纺织机械的自动控制技术

周志辉，林 燕

(1.天津工业大学, 天津 300160; 2.国防科技大学, 湖南 长沙 410073)

随着科技的发展和市场竞争的激烈，作为给纺织行业提供技术装备的纺机行业面临着技术上的挑战，如何提供更加灵活、更高质量、更快响应的纺织机械来充分满足纺织工艺的要求，成为时代赋予纺机行业的重任。近十多年来我国纺机行业自动化水平有了明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了自动化技术，其内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，由PLC、工控机、单片机、人机界面、现场总线等组成的控制系统。先进的驱动技术有变频调速，交流伺服，步进电机等，还有检测传感技术和执行机构等。现代控制技术和信息技术正成为推动纺织机械自动控制技术发展的主要驱动力。

1 纺织机械主要自动控制技术

近十年来，纺织机械自动控制技术应用水平有了较大的进步，几乎用到了所有种类的自动化产品，主要包括控制、传动控制、运动控制、现场总线、人机界面和传感器。(1)控制：PLC、PCC、IPC、FCS、DCS、专用控制器等。(2)传动控制：直流调速系统、交流变频调速系统、开关磁阻电机、多单元同步系统等。(3)运动控制：伺服、步进、运动控制器。(4)现场总线：Profibus、Can等。(5)人机界面：文本显示器、图文终端、触摸屏等。(6)传感器：光电传感器、电磁传感器、温度传感器、压力传感器、图像传感器及各种工艺参数传感器。其中PLC、单轴独立驱动、多单元同步控制、基于网络技术的数据通讯和在线检测等技术，得到了广泛的应用。

1.1 数字化纺机技术

早在2002年就有纺织机械集团提出了“发展数字化纺织机械，推动纺织企业信息化”的经营理念。现在数字化纺织机械的概念已被纺机行业认同，业内主要企业纷纷打出了数字化的旗号。“数字化纺织机械”的主要技术理念首先是数字化的控制技术，就是以CPU为核心的控制器、以现场总线为主的工业通讯技术、以电力电子技术为基础的现代驱动技术的综合应用。其次是设备数据的高速采集和传送，从而达到产品能级的提高并解决纺织企业信息化建设中设备数据的瓶颈制约因素。

(1)可编程控制器

可编程控制器(PLC)是以继电器技术为基础，综合ICT技术，以程序化方式实现设备的电气控制，在纺织机械应用最为广泛。PLC能提供高质量的输入输出和极佳的实时监控能力，特别是它的可靠性已经得到充分肯定。能够提供多种现场总线、可扩展性及远程I/O已经成为一些主流纺机厂商选择PLC的关键衡量标准。纺织工业控制器中，值得重点关注的技术指标是速度、可靠性和实时性。正如以高效短流程嵌入式复合纺纱技术为代表的自动纺纱技术取得的革命性突破，为行业升级带来了新希望。

(2)现场总线控制技术

现场总线控制层是各种生产信息的来源。各种棉纺、织造、印染机械的控制器只要具有现场总线通讯接口，通过适当的编程，就可以将机械的运行数据实时传送到监控系统。数字化的纺织机械采用现代先进的控制技术：以CPU为核心的控制器，以电力电子技术为基础的新型驱动技术，以现场总线技术为代表的网络及高速数据通讯技术。实现数据的实时准确采集和高速传输，实现分布式、现场化和抗干扰性能的提高，实现生产过程的自动化、智能化，完成纺织机械与现代先进控制技术的结合，为纺织企业的信息化设备层打下坚实的基础。

1.2 以电力电子技术为代表的新型驱动技术

随着电力电子技术的发展，各种新型驱动技术在纺织机械中得到广泛应用。变频调速、单轴驱动多轴同步、伺服等传动技术在纺织机械领域大显其能。纺织机械使用的各种驱动系统和电机主要包括：变频器+交流异步电机、变频器+交流同步电机、交流伺服电机、直流无刷电机和开关磁阻电机。基于较多的纺织机械为多单元重复结构，如化纤纺丝机等，为实现机械动作的协调一致性，纺织机械还应用了变频调速技术。

