基于臺達機電產品的針刺無紡布生產線集成應用

本文主要論述臺達機電產品在針刺型無紡布生產線上的系統集成應用原理。項目展示了同構平臺機電自動化產品的系統集成優勢。
關鍵詞：針刺機；變頻器；人機界面；PLC

1 引言

無紡布在發達國家的日常生活和工業生產甚至土建工程和醫療衛生中有廣泛的用途。自從1990年開始，中國通過引進歐洲光、機、電、氣、液全自動化成套生產線設備，有了現代意義上的無紡布生產能力。根據機電工程的理念，現代無紡布是典型的高新自動化設備密集型產業。例如某上市公司自1990年開始全廠5條引進歐洲自動化生產線的PLC達到60余臺套共計3700多I/O點；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達到23臺，具有世界先進水平。5條線萬噸年產能單班生產員工僅40人，擁有亞洲最先進的水刺型無紡布研發與生產能力。
無紡布的紡織工程學名叫做非織造布。非織造布工藝完全不同于傳統的紡紗——織布過程，非織造布的最大特點是不需要紡紗過程，它的“織布”過程更加類似于造紙工藝，非織造布通常是在一條生產線上直接實現從纖維到成布的連續加工過程。非織造布生產線“吃”進去的是纖維，“吐”出來的是布。參見圖1針刺型無紡布工藝過程，定向或隨機排列的纖維通過摩擦、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、纖維網或絮墊，經過針刺機組在垂直布面方向纏結成布。因為沒有傳統意義的紡紗織布過程，所以叫做無紡布。

圖1 針刺型無紡布工藝過程

圖1中的送棉箱，開松機和氣壓棉箱是將密實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并送到鋪網機，鋪網機將送來的纖維網按照重量要求疊成多層的纖維網送往針刺機并由針刺機刺成相互結合制成的纖維薄片。無紡布生產線系統是一個看似各自獨立、但卻互相牽制的一個大系統，本文將以針刺機組為對象集成自動化針刺無紡布生產線。

2 臺達機電簡介

從最早第一臺變頻器面世，臺達機電至今已經能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計數器、人機界面、變頻驅動器、伺服驅動器、數控系統等一系列產品，已經有能力向客戶提供完善可靠的機電一體化解決方案。汕頭三輝企業是一家以生產無紡布機械為主的企業，與中達電通已有多年合作，對臺達產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生產的針刺機組生產線為例，簡要闡述臺達機電產品的整合應用及其優點。

3 自動化系統集成規劃

3.1 總體技術路線

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

（2）針刺生產線的布局和設備操作。各機臺是分散的，集中一地操作會為生產帶來不便，但假如分散操作，必須會帶來人機與PLC間的距離問題及PLC與受控單元的布線問題。

（3）設備組合方式。通常一條完整的生產線用戶會采購生產設備廠家性能或價格有優勢的產品，或根據自身生產的產品采用不同的設備組合，故每條生產線組合可能完全不同。
綜上所述，為滿足方便安裝，方便整線整合，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、每臺針刺機提供聯機接口，不同需求用戶組成生產線時控制上只要將各機臺連上控制總線即可，單機程式不須做修改，改動內容僅在總控制器部分。

圖2 人機與PLC連接采用RS232方式

臺達的驅動器、控制器及人機界面等產品均帶有RS485接口，采用通訊方式安裝方便、價格低廉，故在規劃整條生產線的控制方式時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與人機聯線使用RS232,模擬量傳遞速度信號（考慮到通訊有實時性問題），變頻器頻率由PLC通訊給定，功能端子給定命令。圖3方式，PLC與人機聯線使用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，亦即對本系統來說人機安放的范圍將很寬，更適合生產線上分布安裝，故將本系統按照圖3設計。

圖3 人機與PLC連接采用RS485方式

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能力，臺達變頻器分出多個系列產品，因VFD-B系列變頻器支持矢量閉環控制，低頻驅動能力強，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要求低速大力矩，故本系統采用性價比較高的VFD-B。人機采用具有兩個RS485的DOP-AE系列和PLC采用具有良好性價比的DVP-SA。

