梳棉机电气控制的发展进程及趋势

关宏强，曹继鹏

(1.辽东学院 工程技术学院，辽宁 丹东 118003；2.辽东学院 服装与纺织学院，辽宁 丹东 118003)

棉纺织行业中的电气控制技术是以各类电动传动装置或者系统为对象，以实现棉纺织生产过程自动化为目的的控制技术。在纺织行业发展过程中，电气控制技术已在棉纺设备中广泛应用，已经成为实现工业生产自动化的重要技术手段。电气控制系统也已成为梳棉机的重要组成部分。

随着工业数据化发展的需要，集成化、网络化、远程化是未来纺织工业设备发展的方向，梳棉机传统的电气控制方式也已悄然改变，由新技术新器件新方法逐步代替之前的电气控制模式[1]。

1 梳棉机电气控制的发展过程

1.1 开关继电器控制阶段

上世纪80年代初到90年代末，这一阶段的梳棉机均采用开关和继电器来控制各个动作。如A186F梳棉机，它的电气控制系统与梳棉机传动系统相配套。传动机构中锡林、刺辊的动力都是由同一三相交流电动机通过皮带传动提供，锡林和刺辊速度的调整是通过更换皮带轮来完成，一般锡林与刺辊的传动比都是固定的。A186F梳棉机的电气控制比较简单，一般采用常见的交流接触器、继电器、按钮开关等电气控制装置(如图1所示)。这种控制方式比较原始，其中交流接触器、继电器、开关等在使用过程中容易出现接触不良、打火等现象，会影响生产，甚至会出现产品质量事故和安全事故[2]。锡林电机的启动和停止需要长时间才能完成达到平稳状态。

1.2 可编程逻辑控制阶段

随着机电一体化技术的发展，梳棉机的电气自动化程度有了很大的提高，PLC技术的成熟给纺织机械特别是梳棉机提供了良好的技术革新的可能性。无论从传感器检测的可靠性、准确性还是控制系统的灵活性以及数据界面的可视性都有了很大程度的提高。这一阶段梳棉机在控制系统中对传感器、PLC、触摸屏、驱动器以及执行元件等的选用提出了更高的要求，由低精度到高精度、由通用型到专用型的转变。

(1)传感器的选用。梳棉机所使用的传感器包括梳棉机压力传感器、压差传感器、风压传感器、梳理力传感器、位移传感器、测厚传感器、速度传感器、模拟量线性接近开关、温度传感器、光电传感器等。在整个梳棉机控制中传感器的选用非常重要，传感器检测精度的高低对生条质量的控制起到非常关键的作用。

(2)变送器的选用。一般选用压力变送器、RS485变送器、模拟量变送器等。它们的主要作用是将梳棉机的模拟信号变送为PLC或工控机能识别的数据，进而进行数据计算、处理及存储显示等。

(3)PLC的选用。这一发展阶段梳棉机电气控制系统中一般选用的PLC有西门子S7-200、S7-300、S7-1200、S7-1500系列等。 三菱PLC一般选用FX3U、FX5U和FX3SA系列。国产的有台达的ES2系列、信捷XC2系列等。选用PLC的目的主要是为降低成本和提高可靠性从而满足梳棉机的各项控制要求。

(4)触摸屏的选用。触摸屏有西门子smart系列、三菱触摸屏人机界面 GS系列以及我国的昆仑通泰、信捷等厂家生产的HMI组态屏。一般采用7寸组态屏比较常见，如FA201型梳棉机。

(5)驱动器一般采用步进电机驱动器、交流伺服驱动器、直流伺服驱动器及交流电机变频器等。对于大功率需要调速的梳棉机锡林电机均采用变频器驱动三相变频电机来完成。

(6)执行元件有步进电机、交流三相电机、气阀、电磁离合器等。执行元件为梳棉机提供动力、执行动作等功能。

这种控制方式典型的梳棉机机型如FA203C型，如图2所示。它的自调匀整系统就是采用昆仑通泰7寸组态屏和西门子S7-200相结合的控制方式，稳定性和可靠性非常突出。

1.3 电子计算机系统控制阶段

随着电子计算机的应用与发展，单片机和PLC在梳棉机控制与计算方面得到广泛应用，电子计算机技术开始融合到梳棉机的电气控制系统中。

(1)优化设定系统T-CON

在梳棉机生产过程中有时候需要测量和计算梳理的实际隔距，包括锡林与刺辊、固定盖板和除尘刀与锡林的隔距，锡林与活动盖板隔距等。德国特吕茨勒公司研制的TC06型、TC07型和TC11型梳棉机上，加装了最优化设定系统T-CON。该系统能充分发挥每个梳理元件的梳理效能，并能保护针布免受物理损伤。如检测到针布有细微接触会立即停车，在保证不碰针的情况下可大大提高梳棉效率[3]。

(2)在线监测技术

自调匀整的在线监测控制。利用棉层位移传感器和棉层厚度传感器在线检测棉层厚度，通过计算和变频控制，使其达到很好的均匀程度，完成生条重量不均匀度的控制。

生条棉结含量检测。将棉结杂质传感器安置在道夫下方，测量棉结杂质大小和杂质数量，检测的数据通过变送器送入PLC及触摸屏中显示和存储。如德国特莒茨勒公司TC03型梳棉机棉结检测装置TC-NCT可随时检测报告棉结动态，并可监控原料变化及生产运转状态。

锡林盖板隔距检测系统。锡林盖板的隔距如果人工调整的话，会在左右两侧产生较大差异，影响梳理和生条质量。盖板隔距测量调整系统能很好地解决上述问题。如DK903及新一代TC系列梳棉机 FLATCONTROL FCT盖板隔距测量系统、PFS精确调盖板隔距系统可以自动测量校正盖板隔距，减少人为差异[4-5]。