随着科技的发展，纺织机械传动技术有了较大的发展，主要表现在：单轴独立驱动和多轴同步控制技术(例如四轴驱动粗纱机、自动络筒机和多电机驱动剑杆织机等)、伺服驱动技术(如在纺机中很普遍的卷绕机构的反向驱动控制)、共直流母线技术。

(1)交流伺服技术

一般的伺服系统包括伺服驱动装置、伺服电机和检测装置三部分。在伺服系统中，交流伺服运动控制系统是最大的一个分支，它是一个结合电机学、自动控制、电气技术、机电一体化、计算机控制于一体的综合系统。在生产实际中，使用交流伺服运动控制的产品，能够解决各种复杂的定位控制问题。

在交流伺服运动控制产品的发展过程中，它始终是融合了先进的机电一体化技术和控制理论。最近几年来，国内外各个厂家都相继推出了交流伺服运动控制的新技术和新产品，比如全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、PCC技术、基于现场总线的交流伺服运动控制技术、运动控制卡、DSP多轴运动控制器等。

纺织设备上应用交流伺服技术是为了提高设备的性能，满足高精度控制的要求，目前已有高档梳棉机，带自动调匀整的并条机、新型粗纱机、数控细纱机、分条整经机、浆纱机、圆网印花机等设备应用了交流伺服。伺服技术在纺织机械中的应用广泛，为纺织业的高速发展提供了可靠的技术保证。从上世纪90年代初期至今，纺织技术进步主要是依靠变频化、PLC化。只有少量纺织机械采用了高档伺服技术，用于提高精度和效率，无梭织机上已经开始采用带交流伺服的电子送经和电子卷取，印染设备上也要用到伺服系统。

(2)步进电机系统

步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似(脉冲串和方向信号)，但在使用性能和应用场合上存在较大的差异。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用也十分广泛。交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面因素。

(3)交流变频调速技术

变频调速器几乎应用于纺纱机械的各个工序中，包括开清棉机、梳棉机、条卷机、精梳机、并条机以及粗纱机、细纱机和络筒机等。对于织造机械则有浆纱机、整经机等。另外针织机、无纺布、化纤机械、印染机械上也大量使用了交流变频调速器。近年来随着纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，交流变频调速已成为一种趋势。在大多数新开发的纺织机械产品中几乎无一例外地应用了交流异步电动机变频调速装置。由于利用变频调速器去掉了成形机构中的成形凸轮，进而克服了由于成形凸轮所造成的桃底有停顿、桃顶有冲击的现象，使得细纱卷形状良好，以便于下一道工序的高速退绕。通过PLC的控制，再经低压变频器可实现多电机的同步协调运转。同时可利用变频调速器控制三十九主电机的变速来控制锭子的转数，使得细纱在大、中、小纱时转速在变化，以减少纱的断头率。

2 自动控制装置在纺织机械上的应用

由于纺织行业工艺复杂、流程较长，对于不同种类的纺织机械，其自动化需求也呈现出多样化，不同自动控制装置在不同纺织机械上能发挥出相应的应用价值，提高纺机的性能，以满足纺织行业的迫切需求。

2.1 梳棉机

高产梳棉机吸尘的风量和风压对生条质量影响很大，生产过程中产生的尘屑、短绒不仅影响生条质量而且还影响生产环境，为此随着产量的提高，机上负压吸点已发展到包括道夫三角区、刺辊分梳板、锡林前后固定盖板、盖板倒转剥取的盖板花等10多个，并已普遍实现机台全封闭。

