技术 | 智能设备在棉纺行业中应用的探析

随着现代科学技术的不断进步，棉纺设备逐步向高速高质、高效低耗等方面快速发展，机械技术、电子技术和信息技术方面得到了有机融合，特别是机械控制与电子控制的合理应用，使机械实现了动作准确化、控制多元化、传动柔性化、配合智能化，确保了设备的高效运转和产品质量的稳定。

一、智能化设备的构成要素

智能化棉纺设备通常由五大系统构成，即：机械系统、执行系统、动力系统、计算机工控系统、传感器感应系统，它们分别具有构造、操作、动力、检测和控制功能（见图1）。

智能化设备的基础主要是机械系统，机械机构可以承受较大载荷，但不易实现微小和复杂运动的控制，而电子技术则相反，电子元件不能承受较大载荷，却容易实现微小运动和复杂运动的控制，智能化设备的目标是实现机械技术与电子技术的完美结合，充分发挥各自长处，实现优势互补，系统的性能在很大程度上决定于控制单元，它全面准确地控制各种动作，使整个系统达到设计、加工和运行的最优化。

二、智能化设备的技术优势

智能一体化设备的核心是智能和机电的深度结合。如先进的高产梳棉机不仅能在线监测各种生产数据，而且还在机后上下棉箱中装有压力传感器，可以自动调节喂入棉层的密度，使喂入梳棉机的棉层均匀一致；自调匀整装置可以根据喂入棉层厚度的变化自动调节给棉罗拉的运转速度，有效控制生条重量不匀率；高速自调匀整并条机配有高精度传感器，可检测1厘米内的棉条粗细情况，精确控制条干均匀度，对突发性疵点可及时报警停车；粗纱机采用变频器分别控制牵伸、锭翼、锭子及下龙筋的运动，由工控系统控制协调各个工艺速度，减少了张力变化，消除了粗细节隐患；自动络筒机通过络纱张力自动调节实现精密卷绕，可在线进行纱疵分级及清除异纤等。这些智能一体化设备采用了全新的工作理念，集中了各种高新技术，实现了棉纺设备的快速发展。

各种智能设备在原有机械基础上引入计算机控制系统，整体功能更强、性能更好，可以有效保证产品质量，在生产过程中对质量缺陷能够及时在线修正可以带来以下一些效果：

（1）整体功能增强，具有多种复合功能，能自动检测在线生产质量，及时修复质量缺陷。

（2）提高了机构系统精度，减少了传动部件，采用计算机检测、控制技术补偿和校正动态误差，从而达到单纯采用机械技术所无法达到的工作精度。

（3）采用计算机控制系统，产品体积变小、结构得到简化。

（4）具有自诊断、安全联锁控制、过负荷及失控保护、停电保护等多种功能，提高了设备的安全可靠性。

（5）采用计算机程序控制，且具有良好的人机界面，改善了设备的操作性能，减少了培训操作人员的时间。

（6）利用软件来改变机器的工作程序，对环境变化具有一定的主动适应能力，体现了设备的柔性功能。

三、智能化设备各控制系统的相关技术

3.1 机械控制技术

机械技术是机电一体化技术的基础，机电一体化产品中的主功能和构造功能往往要以机械技术为主，为使一个具体的机电一体化系统在计算机的协调下实现预期的动作，机械系统的设计要考虑总体构造、机构选型、结构造型的合理化和最优化，以最大程度地满足机械精密度的各种技术需求，稳定性好、响应速度快，还要重点考虑机械部分的刚性、惯性矩、固有频率及启动力与驱动部分参数间的关系。

机械系统包括传动机构、导向机构及执行机构，执行机构应该能够实现系统所需的运动，传递必要的动力，并保证系统具有良好的动态品质、较高的定位精度和良好的动态响应特性，为此要从以下几方面采取措施：

（1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑部件，具有良好的自润滑功能。

（2）减少传动链，提高传动精度与支撑刚度。

（3）选用最佳传动比，以提高系统分辨率，并尽可能提高加速能力。

（4）缩小反向死区误差，采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。

（5）改进支撑及架体的结构设计，以提高刚性、减小振动、减少磨擦，降低动力消耗。

（6）适应智能化设备三高（高质化、高速化、高效化）的发展趋势。

3.2 传感与检测控制技术

传感与检测技术是智能一体化的关键技术之一，传感器及其信号检测装置会测量各种工艺参数并将其转换为标准的电信号，并输入到信息处理系统中，因此它是实现目标检测的核心，它按一定规律实现信号检测并将被测量的物理信号、化学信号和生物的信息，转换为另一种物理量讯号，既能把非电量变换为电量，也能实现电量之间或非电量之间的互相转换。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成（见图2），其中能直接感受被测物理量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件，如弹性敏感元件可将力转换为位移或应变，转换元件可将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数，基本转换电路将电路参数量转换成使于测量的电信号，如电压、电流、频率等。

