三菱变频器在磁棒平网印花机定位控制中的应用

【摘  要】介绍了三菱变频器在磁棒平网印花机定位控制中的应用方案。
【关键词】变频器  平网印花机  定位控制

1.概述
磁棒平网印花机(简称平网印花机)是纺织印染行业特别是毛巾（含浴巾、沙滩巾、装饰巾、毛巾挂毯等）制造企业的重要生产设备。平网印花机由橡胶输送带（简称导带）输送毛巾运动，多个平网在毛巾上套印不同的颜色，其印花及套色的准确性直接影响毛巾成品的美观和质量等级，因而要求拖动系统定位准确；为了提高生产效率，降低成本，又必须保持一定的印染速度。若速度过快，惯性太大，导带难以停稳，定位套色必然不准，这是一个不可回避的矛盾。在湖南某毛巾厂，我们以三菱工控产品为主体，设计了一个印花机自控系统，发掘了变频器的功能，巧妙地利用它进行定位控制，以较少的投资平衡了上述矛盾，技术改造方案达到了预定的目标。

2.平网印花机的工作原理（参见图1）
首先在导带的预定位置用乳白胶粘贴白色毛巾坯，然后启动变频器驱动三相笼型交流异步电机，电机经蜗轮减速机减速后拖动导带，当导带上的毛巾对准印花平网的位置停稳后，平网网框下压贴紧毛巾，网框内放置的细圆磁性钢棒在输送带下方的磁场控制器驱动下往复滚动，将平网内放置的颜料透过镂空的图案印染到毛巾上。第一个颜色的图案印完了，网框抬起，导带将毛巾送到下一个网框位置停稳，开始第二个颜色图案的印染………，直到多个颜色（一般8~10个颜色）依次套准印完，一条彩色毛巾才告完成，而第二条毛巾紧接着第一条毛巾不间隔地套色印染………周而复始，连续作业。每条毛巾印染完成后，随即送到隧道式蒸汽烘房内烘干，然后绞边、整理、质检、包装，直至入库出厂。

3.平网印花机自控系统主要配置
·三菱多功能矢量控制变频器：FR－A540－7.5K－CH（内置制动单元）1台
·上海稳达RXLG铝合金外壳变频器制动电阻 75Ω/780W 1只
·三相笼型交流异步电动机：Y系列，4极，7.5kW 1台
·三菱可编程控制器：FX2N-48MR-001（继电器输出、I/0=24/24、内置高速计数功能）1台                                                
·台达旋转编码器：ES520CB8942（增量式、集电极开路输出、解析度2000ppr）1台
·三菱4.4英寸触摸屏：F930GOT-BWD-C（STN蓝白两色） 1台
·明纬开关电源：S-25-24
（220VAC / +24VDC；对编码器和触摸屏供电）1台


编码器初始安装在传输辊的同心位置，但试验结果脉冲计数误差较大。后来将编码器安装在与电机主轴的平行位置，通过橡胶齿带传动与电机同步，脉冲计数和定位控制达到了要求。这个安装位置与交流伺服电机的旋转编码器安装在尾部类似，记录的是电机的即时位置。

5.3  触摸屏的选型   
三菱F930GOT-BWD-C触摸屏是一款高质量的STN单色蓝白液晶显示屏，具有非常出色的视觉性能。它触键反应迅速，与FX2N型PLC连接时，触键反应时间小于0.163s。它的有效显示尺寸为对角线4.4英寸，显示5行×30个字符，足够应付一个小型自控系统的人机对话要求。产品有很高的性价比。

6.系统调试、变频器参数设置和运行效果
6．1  计算平网间隔的脉冲总数和分段脉冲数   
8色平网的相互间隔是一个定值；减速机的减速比、传输辊的周长等也是定值；而编码器每转为2000个脉冲；根据以上已知数据，可以推算出理论上的脉冲数。用PLC编写一条32位的高速计数器区间比较复位指令DHSZ，用触摸屏对PLC数据寄存器D赋值，数值以理论脉冲数为基准增减，再与C251记录的编码器脉冲数进行比较，当两个数据相等时，PLC指令变频器和电机停机。经反复赋值试验，可以找到精确的编码器脉冲总数。然后按照速度控制规律的各段分配脉冲数，以指导PLC适时向变频器发出速度切换指令。试验时电机采用低速运行，脉冲数以实际记录为准。（参见图2）