高产梳棉机具有产量高，生产质量好的优点，高精度高耐磨度分梳元件、优化梳理速度、高水平制造加工手段、电子计算机技术、传感技术、变频技术在清梳联系统中很好地与开清棉技术一起完成对原料的开松、除杂、梳理任务，生产出杂结少、条干均匀的生条供应后续工序。

国外自调匀整装置有开环、闭环和混合环几种。近年来有些新机采用微机来控制自调匀整装置，提高高速时的控制效果，特别可以消除滞后现象。立达(Rieter)的C4-A型梳棉机釆用混合环式自调匀整装置，用闭路循环方式，釆用一对阶梯罗拉检测实际数值，通过调控给棉罗拉速度来控制长片段匀整；短片段匀整釆用联控制形式(扰动可变补偿)，即在出口处称量棉网重量，超过标准立即调整，对控制过程的干预作用也是通过给棉罗拉调速完成。立达研制成的C.I.S.纺纱自动化生产线，在清钢工序中釆用Aero-feed散棉喂给装置，再用ABC-Control型处理机控制清钢连续化、自动化生产线，操作人员可以通过VDU彩色图表管理机台，取代了开棉、清棉和梳棉的人工中心控制，具有控制、监视、报警和记录等多种功能。

根据高产梳棉机梳理技术发展趋势，进一步实现梳棉机自动控制是今后重要方向之一，未来在线监测系统与自动调节系统形成封闭式专家系统，梳棉机上一些工艺条件，可根据在线检测数据经电子计算加工后发出指令，执行机构可立即自动进行调节或工作。

2.2 并条机

并条机自动化内容很丰富，其中自调匀整是一个很重要的课题。自调匀整是指实现棉条条干均匀，纱的粗细一致，否则织布时细的地方容易出现断头。基于以上情况，如果条干过粗或过细，需要利用设备检测出来并对执行机构及时调整，以达到符合要求的标准和指标。自动调节的过程首先通过检测，再经计算机运算，然后运用交流伺服来执行，从终端的传感器检测，到负责执行的伺服电机，此过程中需要一系列自动化机制来运行，难度很大。由于国产的同类产品在水平上仍存在相当的差距，所以这套设备目前仍以进口为主。从成本上看，自调匀整装置的价格几乎占整机价格的一半，是整机中成本相当集中的部分，如果国内研发的自调匀整装置品质能够得到提升，更好地满足要求，那么整机成本就有望在很大程度上得以降低。

2.3 细纱机

在细纱机的落纱环节方面，以前用人工换管，断头也需要人工去接。每台细纱机的锭数从原来的400个发展到目前的1 000个，如果仍用人工换管，不但断头多，而且效率低，生产人员的劳动强度更大。另一方面，造成断头的主要原因是由纱管形状和纺纱张力决定的，要求能够做到及时调速。这一环节传统上采用双速电机，但效果并不好，如果使用变频器，配合PLC设定为最佳的运行状态，就可以有效地减少断头。

2.4 粗纱机

粗纱机的作用是将熟棉条进行拉伸形成粗纱，以进一步增加取向和分离度，利于后道细纱机的加工。粗纱机也主要采用PLC控制，人机界面使用触摸屏或者文本显示器，传统粗纱机采用一个电动机通过多种传动机构分别传动牵伸罗拉、锭翼、筒管及升降机构，其中罗拉与锭翼为定速，筒管和升降机构由于粗纱卷绕直径增大而为变速，使用锥轮实现。传统粗纱机的典型传动方式是采用软起、电磁刹车和机械机构，结构复杂，维护量大，产品的粗细结无法根除。新型粗纱机采用多电机独立变频传动，电子齿轮同步的方式，取消锥轮，能有效地减少粗细结问题。

2.5 络筒机

络筒机的作用是将小的细纱筒子连接并卷绕形成大的纱筒，同时清除粗细结、毛羽等疵点，属于织造的前道工序。络筒工艺中张力控制、纺叠和成形是控制关键，直接影响到加工效率和产品质量，此外，接头、换纱也是络筒过程中的关键，目前的络筒机都使用了自动接头，人工或者半自动换纱。络筒机使用小型PLC控制，定子传动多采用直流永磁电机，功率一般在几十瓦。络筒机的技术趋势是单锭独立传动。