智能化设备中使用的传感器种类繁多，可以按不同的原则进行分类，如按输出信号的性质可将传感器分为开关型(二值型)、模拟量型和数字型。开关型传感器只有开(0N)和(OF)两种状态，模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量，记数型又称脉冲数字型，所发出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可以对输入量进行记数测量，如增量式编码器，代码型传感器又称编码器，输出的信号是数字代码，每一个代码对应于一定输入量的值，如绝对式编码器等。

根据被测量物理量的不同，常用传感器可以分为位移和距离传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器、图像传感器等。按照测量原理分，有电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、光电式、热电式、气电式等传感器；按照用途分，有位置、压力、流量、温度、湿度、气味、声音、亮度等传感器（见表1）。

现代传感器一方面向高灵敏度、高精度和高可靠性方面发展，另一方面向集成化、智能化和微型化的方向发展。集成化控制，即把传感器和信息处理单元集合在一起，实现传感器和信息处理一体化；智能化控制，即传感器具有故障自诊断、故障自修复的功能；微型化控制，即传感器整体构造小，以便减少传感器对被测对象质量、刚度的影响，减少装配区域空间，利于集成在微控制监测系统中。

3.3 计算机及PLC工控处理技术

工控处理技术包括信息的输入、识别、变换、运算、存取及决策等，它们大都依靠计算机来进行，因此，计算机与PLC工控处理技术是密切相联的。智能一体化系统中主要采用工业控制器，包括可编程控制器、单片机应用系统、工业控制计算机等进行信息处理，在智能一体化机械中，信息处理是否及时准确，直接影响到产品的工作质量和生产效率，因此，计算机应用及信息处理技术已成为促进智能一体化技术和产品发展的最关键的要素，计算机及其工控系统可通过进一步提高集成度来提高运算速度，便于设备通过自诊断、自恢复及容错技术来提高其可靠性，通过人工智能技术和专家系统来提高智能化水平，持续提高硬件制造工艺的可靠性、加快信号处理速度及接口装置的智能化，可编程控制器标准化等方面还需进一步提高，确保智能化设备适应棉纺车间高温高湿的恶劣环境，安全可靠地运行。

可编程控制技术的成熟使PLC处理速度大大提升，增加了浮点运算、函数运算及查表功能，不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制，具有高速计数、中断计数、PID控制等功能，目前已广泛地应用于棉纺各种纺纱生产设备中，结构紧凑的PLC除了向高速、大容量和高性能方向发展外，还不断地增加输入和输出点数，不断推出I／0模块，如数控模块、语音处理模块及高速计数模块，以适应设备大规模控制系统的需求。计算机及PLC可编程工控系统的技术特点在于控制执行动作的多样性及连续性，根据设备技术构造的特殊性和生产运行的工作需要，使得工控装置在设计及结构上具有许多其他控制器所无法比拟的优势。

（1）可靠性高，抗干扰能力强。为满足在恶劣生产环境下应用的要求，PLC及工控系统采用了很多硬件和软件措施，包括光电隔离、模拟输入滤波器、电磁屏蔽措施、冗余技术等。生产实践表明，在使用中PLC系统发生的故障大多是由于外部开关、传感器、执行机构等部件引起的，而不是PLC本身故障造成的。

（2）通用性强，扩展方便，系统组成灵活。目前，PLC工控技术己经系列化、模块化，配备有功能齐全的I/0模块、特殊功能模块及配套部件，供用户自行组合使用，可以满足不同控制系统的生产需要。

（3）程序设计简单、易学易懂。PLC的编程面向电气技术人员，采用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言，方便工程技术人员快速掌握其设计原理，便于维修与保养。

（4）系统设计、开发周期短且方便，维护工作量小。PLC硬件的模块化设计大大缩短了应用系统设计所需的时间，加快了整体配合的稳定，由于PLC的故障率很低，又有完善的自诊断能力和显示功能，利于快速排除故障。

