基于臺達機電產(chǎn)品的針刺無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)集成應用

摘 要：本文主要論述臺達機電產(chǎn)品在針刺型無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)上的系統集成應用原理。項目展示了同構平臺機電自動(dòng)化產(chǎn)品的系統集成優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：針刺機　變頻器　人機界面　PLC

1 引言

　　無(wú)紡布在發(fā)達國家的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)甚至土建工程和醫療衛生中有廣泛的用途。自從1990年開(kāi)始，中國通過(guò)引進(jìn)歐洲光、機、電、氣、液全自動(dòng)化成套生產(chǎn)線(xiàn)設備，有了現代意義上的無(wú)紡布生產(chǎn)能力。根據機電工程的理念，現代無(wú)紡布是典型的高新自動(dòng)化設備密集型產(chǎn)業(yè)。例如某上市公司自1990年開(kāi)始全廠(chǎng)5條引進(jìn)歐洲自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的PLC達到60余臺套共計3700多I/O點(diǎn);變頻器達到120多臺，永磁同步交流調速自冷密封電機在一套梳理機機組的集成直軸伺服傳動(dòng)達到23臺，具有世界先進(jìn)水平。5條線(xiàn)萬(wàn)噸年產(chǎn)能單班生產(chǎn)員工僅40人，擁有亞洲最先進(jìn)的水刺型無(wú)紡布研發(fā)與生產(chǎn)能力。

　　無(wú)紡布的紡織工程學(xué)名叫做非織造布。非織造布工藝完全不同于傳統的紡紗——織布過(guò)程，非織造布的最大特點(diǎn)是不需要紡紗過(guò)程，它的“織布”過(guò)程更加類(lèi)似于造紙工藝，非織造布通常是在一條生產(chǎn)線(xiàn)上直接實(shí)現從纖維到成布的連續加工過(guò)程。非織造布生產(chǎn)線(xiàn)“吃”進(jìn)去的是纖維，“吐”出來(lái)的是布。參見(jiàn)圖1針刺型無(wú)紡布工藝過(guò)程，定向或隨機排列的纖維通過(guò)摩擦、抱合、粘合或這些方法的組合，而相互結合制成的水平纏結薄片、纖維網(wǎng)或絮墊，經(jīng)過(guò)針刺機組在垂直布面方向纏結成布。因為沒(méi)有傳統意義的紡紗織布過(guò)程，所以叫做無(wú)紡布。

圖1針刺型無(wú)紡布工藝過(guò)程

　　圖1中的送棉箱，開(kāi)松機和氣壓棉箱是將密實(shí)的纖維變成蓬松雜亂的纖維并送到梳理機入口，梳理機將纖維梳理成厚薄均勻的纖維網(wǎng)并送到鋪網(wǎng)機，鋪網(wǎng)機將送來(lái)的纖維網(wǎng)按照重量要求疊成多層的纖維網(wǎng)送往針刺機并由針刺機刺成相互結合制成的纖維薄片。無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)系統是一個(gè)看似各自獨立、但卻互相牽制的一個(gè)大系統，本文將以針刺機組為對象集成自動(dòng)化針刺無(wú)紡布生產(chǎn)線(xiàn)。

2 臺達機電簡(jiǎn)介

　　從最早第一臺變頻器面世，臺達機電至今已經(jīng)能為客戶(hù)提供PLC控制器、溫度控制器、計數器、人機界面、變頻驅動(dòng)器、伺服驅動(dòng)器、數控系統等一系列產(chǎn)品，已經(jīng)有能力向客戶(hù)提供完善可靠的機電一體化解決方案。汕頭三輝企業(yè)是一家以生產(chǎn)無(wú)紡布機械為主的企業(yè)，與中達電通已有多年合作，對臺達產(chǎn)品給予了強力支持與高度信任，并取得了非常良好的效果。本文主要以三輝企業(yè)生產(chǎn)的針刺機組生產(chǎn)線(xiàn)為例，簡(jiǎn)要闡述臺達機電產(chǎn)品的整合應用及其優(yōu)點(diǎn)。

3 自動(dòng)化系統集成規劃

　　3.1 總體技術(shù)路線(xiàn)

　?。?）PLC的存儲容量和處理速度。整條生產(chǎn)線(xiàn)而言，數據運算及邏輯運算量很大，16K容量遠遠不夠，單臺PLC的處理速度將會(huì )影響生產(chǎn)的穩定性。

