摘 要：本文介紹了歐姆龍3G3JV變頻器的特點(diǎn)和細(xì)紗機(jī)的具體工藝要求，具體討論了細(xì)紗機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的組成和實(shí)際的工作工程，詳細(xì)說(shuō)明了PLC和變頻器在細(xì)紗機(jī)中應(yīng)用的工作原理、控制方式和運(yùn)行效果，闡述了變頻器在實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：變頻器;PLC;細(xì)紗機(jī);自動(dòng)控制

Abstract: The features of OMRON 3G3JV inverter and the technical requirements of the spinning machine are introduced in this paper. The structure of the electrical control system of the spinning machine and the practical operating process are discussed concretely. The working principle, the control mode and the running effects of PLC and the inverter in the application of the spinning machine are illuminated in detail. The issues of the inverter in the practical application are expounded.

Key words: Inverter; PLC; Spinning Machine; Automatic control

1 引言

電動(dòng)機(jī)是電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的原動(dòng)機(jī)，它將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，去拖動(dòng)各種類型生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)工藝的要求，如驅(qū)動(dòng)軋鋼機(jī)的軋輥、龍門刨床的工作臺(tái)、起重機(jī)的提升機(jī)及行走機(jī)構(gòu)等。在很多應(yīng)用中可能要求生產(chǎn)機(jī)械在工作速度、定位精度、快速啟動(dòng)和制動(dòng)、反轉(zhuǎn)等方面達(dá)到一定的水平，而作為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)則是實(shí)現(xiàn)這些要求的主體，因此提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)對(duì)于整個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的性能具有重要的意義。隨著電力半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)也取得了很大的進(jìn)步并得到日益廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著紡織機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)水平的不斷提高，應(yīng)用交流變頻調(diào)速已成為一種趨勢(shì)。在大多數(shù)新開(kāi)發(fā)的紡織機(jī)械產(chǎn)品中幾乎無(wú)一例外地應(yīng)用了交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置。對(duì)于織造機(jī)械則有漿紗機(jī)、整經(jīng)機(jī)等。另外針織機(jī)、無(wú)紡布、化纖機(jī)械、印染機(jī)械上也大量使用了交流變頻調(diào)速器。本文主要介紹了歐姆龍3G3JV系列小型變頻器和PLC在細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用。

2 3G3JV變頻器的特點(diǎn)

3G3JV變頻器歐姆龍公司推出的小型變頻器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，只需簡(jiǎn)單的操作就實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的功能，主要特點(diǎn)是：

（1）正面的調(diào)節(jié)旋鈕簡(jiǎn)單操作，變更速度方便。

（2）安裝簡(jiǎn)便，操作簡(jiǎn)單，用途廣泛，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制。

（3）通過(guò)簡(jiǎn)單的操作調(diào)節(jié)速度，通過(guò)正面調(diào)整旋鈕，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整。投入電源后，可立即運(yùn)行。

（4）將多種功能集中于小巧機(jī)身內(nèi)，最大可達(dá)8段速的多段速運(yùn)轉(zhuǎn)，加上點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)（最大9段速）及UP/DOWN運(yùn)轉(zhuǎn)燈，可以實(shí)現(xiàn)多種速度運(yùn)轉(zhuǎn)。另外還包含了各種便捷的功能，如滑差補(bǔ)償功能、過(guò)轉(zhuǎn)矩檢出功能、速度搜索功能等。維護(hù)簡(jiǎn)單，一按即可實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的脫卸，而且只在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才投入工作，更能延長(zhǎng)壽命。

（5）可實(shí)現(xiàn)節(jié)省空間的小巧尺寸，使盤內(nèi)的安裝也變得更為容易。安裝、配線輕松簡(jiǎn)單。由于主回路端子的上下排列，可以輕巧的進(jìn)行連接。同時(shí)通過(guò)DIN導(dǎo)軌的使用，可以實(shí)現(xiàn)一按就能安裝/脫卸。

（6）對(duì)應(yīng)多種輸入/輸出，對(duì)應(yīng)0～10V、4～20mA、0～20mA的模擬輸出、多功能輸出端子、模擬監(jiān)控等。多功能輸入上可以實(shí)現(xiàn)PNP/NPN輸入切換。