6．2  变频器参数设置   
起初，我们采用三段速控制，拟高速段Pr.4设为60Hz，中速段Pr.5设为30Hz，低速段Pr.6设为0.8Hz。经试验，发现在中段速转折处，导带有些抖动，影响稳定均匀降速，最后设置两段速：高速60Hz，低速设为0.8Hz。上限频率Pr.1与高速段速度参数Pr.4数值相同；下限频率Pr.2设为0。
加速/减速时间的设置是变频器参数设置的关键。印花机“加速—运行—减速—低速运行—停止”为一个运行周期，每一周期中的间隔是磁棒的滚动印染时间。系统最终调试的结果是小于4秒钟为一个运行周期：加速时间Pr.7、高速段60Hz运行时间、减速时间Pr.8、低速段0.8Hz的运行时间大约都设为1秒钟。变频器和电机是在0.8Hz的极低速度下运行到终点，即第二减速时间Pr.45为0。在降速和停止过程中，制动单元及电阻的直流制动（能耗制动）功不可没。直流制动的相关参数有Pr.10直流制动动作频率、Pr.11直流制动动作时间、Pr.12直流制动电压等3个参数。合理设置这些参数，可以调整定位运行的停止精度或直流制动的运行时间，使它适合负荷的要求。总之，变频器参数的设定始终要兼顾定位的准确性、稳定性和印染速度。


6．3   运行效果   
我们在PLC程序设计时，对每一个运行周期进行编码器计数清零，使之没有误差；变频器参数的精细调整使导带运行快速稳定，定位准确；验收时的试验结果是：连续13个周期的积累误差小于0.5mm，满足了毛巾印花机的速度和精度的要求。现在已运行了三个多月，情况良好。这套系统我们是采用普通三相笼型电机来作动力来源的，若改用变频器专用的恒转矩电机，效果会更加理想。

7.印花机控制系统发展趋势
7．1   平网印花机控制系统发展趋势   
印花机分为平网和圆网两个大类。在经济发达国家和我国沿海发达地区，普遍采用交流伺服系统来驱动平网印花机。交流伺服系统比变频器系统效率更高、定位更准，技术更为先进，是目前的发展趋势。如本文所叙述的系统，也可以采用三菱HC-SFS702型伺服电机和MR-J2S-700A型伺服放大器组成伺服系统，可以提高印染精度并较大幅度地提高生产效率。但是，它的投资大约是变频器系统的5~8倍。

7．2   圆网印花机控制系统发展趋势   
传统的机械式圆网印花机是由主电机通过机械传动链使8~20只圆网与传输导带同步运转，连续印染无限长的纺织品。它的机械结构复杂、速度慢、效率低、对花次布多，不能适应高档精细花型的生产。圆网印花机的发展趋势是以荷兰STORK毕加索产品为代表，采用多电机独立传动、同步运行的交流伺服系统，即将每只圆网和导带分别采用伺服电机驱动，由高速计算机运动控制系统控制各分部同步高速运行。三菱Q运动控制器是新一代高速运动控制器的代表，它一个单PLC系统使用3块Q173运动CPU模块最大可以控制96轴伺服电机。它采用伺服控制器网络SSCNET将伺服放大器前后级串连接线，8轴的扫描周期仅0.88ms。我们采用Q173运动CPU通过伺服系统控制导带和12色圆网，印染速度达到80m/min，印花精度达到±0.01mm，达到国外进口名牌整机的技术性能。

8.结束语
我国是纺织印染大国，有着数以万计的纺织印染企业，生产设备技术改造的工作量很大，企业可以根据自身的经济条件、产品档次、生产状况选择合适的技改方案。本文推荐的方案无疑是一个效果显着、投资节省的方案，值得在毛巾、床单印染企业推广。这种控制方法也可以应用到其他如金属塑料板材、线材定尺送料剪切等需要简易定位控制的领域。