系統最終調試的結果是小于4秒鐘為一個運行周期：加速時間Pr.7、高速段60Hz運行時間、減速時間Pr.8、低速段0.8Hz的運行時間大約都設為1秒鐘。變頻器和電機是在0.8Hz的極低速度下運行到終點，即第二減速時間Pr.45為0。在降速和停止過程中，制動單元及電阻的直流制動（能耗制動）功不可沒。直流制動的相關參數有Pr.10直流制動動作頻率、Pr.11直流制動動作時間、Pr.12直流制動電壓等3個參數。合理設置這些參數，可以調整定位運行的停止精度或直流制動的運行時間，使它適合負荷的要求。總之，變頻器參數的設定始終要兼顧定位的準確性、穩定性和印染速度。
6．3 運行效果
我們在PLC程序設計時，對每一個運行周期進行編碼器計數清零，使之沒有誤差；變頻器參數的精細調整使導帶運行快速穩定，定位準確；驗收時的試驗結果是：連續13個周期的積累誤差小于0.5mm，滿足了毛巾印花機的速度和精度的要求。現在已運行了三個多月，情況良好。這套系統我們是采用普通三相籠型電機來作動力來源的，若改用變頻器專用的恒轉矩電機，效果會更加理想。
7.印花機控制系統發展趨勢
7．1 平網印花機控制系統發展趨勢
印花機分為平網和圓網兩個大類。在經濟發達國家和我國沿海發達地區，普遍采用交流伺服系統來驅動平網印花機。交流伺服系統比變頻器系統效率更高、定位更準，技術更為先進，是目前的發展趨勢。如本文所敘述的系統，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服電機和MR-J2S-700A型伺服放大器組成伺服系統，可以提高印染精度并較大幅度地提高生產效率。但是，它的投資大約是變頻器系統的5~8倍。
7．2 圓網印花機控制系統發展趨勢
傳統的機械式圓網印花機是由主電機通過機械傳動鏈使8~20只圓網與傳輸導帶同步運轉，連續印染無限長的紡織品。它的機械結構復雜、速度慢、效率低、對花次布多，不能適應高檔精細花型的生產。圓網印花機的發展趨勢是以荷蘭STORK畢加索產品為代表，采用多電機獨立傳動、同步運行的交流伺服系統，即將每只圓網和導帶分別采用伺服電機驅動，由高速計算機運動控制系統控制各分部同步高速運行。三菱Q運動控制器是新一代高速運動控制器的代表，它一個單PLC系統使用3塊Q173運動CPU模塊最大可以控制96軸伺服電機。它采用伺服控制器網絡SSCNET將伺服放大器前后級串連接線，8軸的掃描周期僅0.88ms。我們采用Q173運動CPU通過伺服系統控制導帶和12色圓網，印染速度達到80m/min，印花精度達到±0.01mm，達到國外進口名牌整機的技術性能。
8.結束語
我國是紡織印染大國，有著數以萬計的紡織印染企業，生產設備技術改造的工作量很大，企業可以根據自身的經濟條件、產品檔次、生產狀況選擇合適的技改方案。本文推薦的方案無疑是一個效果顯著、投資節省的方案，值得在毛巾、床單印染企業推廣。這種控制方法也可以應用到其他如金屬塑料板材、線材定尺送料剪切等需要簡易定位控制的領域。