　?。?）針刺生產(chǎn)線(xiàn)的布局和設備操作。各機臺是分散的，集中一地操作會(huì )為生產(chǎn)帶來(lái)不便，但假如分散操作，必須會(huì )帶來(lái)人機與PLC間的距離問(wèn)題及PLC與受控單元的布線(xiàn)問(wèn)題。

　?。?）設備組合方式。通常一條完整的生產(chǎn)線(xiàn)用戶(hù)會(huì )采購生產(chǎn)設備廠(chǎng)家性能或價(jià)格有優(yōu)勢的產(chǎn)品，或根據自身生產(chǎn)的產(chǎn)品采用不同的設備組合，故每條生產(chǎn)線(xiàn)組合可能完全不同。

　　綜上所述，為滿(mǎn)足方便安裝，方便整線(xiàn)整合，提高系統性能，本系統按照單機設計、自由組合方式設計（見(jiàn)圖2、圖3），即是每臺針刺機使用一臺PLC、一臺人機、每臺針刺機提供聯(lián)機接口，不同需求用戶(hù)組成生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)控制上只要將各機臺連上控制總線(xiàn)即可，單機程式不須做修改，改動(dòng)內容僅在總控制器部分。

　　臺達的驅動(dòng)器、控制器及人機界面等產(chǎn)品均帶有RS485接口，采用通訊方式安裝方便、價(jià)格低廉，故在規劃整條生產(chǎn)線(xiàn)的控制方式時(shí)可以充分利用通訊的方便性。故可以擬出以下兩種方式：圖2方式，PLC與人機聯(lián)線(xiàn)使用RS232,模擬量傳遞速度信號（考慮到通訊有實(shí)時(shí)性問(wèn)題），變頻器頻率由PLC通訊給定，功能端子給定命令。圖3方式，PLC與人機聯(lián)線(xiàn)使用RS485, 模擬量傳遞速度信號，變頻器頻率由人機COM3通訊給定，功能端子給定命令。兩者相比差異在于變頻器控制源上。雖然效果一樣，但圖3方式遠遠增強了人機與PLC的通訊距離，亦即對本系統來(lái)說(shuō)人機安放的范圍將很寬，更適合生產(chǎn)線(xiàn)上分布安裝，故將本系統按照圖3設計。

　　如圖3所示，本系統將使用到變頻器，PLC和人機界面。按照機型體積和驅動(dòng)能力，臺達變頻器分出多個(gè)系列產(chǎn)品，因VFD-B系列變頻器支持矢量閉環(huán)控制，低頻驅動(dòng)能力強，而針刺機系統對速度穩定性要求較高，并且定位模式運行時(shí)要求低速大力矩，故本系統采用性?xún)r(jià)比較高的VFD-B。人機采用具有兩個(gè)RS485的DOP-AE系列和PLC采用具有良好性?xún)r(jià)比的DVP-SA。

圖2 人機與PLC連接采用RS232方式
 

圖3 人機與PLC連接采用RS485方式

　　3.2人機界面設計

　　操作界面主要實(shí)現對針刺、進(jìn)料、出料、剝網(wǎng)、托網(wǎng)及機臺間通訊進(jìn)行監控操作。單機界面設計分五部分：?jiǎn)?dòng)畫(huà)面，主畫(huà)面，參數設定畫(huà)面，手動(dòng)操作畫(huà)面，配方畫(huà)面和幫助畫(huà)面。在設計用戶(hù)界面之前，須根據控制方案設計模組參數相關(guān)內容，一是控制器選擇和控制區設定：控制器使用DELTA CONTROLLER ASCII，控制區長(cháng)度設為8;二是通訊方式和通訊口設定，DOP-AE提供一個(gè)RS232口和兩個(gè)RS485口（或一個(gè)RS422口），設計時(shí)只要在模組參數設定的通訊項分別指定兩個(gè)RS485口的指向和通訊格式即可。這兩步完成才有下面的深入設計。