（7）避免產(chǎn)生高次諧波

高次諧波對(duì)電源的干擾使功率因數(shù)降低，產(chǎn)生射頻干擾、噪聲、振動(dòng)等。在調(diào)試時(shí)，普通變頻器對(duì)生產(chǎn)線上的PLC、光電開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生干擾。只要變頻器控制的電機(jī)開(kāi)動(dòng)，PLC的信號(hào)就一片混亂，輸入、輸出指示燈無(wú)規(guī)則的閃爍，程序不能正常運(yùn)行。為了避免這些問(wèn)題，一般情況下，必須在變頻器的主電路中加入電抗器，抑制干擾。經(jīng)過(guò)改變動(dòng)力線與信號(hào)線排布，分開(kāi)走線槽，獨(dú)立給PLC供電，外加電抗器，加磁環(huán)濾波等一系列繁瑣工作，有時(shí)，這樣仍不能解決問(wèn)題。但是3G3JV變頻器載波頻率可調(diào)節(jié)，從l～10kHz范圍限寬，通過(guò)調(diào)整載波，就可以消除干擾。

（8）避免產(chǎn)生機(jī)械共振

在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)升速過(guò)程中或運(yùn)行達(dá)到某一速度時(shí)，引起共振，這樣既縮短了機(jī)器的使用壽命，又降低了機(jī)械的精度。3G3JV變頻器有一個(gè)專門的參數(shù)能使升速過(guò)程中跳躍一段頻率，可以避免機(jī)械共振。

（9）在保護(hù)功能以及延長(zhǎng)使用壽命等方面的新措施

通用變頻器的保護(hù)功能主要包括過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、失速保護(hù)等，通常變頻器的保護(hù)電路都是制作在控制線路板上。3G3JV變頻器是把過(guò)電流保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)制作在功率驅(qū)動(dòng)模塊一起，這樣縮短了電信號(hào)的傳輸距離，使得保護(hù)電路反映的速度更加快捷，提高了變頻器的可靠性。

（10）變頻器的壽命延長(zhǎng)

很多變頻器的損壞是由于元器件老化造成的。變頻器由于冷卻風(fēng)扇壽命較短，冷卻風(fēng)扇在變頻器上電的時(shí)候開(kāi)始工作，到了風(fēng)扇的使用壽命，風(fēng)扇損壞停止工作，造成整流器件、逆變功率器件超過(guò)正常工作溫度燒毀，修復(fù)成本很高，基本無(wú)修復(fù)價(jià)值。這樣就由于一個(gè)風(fēng)扇影響了變頻器的壽命。3G3JV變頻器的控制風(fēng)扇可以在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣可以延長(zhǎng)冷卻風(fēng)扇的壽命，也就延長(zhǎng)了變頻器的壽命。

3G3JV系列小型變頻器突出的優(yōu)點(diǎn)在于多功能輸入輸出接點(diǎn)，引入了多功能變頻器的優(yōu)點(diǎn)，使控制方法更簡(jiǎn)便、更完善,從而使得它非常適合紡織生產(chǎn)工藝流程的變化。

3 工藝要求

棉紡過(guò)程有開(kāi)纖（開(kāi)棉、除塵、混棉），制紗（梳棉、制棉條），粗紡（將棉條進(jìn)一步延伸，稍加搓捻），最后是精紡（將粗紗延伸、搓捻成細(xì)紗）。細(xì)紗機(jī)是棉紡過(guò)程的最后一道工序，精紡機(jī)械的紡織時(shí)間最長(zhǎng)，而且需要強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。該道工序的好壞直接影響到棉紗的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以選擇細(xì)紗機(jī)的傳動(dòng)裝置是十分重要的。

細(xì)紗機(jī)是將粗紗或條子紡成一定支數(shù)細(xì)紗的紡織機(jī)器。它的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定與否直接影響到生產(chǎn)成本。采用PLC和變頻器控制細(xì)紗機(jī)，操作簡(jiǎn)單，接線少，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，成紗質(zhì)量好，且維修方便，便于管理。

