网络化恒定张力控制及状态监测系统

【摘要】针对纺织企业传统设备缺乏纱线张力恒定自动测控系统以及断纱、停机等运行状态网络化在线监测问题。采用闭环实现恒张力控制，对设备进行技术改造，纱线张力自动控制装置结构简单，机电一体化集成度高，将张力测试、控制器以及张力调节机构集于一体。设备信息基于以太网联接，管理者和车间员工都能通过上位机软件适时查看设备运行状态，可提高纺纱设备的自动化、信息化水平，促进企业的管理水平及生产效率。

【关键词】恒定张力；状态监测；网络化管理

1.引言

纺纱设备的特点是数量多，广而散，分布于不同的车间，控制与管理复杂。目前对于纺机设备的研究主要致力于生产自动化和管理自动化。当前生产自动化的难点是纱线张力检测和控制技术的研究，主要集中在提高测试系统的精度，性能，使用方便性及环境适应上。管理自动化主要体现在设备运行状态的自动检测，管理者和车间员工都能通过上位机软件适时查看设备运行状态，因此集自动控制和智能化管理于一体的纺机测控系统是当前纺机设备的发展方向。

2.系统总体结构

纺纱设备群运行状态测控系统总体结构如图1所示。每个纺纱锭都是一个单独的张力测控闭环系统，每台纺纱设备的张力测控系统都与一台嵌入式ARM单片机进行多机串行通信。每个闭环系统根据单片机上位机设定的张力值进行恒定张力独立自动控制，并能根据张力的极限值进行断纱、卡纱报警；每台设备的上位机能随时采集设备运行状态信息，每个操作工人可以通过一台PC上位机看管多台设备。每个车间的设备群运行状态经数据组包、协议转换等处理后由路由器联接企业内部以太网络上传服务器。数据统计分析和报表生成可以再在服务器内由上位机软件完成。企业管理人员通过企业内部网或互联网查询各设备实时运行状态和统计结果。

3.单锭绕纱的张力测控系统

纱线张力闭环控制如图2所示，张力检测装置包含张力传感器以及放大电路，将张力的实测结果反馈给单片机，在单片机内部进行A/D转换，控制器通过设定值与实测值的比较，产生不同的信号对张力调节机构进行控制来保证纱线张力的恒定。控制系统包括：目标张力的设定、张力的检测及处理、模糊PID控制器、张力调节机构[1]。

3.1 张力检测装置

张力检测系统采用三辊式的张力测量结构，1个测量辊，2个辅助辊，被测纱线绕于三个辊上。张力传感器作为中间的测量辊，两个光滑的导丝轮作为辅助辊。3根辊将纱线张力转换成对中间测量辊的压力。中间的张力传感器对张力的测量是由贴在双孔梁上下表面的4个电阻应变片来完成，压力被传递到双孔梁上，双孔梁相应地产生与张力成比例的应变，该应变即转换为电阻变化，然后通过电桥电路将电阻的变化转换成电量，然后传输给后续的信号处理装置，通过对信号进行分析就可以获取纱线张力及其变化信息。

3.2 参数自整定PID控制

常规的PID控制器是根据被控过程对象设定固定的参数，不能满足时变性很强的纱线张力控制系统。常规PID控制器参数值设置不理想时，对于系统参数随着时间不断变化的纱线张力控制系统，可能会造成系统的不稳定，故该系统采用参数自整定PID控制器，即通过模糊推理实现PID参数的实时调整[2，3]，如图3所示。

参数自整定的模糊PID是在传统PID算法的基础上，通过计算当前系统纱线张力偏差e和偏差变化率ec，对该精确量进行模糊化作为模糊推理系统的输入，根据其相应的隶属度函数来确定这些输入所归属于的恰当的模糊集合，利用模糊控制规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。

3.3 张力调节结构

纱线张力的调节机构主要是由直流力矩电机、齿轮、摆动臂和导丝器组成，当纱线张力变化时，控制器输出相应的PWM信号驱动直流力矩电机。直流电机通过齿轮施加给摆动臂转轴的阻力矩则做相应大小的变化，由此带来摆动臂的摆动，摆动臂上的导丝器会改变纱线的弯曲程度，进而保证纱线输出张力的恒定。

4.集成化的测控系统

集成化的张力自动测控系统包括了摆动臂、控制器、张力检测钩，将张力检测器、控制器以及张力执行机构集成于一体，环境适应能力强。张力检测钩和直流力矩电机之间用控制器电路连接，并控制直流力矩电机转轴的转动角度；纱线穿行在几个固定导丝器和摆动臂上的活动导丝器之间，当张力检测钩检测到纱线张力过大时，会控制直流力矩电机转轴即时转过一定角度，通过齿轮传动使摆动臂回转一个角度，固定在摆动臂上的活动导丝器会让在其中穿过的纱线弯曲程度减小，纱线的卷绕张力随之减小；反之，摆臂向外转动，拉长纱线，弯曲度增加，张力随之加大。

5.总结

本纱线张力恒定自动测控系统结构简单，用于了络筒机的改造，采用每锭单独闭环控制每个闭环系统通过单片机上位机与PC机相连，应该表明，该系统不仅能进行恒定张力控制，纺织工人还可以通过PC机显示状态精确定位，操作多台位于车间不同位置的设备群，通过网络化的在线监测技术，企业管理者可以查看纺织设备断纱次数、断纱时间、停机时问、停机次数、运转率等运行状态统计结果，监督与管理企业生产状况、设备运行状况、员工工作自律性与效率、纱线质量等进行。实际应用表明，网络化纺机设备群的恒定张力控制及状态监测系统可提高纺织行业的自动化、信息化水平，促进企业的管理水平及生产效率，降低企业的劳动成本，改善工作环境，加强了生产过程的监控。

参考文献

[1]何勇，杨延竹，王宁.一种新型的纺纱张力自动控制系统的设计[J].东华大学学报，2008（4）：219-223.

[2]姜春光，董林玺，基于FPGA的模糊PID控制纱线张力的应用研究[J].机电工程，2012（3）：322-325.

[3]赵永娟，孙华东.基于Matlab的模糊PID控制器的设计和仿真[J].微计算机信息，2009，25（1）：48-49.

[4]席爱民.模糊控制技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

作者简介：卢雪萍（1976—），女，湖北应城人，硕士，讲师，现供职于绍兴文理学院工学院，主要研究方向：电子设计自动化，工业控制系统设计。