喂棉厚点及金属杂质在线检测。棉层原料中若有大的杂质会损伤针布造成机械故障。利用霍尔传感器可在线识别出棉层原料中的金属物，提前利用执行机构清除和处理，以免造成机械故障。

给棉罗拉棉层在线检测调整。利用调整给棉罗拉速度和棉层横向喂给量，进而调整筵棉横向不匀度。一般采用将棉层引入到喂棉罗拉及刺辊转移器，经弹簧传感器等元件来完成控制。如德国DK803、DK903梳棉机在喂入板下加装移动组合式给棉装置Sensofeed[5]。

在线定位控制系统。在梳棉机盖板与锡林之间的针布间隙加装梳理力传感器[6]，通过控制系统实现在线测量和控制梳理隔距。自动在线测量棉结数量、梳理隔距和梳理力，实现对梳棉生产的在线调节和控制。这套在线定位控制系统在德国TC06型、TC07和 TC11型梳棉机上均有使用[7]。

(3)联网监控技术

梳棉机的各项参数、数据的采集、分析计算、工艺参数显示调整、执行机构的控制、远程数据的接收和发送均离不开网络监控技术。联网监控系统包括现场控制主机、通讯接口、网络交换设备及工业以太网接口等。自调匀整装置、调节器、各类传感器等装数据的采集后利用RS485协议送入PLC储存，然后再将PLC数据经由工业以太网送入控制主机，完成一系列的工艺分析及计算、显示以及回传反馈给PLC进行调整控制。

(4)总线技术

CAN总线技术已经非常成熟，被应用于机械、化工、纺织、医疗及各个行业。梳棉机采用CAN总线技术，可以使多台HMI和多PLC以及各类传感器、控制器、驱动器紧密地连接起来，成为一个控制网络总体，使其具备传递数据快速、控制稳定、响应快、效率高的特点，为今后梳棉机集成化生产提供有利的传输保障。工业总线、工业以太网等迅速发展，为梳棉机工业数据传输提供了有利条件。

2 梳棉机电气控制未来发展趋势

随着传感器技术的日益成熟、网络技术在工业生产中的普及以及信息化技术和5G传输技术的迅猛发展，笔者认为近几年内必将引起新一轮的纺织行业的电气化、自动化和信息化的工业革命。梳棉机的电气控制系统将由云组态、云服务、云计算以及集成控制系统通过物联网技术来完成智能化、科学化智能控制和生产管理。

2.1 云组态

由于SCADA市场和MES市场的扩大，厂级化管理已成为趋势，使得组态软件受到热捧。云组态可以使用多种通用MQTT、socket通讯(TCP、UDP)、HTTP等标准通讯方式进行通信。可使用Modbus RTU、Modbus TCP等协议将梳棉机的各个传感器检测量发送到云服务器的数据库中。系统提供标准的通讯接口服务可与云平台对接，利用联网的PC或手机APP即可监控梳棉机各部分的运行状况、生条质量情况及生产状况等，也可以远程操控梳棉机进行开机、停车、报警等操控。云平台对于来自远端的梳棉机传感器检测数据、PLC控制状态、生产信息等有着很好的数据支持，为远程监控提供数据参考。

2.2 云服务

云服务可将采集的数据进行分析，可提供远程专家级的工业生产及设备故障诊断服务，通过远程调整工艺参数，汇同科研人员协同完成新工艺设计，满足不同条件下纤维的梳理需求。

2.3 云计算

将检测数据和自调匀整系统以及其他需要复杂闭环控制计算采集传输上云，利用云计算和大数据分析后的结果回传给梳棉机，保证各项参数的优化与均匀性。采用优化的方式在线升级算法和优化控制，完成本地梳棉机不能完成的计算和统计工作。

2.4 集成控制

如图3所示，集成化控制是指工厂数据由采集到控制及设备驱动的控制方案。它能提升整个系统整体性能，提高生产效率和产能，提升规模生产的质量控制，缩短供应链，减少人员，降低生产运营成本。梳棉机现场层面，将梳棉机整体中有关产品性能的因素利用现代传感器采集送入控制中心PLC或控制系统，并将数据通过协议网关汇入工厂级汇聚设备进而传输到工业互联网云平台和工厂参数化控制中心。同时梳棉机现场层还将运算后的数据回传给控制器，驱动执行器来完成产品质量的调控(如在线自调匀整、隔距在线调整等)。参数化数据层是由各个服务器群、工程师站、操作站等组成，主要完成梳棉机参数数据的处理、汇总、计算以及存储显示等。云控制层主要由工业互联网平台、数据服务器、计算机辅助工艺设计(CAPP)、企业资源计划系统(ERP)、客户关系管理系统(CRM)、产品生命周期管理(PLM)等组成。此外还包括工业APP、企业门户、企业可视化窗口等。有了这些信息化管理系统，可以有效地提高生产效率和生产需求，使得企业达到利益最大化，更加优化产能结构。

3 结语

自动化控制技术、在线监测技术、网络技术以及通信技术的迅猛发展，使纺织工业中机械设备的自动化、智能化程度有了很大提高，相信未来纺织工业特别是梳棉机高产高效能的发展必将走向成熟。电气控制功能数字化与工业管理集成化、网络化已经成为未来梳棉机发展趋势。在保证有效的权限管理和网络安全的前提下，梳棉机的数字化控制管理可以最大地提高生产效率和生产能力，让整个梳理行业迈上一个新台阶。