3.2 人機界面設計

操作界面主要實現對針刺、進料、出料、剝網、托網及機臺間通訊進行監控操作。單機界面設計分五部分：啟動畫面，主畫面，參數設定畫面，手動操作畫面，配方畫面和幫助畫面。在設計用戶界面之前，須根據控制方案設計模組參數相關內容，一是控制器選擇和控制區設定：控制器使用DELTA CONTROLLER ASCII，控制區長度設為8；二是通訊方式和通訊口設定，DOP-AE提供一個RS232口和兩個RS485口（或一個RS422口），設計時只要在模組參數設定的通訊項分別指定兩個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 單機主畫面

（1）主畫面參見圖5、圖6。

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

圖6 總屏主畫面

整線主畫面相對單機主畫面的操作具有更高的優先級，一旦整線主畫面將某一臺加入到聯動狀態，則該機臺本地操作將無效，直到解除。命令線上機臺啟停有兩種方式，一是由整線主屏發出命令并將受命機臺設為聯機狀態；另一種方式是將針刺線受命權交給前紡，針刺線處于待命狀態，這種方式以握手方式執行，即針刺線準備完成后發出就緒信號，前紡收到信號后發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。

（2）參數設定畫面參見圖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參數和廠家參數，因而參數設定需要等級密碼驗證進入，不同授權等級的用戶僅可以修改授權范圍內的參數。最高級用戶可以隨時修改各等級授權密碼。

圖7 參數設定畫面

（3）手動畫面參見圖8。手動操作目的用于調試，用戶能任意對送料輥、出料輥、針刺、托網板、剝網板和油泵等進行任意操作，不再受其他條件約束。另外，通過手動操作，亦可以使用戶通過試驗尋找合適的生產參數。

圖8 手動畫面

（4）配方畫面參見圖9。臺達DOP系列提供配方功能，提供方便好用類似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切換，用戶可以靈活從該畫面調用經驗配方、記錄當前配方或寫入生產配方。程序設計配方容量500組，每組包括針刺頻率，針刺倍頻，托網板位置，剝網板位置，入料速度。在整線聯動狀態，配方內容可以續臺下載，亦可以通過上位機進行，在使用上位機下載配方時，由于下載成功后托網板托網板將會自動校位，生產線上各機臺較為分散，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下載數據。

(5)幫助畫面參見圖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的狀態信息，PLC采樣到的變頻器狀態信息；二是機械部分信息，包括機械位置到位信息，液壓系統信息。所有這些信息用戶將在幫助畫面得到較為完善的處理指引或為廠家電話服務提供有用的信息。

3.3 人機宏程序規劃與設計

參見圖11，因為每臺針刺機相對而言是獨立工作的，人機的工作任務接受指令并處理、顯示狀態和數據信息，為變頻器和主人機傳遞數據、保存用戶數據。DOP系列人機提供了完善的宏處理指令，程序設計時可以根據需要對數據算術或邏輯處理，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規劃后的工作就是程序設計。整條生產來講，基本功能是快速處理速度信息并實現速度跟隨，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)，托網位置(T)和剝網位置(B)。保護變量有針刺次數(C)、針刺時間(t)、托網位置上限(TSL)、托網位置下限(TXL)、托網位置上限(BSL)和剝網位置下限(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，分為針刺運算子程序（P0），托網剝網運算子程序（P1），保護子程序（P2），數據上傳子程序（P3）及動作執行子程序（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，接受并發出本地速度指令還是外部模擬量速度指令，速度信息經過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：

從以上算式可以推算出f與F針頻、M針密、V出、V入、L 步進量的關系

托網剝網運算子程序(P1)算法是根據固定的動程分別與采樣值運算，得出托網位置(T)和剝網位置(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校準位置。

保護子程序（P2）：采樣或統計系統信息，對各狀態作出是停機或是提示動作。
數據上傳子程序（P3）：收集并歸類本地信息以供人機快速調用。
動作執行子程序（P4）：輸出處理結果。

5 結束語

異構自動化平臺在大系統集成工程中的信息整合困難越來越成為現代制造工程的技術瓶頸。臺達機電產品的在同一工程的同構化集成能力，無論是在企業建設階段還是在投產后的長遠發展階段，都有顯而易見的技術優勢。伴隨臺達機電產品的豐富與發展，功能的不斷提高，面對客戶對整體服務的需求，產品擁有廣闊長遠的市場拓展空間。