一种快速电锭控制开关的研究

[摘要] 通过对传统电锭控制开关的分析,提出了一种基于能耗制动的电锭开关新理念,并论述了新型电锭开关在单片机控制下的实现。为实现卷绕机高效化提供了重要的理论依据和有效手段。

[关键词] 卷绕机电锭控制开关单片微机控制系统

一、前言

在生产过程中,粘胶长丝需要用卷绕机将其卷绕在具有一定容量的卷装上,卷绕机一般是由卷曲机构跟导丝机构组成。自从高速纺丝技术出现以来,特别是随着20世纪70年代高速纺丝技术的进步,纺丝关键设备之一的卷绕机正向高速化、大型化、自动化和信息化方向飞速发展。卷绕机中电锭的启动与制动是由电锭转换开关来实现的,由于电锭本身是一种高速旋转的离心机设备,所以它的制动是非常关键的环节。

二、传统电锭控制开关的分析

传统的电锭控制开关是目前纺丝企业广泛采用的一种控制开关,它是利用反接制动原理进行制动,其结构如图1所示。当电锭起动时,1、2和3、4接点分别接通;当电锭制动时,1、4和2、3接点分别接通,此时定子绕组两相反接,以达到反接制动的目的;待电锭停止后,将开关置于零位,各接点均断开,但另一相电源仍与电锭连接。

电锭两相反接运行的机械特性在图2中给出。由曲线所示,当电锭速度受反力矩慢慢降为零时,反力矩并没有降为零,此时若没有及时地切断电源,电锭会在力矩的作用下反转,这就容易造成反捻丝饼的出现。同时,由于有一相电源始终跟电锭接通,当电路接地时,就很难分清是开关或汇流排的原因,还是电锭本身的原因。

在传统控制开关中,存在下面一些主要问题:

1.制动时间长,影响了纺丝机的生产效率,增加了水废丝。

2.熔断器装载了开关内部,撤卸的时候不方便。

3.当工艺工控制停车不及时,电锭容易反转,出现反捻丝饼等。

三、新型电锭控制开关的研究

为了解决目前所广泛使用的传统电锭控制器所带来的一系列问题,从而提高生产效率,研究新型的电锭开关就成为了必要。新型电锭开关是利用了能耗制动的原理,图3中曲线2表示能耗制动过程电锭所表现的机械特性。在能耗制动过程中,当电锭的速度为零时,电磁转矩T也为零,这就避免了不及时停车所造成的丝饼反捻现象。

1.新型控制开关的主电路设计

为了实现制动的快速性与稳定性,可采用直流能耗制动的原理来设计新型控制开关。其主电路如图3所示。在图3中,熔断器FU采用了熔断器座,在外部就可以随时将其取出;利用高频感应原理增加了LED发光二极管,用以指示熔断器的熔断情况;发光二极管与IN4007二极管反并联,电阻R为限流电阻,与IN4007二极管一起起到保护发光二极管的作用;电锭开关采用了线电压整流方式,这就避免了由于电锭供电系统接地造成的相电压不平衡因素的影响;为了增加整个系统的可靠性,设计中只用了两个10 A10HY整流管。电锭起动时,1和2、3和4、5和6分别接通;制动档时,1和7、3和8、5和6分别接通;停止档时,每个接点都不接通。

在实际的生产中,企业越来越追求控制的高度自动化,以达到可靠、安全、高效的目的。为了实现这一目标,可采用单片机实行适时监控整个生产运行过程。对于电锭速度相对稳定的纺丝生产过程,从卷装开始到卷绕满径的时间在理想情况下是某一定值,那么就可以利用单片机计时到卷装满时开启制动开关,然后利用另一定时器所预先设定的制动时间来停止电锭的运行,这样不但不会出现丝饼的反转,也不会出现能耗制动停车不及时所带来的熔断丝熔断。

2.控制系统的硬件设计

为了实现上面所分析的控制效果,可设计如图4所示的单片机控制结构图。整个系统的控制核心部分主要是由主机电路、人机界面(键盘/显示电路)、输入输出电路以及运行状态监控电路(声光报警电路)等环节,通过过桥母板连接。在主机电路设计中,选用AT89C2051单片机作为中央处理单元,同时包括电源与芯片复位电路的设计,芯片内的2个定时/计数器分别存储从卷绕运行开始到卷装满径的所需时间和制动过程所需时间,并可根据生产的需要现场调节;复位电路具有上电复位和人工复位的作用;利用串行通信接口还可将本系统作为纺丝生产线计算机集散控制系统(DCS)的下位机使用。在键盘/显示电路中,应用8279接口芯片,外接10数字键和4个LED显示器,分别用来键入数据和显示运行状态。为了提高控制系统实际应用中的抗干扰能力,在输入输出电路与受控主电路通过设置光耦电路来提高可靠性。

图6所示为中央处理单元的输出口与受控继电器之间的电路图。光电耦合器G5LC-14-12VDC是用来隔离大电流的反串,起到抗干扰的作用;反向放大三极管T1用来放大光电耦合器输出的电流以驱动继电器;T1集体管集电极上的二极管起到箝位作用。

3.控制系统的软件设计

控制系统的软件主要采用了C语言按模块程序、容错技术、数字滤波等方面进行程序设计,从而进一步提高了系统的稳定性与抗干扰能力。整个系统的程序结构分为主程序、设定命令处理程序、读出命令处理程序、写入命令处理程序以及若干个子程序等部分。下面主要介绍主程序的流程图。

图7为主程序的流程图,从流程图中可以看出,在按下开始按钮后,电锭的正常运行、制动以及停车过程都不需要人为地去干预,这就在很大程度上提高了生产效率。

四、结束语

基于单片机控制的能耗制动电锭开关是一种新型的转换开关,用能耗制动方法实现电锭的控制具有制动速度快、稳定性高、自动化技术明显以及不会出现丝饼反捻等特点,应用价值广泛。本文涉及的基本原理和控制系统方法的设计为电锭的控制建立了理论基础和时间用途。

注:丝锭负载为4.5Kg

上表为新型电锭控制器与传统电锭控制器在实际控制效果上的比较,从而反映除了新型控制器的快速型。

参考文献:

[1]Kenneth M Dean Uetal.High-speed winding of classical precision-wound yarn packges[J].International Fiber Journal,2000.96～100

[2]Wei Jian.Research on the control system of spindle drive for high speed spinning machine[J].Journal of Donghua University,2001.18(1).76～80