圖5單機主畫(huà)面

　?。?）主畫(huà)面參見(jiàn)圖5、圖6。

　　單機主畫(huà)面的功能在于用戶(hù)能最直接了解到本地機器的運行狀態(tài)、生產(chǎn)數據及生產(chǎn)線(xiàn)相鄰設備的連接狀況，故設計上主畫(huà)面分三部分：數據及狀態(tài)監控區;換頁(yè)區;控制區。數據及狀態(tài)監控區監控各工藝動(dòng)作狀態(tài)和運行數據，包括針刺次數、針刺時(shí)間、針刺密度、針刺頻率、牽伸比和進(jìn)料出料速度等,其中針刺時(shí)間和針刺次數在授權的情況下能清除當前值,在針刺時(shí)間或針刺次數到達設定值后系統將彈出換針提示;換頁(yè)區完成各頁(yè)面切換,用戶(hù)可根據需要直接切換到相應頁(yè)面進(jìn)行操作;手動(dòng)操作控制區控制油泵運行和控制針刺動(dòng)作、入料、出料運行。在主畫(huà)面按“運行“后，該畫(huà)面油泵手動(dòng)停止無(wú)效，系統將按照已設定的頻率繼續運行，運行狀態(tài)下可實(shí)時(shí)調整針刺頻率。在聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，針刺密度的修改將直接影響到進(jìn)料和出料速度，但牽伸比將維持恒定。非聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，用戶(hù)可以手動(dòng)單獨更改針刺頻率和進(jìn)出料速度（即牽伸比）。

圖6總屏主畫(huà)面

　　整線(xiàn)主畫(huà)面相對單機主畫(huà)面的操作具有更高的優(yōu)先級，一旦整線(xiàn)主畫(huà)面將某一臺加入到聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，則該機臺本地操作將無(wú)效，直到解除。命令線(xiàn)上機臺啟停有兩種方式，一是由整線(xiàn)主屏發(fā)出命令并將受命機臺設為聯(lián)機狀態(tài);另一種方式是將針刺線(xiàn)受命權交給前紡，針刺線(xiàn)處于待命狀態(tài)，這種方式以握手方式執行，即針刺線(xiàn)準備完成后發(fā)出就緒信號，前紡收到信號后發(fā)出運行信號和速度信號，一旦就緒信號終止，針刺機組亦將停止。

　?。?）參數設定畫(huà)面參見(jiàn)圖7。出于數據的安全性及程序的兼容性考慮，參數設定界面列出了用戶(hù)參數和廠(chǎng)家參數，因而參數設定需要等級密碼驗證進(jìn)入，不同授權等級的用戶(hù)僅可以修改授權范圍內的參數。最高級用戶(hù)可以隨時(shí)修改各等級授權密碼。

圖7參數設定畫(huà)面

　?。?）手動(dòng)畫(huà)面參見(jiàn)圖8。手動(dòng)操作目的用于調試，用戶(hù)能任意對送料輥、出料輥、針刺、托網(wǎng)板、剝網(wǎng)板和油泵等進(jìn)行任意操作，不再受其他條件約束。另外，通過(guò)手動(dòng)操作，亦可以使用戶(hù)通過(guò)試驗尋找合適的生產(chǎn)參數。

圖8手動(dòng)畫(huà)面

　?。?）配方畫(huà)面參見(jiàn)圖9。臺達DOP系列提供配方功能，提供方便好用類(lèi)似Excel的配方編輯器，讓使用者可以輕松的編輯配方;并且在64K存儲空間內可以同時(shí)輸入多組的配方，一次下載多組配方。本系統在人機端利用內部存儲器來(lái)切換，用戶(hù)可以靈活從該畫(huà)面調用經(jīng)驗配方、記錄當前配方或寫(xiě)入生產(chǎn)配方。程序設計配方容量500組，每組包括針刺頻率，針刺倍頻，托網(wǎng)板位置，剝網(wǎng)板位置，入料速度。在整線(xiàn)聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，配方內容可以續臺下載，亦可以通過(guò)上位機進(jìn)行，在使用上位機下載配方時(shí)，由于下載成功后托網(wǎng)板托網(wǎng)板將會(huì )自動(dòng)校位，生產(chǎn)線(xiàn)上各機臺較為分散，出于安全考慮，設計上要求操作人員必須確認各機臺狀況允許才會(huì )下載數據。

圖9a單機調用配方功能

圖9b上位機調用配方功能

　?。?）幫助畫(huà)面參見(jiàn)圖10。由于人機界面是直接連接在控制器，故只要設計者將控制器信息表達在人機界面上，終端用戶(hù)將可以了解到設備的各種運行信息，詳細的向導將有助于使用者的維護。