近年来，随着人们审美意识增强和生活水平的提高，高档色织产品愈加受到人们喜爱。不仅真丝绸，化纤、人造丝、混纺纱和棉纱等也可采用色丝织造，这就促使纱筒染色工艺在色织行业获得广泛应用。一般纱筒染色前需要将外购的坯纱络成适合于筒子染色用的“松式筒子”供下道工序用，因此松式精密络筒机的需求日益增加。

国内现有的松式络筒机整机结构一般采用单锭集中传动方式，通常包括卷绕、导纱、超喂等几种运动，采用机械齿轮和凸轮机构完成，针对各种纱线不同的络筒工艺，设备调整比较困难；导纱机构采用的是槽筒和旋转翼片，对一些高档纱线易产生损伤；同时由于采用的是机械传动结构，卷绕速度不高。目前国外这种松式络筒机已经完全采用基于电子齿轮和电子凸轮的全数码卷绕结构，即单锭独立传动；由于各电机在机械上没有直接的传动连接，辅以高速精密运动控制软件算法，可以很方便地实现高速精密交叉卷绕，络纱速度远大于机械式松式络筒机，大大提高了络纱效率。

2.6 无梭织机

自动化技术的推广应用，使无梭织机的技术和品种适应性不断创造新水平，使织机操作实现了自动化，如开关车的程序控制，定期自动加油，利用微机自动收集、显示织机的各种生产参数和运行情况，包括速度、产量、效率、停台及原因分析、织轴经纱存量、在机织物卷装等等，因而提高了管理水平，提高了生产效率；电子送经和电子卷取组成了经纱张力的自动控制，基本上消除了纬向疵点；电子选色，微机自动变换织纹组织，集中改变织物图形，通过单机和中心控制台的双向通讯还能实现群控；有些机型还能自动排除纬向疵点。

2.7 织物疵点检测

织物疵点的自动检测技术是近年来国内外学者共同关注和研究的热门课题之一。随着计算机技术、数字图像技术和神经网络技术的不断发展，使得基于图像处理的织物疵点自动检测技术成为可能。织物疵点自动检测过程包括织物图像采集、图像预处理、图像分析处理、织物疵点检测分类、检测结果统计分析等阶段。小波变换是由短时傅里叶变换发展起来的应用数字分支，具有多尺度的特点以及时域、频域表征信号局部特征的能力。小波变换能够将各种交织在一起的频率组成的混合信号分解成不相同频率的块信号，能有效地应用于模式识别，特别适用于织物疵点检测。织物疵点是由于织造过程中经纬纱不规则交织造成的。在疵点形成的局部区域内，其纹理特征明显不同于正常织物组织结构纹理。基于这些差异，应用小波变换既能获得局部信息又能在时域和频域上同时实现任意尺度和角度变换的检测特性，检测织物疵点。

3 纺织机械自动控制技术的发展方向

除了上述介绍的已经广泛应用于纺织机械的自动控制技术外，还有一些新的自动控制技术也将逐步用于纺织机械，进一步提高纺织机械的性能，使纺织机械逐步迈向自动化新高度。

3.1 高性能伺服驱动器

变频调速在纺机领域已经得到广泛应用，伺服技术将是下一阶段纺织机械向多轴化发展的技术基础。可以预见，小功率伺服驱动器在单锭(轴)驱动方面会有很大需求。

纺织机械对驱动器的要求体现在：伺服和变频的逐渐融合是必然趋势，这种驱动器需具有灵活的可组态工作方式，如速度控制、位置控制、转矩控制等灵活切换；具备现场总线接口，能够完成多轴同步控制和同上级控制器的通讯任务，并提供不同总线的可选件；支持共用直流母线技术，多个逆变器共用一个大功率整流器，提高工作在发电状态驱动轴的能量反馈效率；驱动器附加PLC和I/O功能，可完成一定的运算和逻辑控制，使驱动器演变成一个底层控制驱动单元，实现分散、现场的控制方式；能否提供丰富的软件和调试工具成为选择驱动器的一个重要考量指标。