（5）模拟量控制。PLC能够准确地接受模拟量信号的输入和输出，从而实现对模拟量的开环和闭环控制，有的PLC还配备了专门的PID控制模块，动作更加精确。

（6）计长/定时控制。PLC可以根据用户需求，提供可编程序计数器及定时器，方便计数及定时控制。

（7）顺序步进控制。PLC及工控系统可以轻松控制顺序及完成步进动作，按照动作指令或输入状态的顺序控制输入与输出动作，控制简单高效。

3.4 自动控制技术

智能化自动控制系统在PLC及工控系统的控制下自动控制被控对象或过程，自动地按照设定的步进动作规律运行，被控对象种类繁多，控制技术手段丰富，包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正及补偿等控制技术。现代控制技术主要以状态空间法为基础，实现多点输入、多点输出、非线性、高精度、高效能控制，自动控制技术的难点在于自动控制理论的工程化与实用化，这是由于现实的被控对象往往与理论控制模型之间存在较大差距，使得从控制设计到控制实施往往要经过多次反复调试与修改才能获得比较满意的结果。由于计算机工控技术与自动控制技术的不断进步，智能一体化设备在棉纺行业中得到了广泛的应用。

3.5 执行与驱动控制技术

执行与驱动技术是实现智能一体化机械运动功能的基础，电动驱动执行元件主要包括交流伺服电动机、直流伺服电动机、电磁铁、开关磁阻电动机、直线电动机和步进电动机等，液压和气动执行元件主要包括泵、阀、油、气缸、液压、气动及其附属液、气压控制元器件等，一方面通过电气接口与微型计算机及工控系统相连，以接收微型计算机的控制指令，另一方面，又通过机械接口与机械传动和执行机件相连，以实现规定动作的有序进行，伺服驱动技术在控制指令的指挥下控制执行元件，使机械的运动部件按照指令的进行规范运动，并具有完好的动态性能控制，伺服驱动技术对高智能化设备的动态性能、稳定精准度、控制质量等具有决定性的影响。在智能化控制系统中，对于各种液压和气动元件，目前存在着进一步提高功能的可靠性、标准化以及减轻重量和减小体积等要求；对于伺服电机驱动，目前还存在着提高快速响应速度和精准度等方面的要求；对伺服电机，要求电机转矩大，转子转动惯量小，确保各电机具有快速启动、快速停止的能力；对于直流伺服电动机，要求控制性能好、速度和扭矩性能稳定；与直流伺服电动机相比，交流伺服电动机具有结构坚固、容易维护、能够承受高速旋转等许多优点。目前，在变频调速、电子逆变技术、矢量变换技术等方面的应用已进入稳定阶段，步进电动机作为数控系统的执行器已受到广泛重视，而作为一种小型伺服电动机，由于容易实现计算机控制，目前使用相当普遍。

3.6 系统总体技术

系统总体技术是一种从全局角度和系统目标出发，用系统的观点和方法，将系统分解成若干个相互有联系的功能单元，找出能完成各个功能单元的技术方案，并通过分析、评价和优化进行综合应用，系统总体技术的内容涉及到许多方面，如接口技术、模块化设计技术，整体优化技术、软件开发技术、微型计算机应用技术和成套设备自动化技术等。机电一体化系统作为一个整体，即使各个部分的性能可靠性都要好，如果整个系统不能很好地协调，它也很难保证正常、可靠地运行。而恰恰相反，即使是性能一般的元件，如果从系统出发组合得当，也可能构成性能优良的系统。

四、结 语

随着棉纺设备智能化、自动化水平的不断提高，在线控制、在线监测及检测技术的不断发展，电子计算机等微电子技术在棉纺设备中的广泛应用，使单机及各工序生产线间的自动监控水平得到了有序衔接，优质高产、自动化、连续化的生产模式已成为现代纺纱设备的发展趋势。现代棉纺企业要持续加强设备维修人员的技术培训，特别在机电一体化和计算机工控技能方面，要加强学习，提高水平，熟练掌握各种智能设备的构造原理，理解各种在线检测的系统数据和数据维护分析方法，以提升智能设备的完好状态，及时处理各种故障隐患，确保生产设备的稳定运行，实现对纱线质量的有效控制。

作者：张庆军 杨效青 郭慧 吴月荣 陈改风 东营市宏远纺织有限公司

编辑：中国纱线网新媒体团队

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