　　本系統在幫助文件上劃分為幾部分：一是電氣部分故障信息，包括PLC的狀態(tài)信息，PLC采樣到的變頻器狀態(tài)信息;二是機械部分信息，包括機械位置到位信息，液壓系統信息。所有這些信息用戶(hù)將在幫助畫(huà)面得到較為完善的處理指引或為廠(chǎng)家電話(huà)服務(wù)提供有用的信息。

圖10a故障排除指引

圖10b PLC 狀態(tài)監視

　　3.3人機宏程序規劃與設計

　　參見(jiàn)圖11，因為每臺針刺機相對而言是獨立工作的，人機的工作任務(wù)接受指令并處理、顯示狀態(tài)和數據信息，為變頻器和主人機傳遞數據、保存用戶(hù)數據。DOP系列人機提供了完善的宏處理指令，程序設計時(shí)可以根據需要對數據算術(shù)或邏輯處理，本系統中，總控制人機和各本地人機均使用CLOCK宏處理與變頻器的交換信息，收集整線(xiàn)的警報信息和運行信息等。利用人機宏指令，減少了PLC與人機的不必要的通訊，更有效的分配了系統資源。

圖11a本機人機CLOCK宏

圖11b總控制人機CLOCK宏收集系統信息

4 PLC程序設計概要

　　按照系統功能完成輸入輸出點(diǎn)規劃后的工作就是程序設計。整條生產(chǎn)來(lái)講，基本功能是快速處理速度信息并實(shí)現速度跟隨，根據目前PLC的性能和已構建的硬件框架，可以使用總機集中分配信息，單機獨立處理方式實(shí)現。單臺針刺機而言，程序主要的工作變量有針刺密度（M針密）、針刺頻率（F針頻）、牽伸比（K）、入料速度（V入）、出料速度（V出料），托網(wǎng)位置（T）和剝網(wǎng)位置（B）。保護變量有針刺次數（C）、針刺時(shí)間（t）、托網(wǎng)位置上限（TSL）、托網(wǎng)位置下限（TXL）、托網(wǎng)位置上限（BSL）和剝網(wǎng)位置下限（BXL）。為了便于維護，程序結構上以主程序調用子程序形式編寫(xiě)，分為針刺運算子程序（P0），托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序（P1），保護子程序（P2），數據上傳子程序（P3）及動(dòng)作執行子程序（P4）。主程序部分包含程序初始化、子程序調用和解讀總控制器發(fā)出的指令解讀信息包含當前機臺是本地單機運行還是遠端控制，接受并發(fā)出本地速度指令還是外部模擬量速度指令，速度信息經(jīng)過(guò)本機臺是否采用還是傳遞到下一機臺等）。

　　針刺運算子程序（P0）根據用戶(hù)輸入或前級針刺機輸出的速度變量執行運算，得出針刺機需要運行的針刺頻率并轉換為給變頻器的給定頻率f：

　　托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序（P1）算法是根據固定的動(dòng)程分別與采樣值運算，得出托網(wǎng)位置（T）和剝網(wǎng)位置（B），T和B與限位值比較后給出判斷結果并提示。在配方下載模式，子程序P1是將T/B分別與目標值比較并自動(dòng)校準位置。

　　保護子程序（P2）：采樣或統計系統信息，對各狀態(tài)作出是停機或是提示動(dòng)作。

　　數據上傳子程序（P3）：收集并歸類(lèi)本地信息以供人機快速調用。

　　動(dòng)作執行子程序（P4）：輸出處理結果。

5 結束語(yǔ)

　　異構自動(dòng)化平臺在大系統集成工程中的信息整合困難越來(lái)越成為現代制造工程的技術(shù)瓶頸。臺達機電產(chǎn)品的在同一工程的同構化集成能力，無(wú)論是在企業(yè)建設階段還是在投產(chǎn)后的長(cháng)遠發(fā)展階段，都有顯而易見(jiàn)的技術(shù)優(yōu)勢。伴隨臺達機電產(chǎn)品的豐富與發(fā)展，功能的不斷提高，面對客戶(hù)對整體服務(wù)的需求，產(chǎn)品擁有廣闊長(cháng)遠的市場(chǎng)拓展空間。