由此可见，满足纺织机械高速往复运动的伺服驱动器和电机，将会有很好的市场。

3.2 以太网技术成为现场总线主流

现场总线无疑是现代工业控制技术发展中最令人振奋的技术之一。它突破了控制器高速运算能力同驱动器信息交换的瓶颈，又大幅提升了工业通讯的可靠性。伴随着现场总线技术的应用，有必要改变某些传统控制方式，充分发挥高速通讯能力以完成更高的控制要求。

控制器和驱动器的供应商已开始提供适应多种现场总线的可选件。通讯的开放性和可选件合理的价格是客户选择供应商的重要条件。

工业以太网技术必将成为现场总线中的主流技术和发展的关注焦点。从技术的发展来看，以太网技术将很快并广泛的直接用于设备层，这将给工业自动化带来巨大变化。

3.3 纺机控制系统定制化

面对竞争日益激烈的纺机市场，雷同化的控制系统阻碍了技术的保密和进步。可以断言，客户定制化的控制系统将得到快速发展，这是因为纺机企业有需求，技术上有可能。针对特定客户定制的控制和驱动系统，能有效的保护纺机企业的技术秘密，凸显企业特色。

3.4 纺机远程诊断技术

中国的纺机市场吸引着全世界的纺机企业，中国的纺机企业也在大步走向世界。客户要求和竞争地域的变化，带来的新课题是如何为客户提供迅捷的技术服务。解决这个问题的方法，就是在实现纺织机械数字化的基础上，通过有线或无线的技术手段实施远程诊断。

4 我国纺织自动控制有待提高

降低生产成本、提高生产效率、改善产品质量是纺织企业普遍关心的问题，自动化技术、计算机技术及网络技术的迅猛发展为传统的纺织工业提供了良好的技术支持，实现了纺织生产过程各参数的在线检测、显示、自动控制和自动调节，实现了设备运行的自动监测、显示、超限报警等功能，也正好为解决这三个问题起到了关键作用，有效保证了产品质量和减少用工数量，提高了纺织企业的效率，增强了产品竞争力。随着纺织机械的技术升级，自动化的重要性不言而喻。

但我国纺织机械自动控制技术的应用与发达国家相比仍然存在较大的差距，工业和信息化部发布了关于纺织机械工业结构调整的指导意见，意见指出：纺织机械工业“两化”融合水平较低，纺织机械设计制造集成化、模块化、自动化、信息化的应用还不普遍，产品自动控制水平较低，信息化和工业化有机融合水平亟待提高。比如纺织行业一个很重要的指标是“万锭用工”，万锭用工人数越少，表明纺织生产线的自动化程度越高。由于目前我国纺织机械自动化程度仍需提升，所以在这一指标上与国际先进国家，甚至与一些发展中国家的生产线相比，仍然存在着不小的差距。

我国纺织机械自动控制技术的发展存在的不足表现为：技术水平有待提高；创新能力不足，缺少具有自主知识产权的核心技术和产品；产品技术含量低、附加值低，高档产品不能替代进口；品牌竞争力不足；环保与清洁生产技术落后。

由此可见，我国必须加大纺织行业自动控制应用基础科学研究和自动化应用技术开发创新，加强产学研结合及纺织自动控制与相关产业的联合。通过实施纺织装备、工艺自动化创新，推进全行业科技进步和产业升级，促进增长方式转变，为纺织行业自动化控制技术的创新能力达到国际先进水平奠定坚实的基础，从而做大做强中国纺织业，振兴传统产业。

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