細(xì)紗機(jī)有低速運(yùn)行、高速運(yùn)行、吹吸風(fēng)、落紗等過(guò)程。落紗分為自動(dòng)落紗和中途落紗（暫停工作），自動(dòng)落紗又分定長(zhǎng)落紗和定時(shí)落紗。自動(dòng)落紗的方式、落紗時(shí)間及長(zhǎng)度均可設(shè)置，并能掉電保持。細(xì)紗機(jī)所需的電氣傳動(dòng)裝置應(yīng)滿足如下條件：

（1）高效率

細(xì)紗機(jī)所需的傳動(dòng)動(dòng)力占棉紡過(guò)程的50%以上，且連續(xù)運(yùn)行。所以傳動(dòng)裝置的效率直接影響到整個(gè)棉紡過(guò)程。

（2）可軟啟動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)如果受到過(guò)大的的張力或者張力變化急劇都會(huì)造成斷紗。

（3）良好的速度控制性能

高生產(chǎn)率的紡紗速度是斷紗少的最高速度，但斷紗由于種種原因而變化，紡紗速度也應(yīng)對(duì)應(yīng)于各種條件進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)紡紗過(guò)程的工藝要求，采用松下的FP0型PLC和3G3JV小型變頻器可以滿足上述要求，3G3JV變頻器的模塊化設(shè)計(jì)理念、快速的I/O處理時(shí)間和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)靈活地配置控制系統(tǒng)。

在系統(tǒng)中采用FP0型PLC對(duì)各個(gè)變頻器進(jìn)行集中監(jiān)控，PLC和變頻器之間通過(guò)RS-485總線相連，變頻器和電動(dòng)機(jī)的各個(gè)參數(shù)如電機(jī)電流、電機(jī)運(yùn)行的最大和最小頻率、變頻器的斜坡上升和下降時(shí)間等都可以由PLC通過(guò)通信口來(lái)實(shí)時(shí)地訪問(wèn)和修改。這樣就增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制性能，減少了系統(tǒng)的布線和調(diào)試時(shí)間，降低了工程施工的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，方便了系統(tǒng)的維護(hù)，降低了維護(hù)費(fèi)用。

4 系統(tǒng)配置

一臺(tái)細(xì)紗機(jī)通常有250～400個(gè)紗錠，紡紗錠數(shù)一般用細(xì)紗機(jī)臺(tái)數(shù)×40來(lái)表示。細(xì)紗機(jī)本身的紡紗能力用紗錠的轉(zhuǎn)速表示。細(xì)紗機(jī)的運(yùn)行模式分為高、低速兩檔。在啟動(dòng)開(kāi)繞和繞滿停車時(shí)，為了防止斷紗而實(shí)行軟啟動(dòng)和停車。系統(tǒng)中用了16臺(tái)內(nèi)置EMC濾波器的變頻器和16臺(tái)三相250W的電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)采用PLC。所有的變頻器都由PLC通過(guò)RS485串行通信口來(lái)控制。這樣不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制性能，而且還減少了系統(tǒng)布線和調(diào)試的時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖1所示。運(yùn)行模式如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2系統(tǒng)運(yùn)行模式

紡紗過(guò)程中由電機(jī)來(lái)帶動(dòng)紗錠（線軸）工作。電機(jī)在變頻器的控制下運(yùn)轉(zhuǎn)而帶動(dòng)紗錠進(jìn)行紡紗。紡紗的質(zhì)量取決于變頻器能否在負(fù)載變化時(shí)保持穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)中采用歐姆龍3G3JV變頻器來(lái)控制紗錠電機(jī)的運(yùn)行，3G3JV變頻器具有很高的動(dòng)態(tài)性能容許負(fù)載快速變化，其FCC控制功能可以提供非常平穩(wěn)的運(yùn)行速度，從而減少了斷紗，提高了紡紗的質(zhì)量。3G3JV變頻器具有快速的捕捉再啟動(dòng)功能，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)可以快速地再同步紗錠速度，以避免斷紗的產(chǎn)生。3G3JV變頻器可以控制電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)從靜止到輸出650Hz平穩(wěn)地運(yùn)行。所有的變頻器和電機(jī)的參數(shù)，如電機(jī)的實(shí)際速度、電機(jī)電流、電機(jī)的輸出力矩以及變頻器和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)都可以通過(guò)串行口來(lái)訪問(wèn)。

細(xì)紗機(jī)的運(yùn)行模式分為高速和低速兩檔。在系統(tǒng)開(kāi)繞到低速以及由低速到高速的加速過(guò)渡過(guò)程中，電機(jī)帶動(dòng)紗錠在變頻器的控制下在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)均勻加速。在由高速到低速以及由低速到繞滿停車的減速過(guò)渡過(guò)程中，電機(jī)在變頻器的控制下在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)均勻減速，如系統(tǒng)的運(yùn)行模式圖所示。在啟動(dòng)開(kāi)繞和繞滿停車時(shí)，變頻器實(shí)行軟啟動(dòng)和停車，以避免斷紗的出現(xiàn)。低速和高速的持續(xù)時(shí)間由PLC控制，而具體的運(yùn)行速度是通過(guò)對(duì)變頻器的設(shè)定來(lái)確定的。

接通電源后，吸風(fēng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作。同時(shí)，鋼領(lǐng)板升降電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板上升。當(dāng)鋼領(lǐng)板升到了始紡位置時(shí)，其復(fù)位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)停止。按下低速起動(dòng)按鈕，主機(jī)開(kāi)始低速運(yùn)行，進(jìn)行細(xì)紗接頭。按下高速起動(dòng)按鈕，轉(zhuǎn)換為高速運(yùn)轉(zhuǎn)，全機(jī)進(jìn)入正常紡紗階段。

紡紗滿管后，鋼領(lǐng)板復(fù)位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，滿管信號(hào)燈亮。進(jìn)入工作位置，主機(jī)停止開(kāi)關(guān)接通，此時(shí)，主機(jī)高速接觸器釋放，鋼領(lǐng)板升降中間繼電器吸合，主機(jī)斷電保持慣性回轉(zhuǎn)。隨后，鋼領(lǐng)板升降電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，鋼領(lǐng)板開(kāi)始下降，降到極限位置時(shí)，鋼領(lǐng)板下降限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，停止下降。撐爪電磁鐵吸合時(shí)，將撐爪打開(kāi)，主軸制動(dòng)電磁鐵吸合，主軸制動(dòng)剎車。經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，切斷控制電源，落紗完畢。

需要中途停車時(shí)，按下中途停車按鈕，主機(jī)即可停車，并自行制動(dòng)。需要提前落紗時(shí)，按下中途落紗按鈕即可。當(dāng)機(jī)器發(fā)生意外時(shí)，按下緊急停車擇鈕，可使全機(jī)立即停車。

在程序中設(shè)置了各個(gè)過(guò)程、設(shè)備之間的聯(lián)鎖保護(hù)，使生產(chǎn)過(guò)程更加安全、合理。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)中采用的3G3JV變頻器的防護(hù)等級(jí)為IP20，為了保證變頻器長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行，在系統(tǒng)工作過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）由于紡織生產(chǎn)本身的工藝要求，要保持車間一定的溫度和濕度，在炎熱的夏季一定要注意變頻器柜體的溫度不要超限，要確保柜體的通風(fēng)。

（2）由于紡紗車間的粉塵較多，如果變頻器的柜體設(shè)計(jì)密封程度不夠，粉塵進(jìn)入變頻器內(nèi)堆積，吸附在電力、電子元件上，將會(huì)導(dǎo)致絕緣降低，引起變頻器故障。因此在設(shè)計(jì)柜體時(shí)要注意防塵，并定期清理柜子的過(guò)濾器。

（3）由于供電質(zhì)量低以及同一電網(wǎng)連接多臺(tái)變頻器，故需考慮在每臺(tái)變頻器的輸入端加進(jìn)線電抗器，以保護(hù)變頻器長(zhǎng)久地正常運(yùn)行。