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【摘 要】综述了 PLC、 变频调速在纺织中如空调器、 粗纱机、 细纱机等应用的情况， 对今后的发展作了展望。
【关键词】PLC；纺织机械；变频调速
为缩短我国纺织企业装备水平与国外的差距，部分纺织厂家在一些关键工序引进了国外设备，这些设备在生产效率、自动化程度和生产质量等方面要明显优于传统国产设备，但价格昂贵、维修不便等因素制约了其在国内大部分中小企业的普及。随着我国纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，越来越多的纺织企业趋向于选择性价比更高的国产纺织机械产品，而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和PLC控制。
一、PLC的应用
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化、化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，还存在大量以开关量为主的开环的顺序控制，特别是在制造工业中另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的）离散量的数据采集监视。由于PLC的高性能和高可靠性，所以成为了取代继电器线路和进行顺序控制的最佳替代品。
1.1PLC在纺织设备上的普及应用
在纺织生产中的清花、梳棉、并条、精梳、粗纱、络筒、并纱、捻线、整经、浆纱、织布等几乎所有工序都已采用了PLC。纺织设备上用的PLC，其I/O点数范围一般在8～1024点，约85%以上为8～112点。纺织设备上PLC的年需用量也在逐年大幅度递增，据统计，2002年约24000台，比2000年增长33%。
1.2PLC的硬件PLC控制器的硬件采用积木式结构，各厂家的产品大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其他槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母
板，其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站。
1.3PLC的软件
为了完成控制策略，替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。
二、变频调速
2.1交流变频调速的特点
变频器控制的纺织机械的交流电机主要有两类：一类是常用的Y系列的交流异步电机，这种电机主要应用于调速精度要求不高、调速范围不大的纺机上；而另一类为交流变频调速专用异步电机。主要用于调速精度要求高、调速范围大的机器上。下面介绍一下不同形式的变频器。
2.1.1用变频器开环控制异步电机调速称为V/F形式。这种方式电路简单、可靠。但调速范围在10B1以内，调速精度较低，为2%～5%，并且低速性能不理想。因此多用于针织机或要求不高的纺织机械上。
2.1.2采用无速度传感器矢量控制变频器。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故将会导致输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相）二相变换，等效成两相
静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制由于其有优良的低速特性，电路结构简单，可靠性高，同时还具有较好的加减特性、转矩特性以及电流限制特性等，调速精度可达0.5%～1.0%。调速范围在20B1范围以内。故较适合印染机械的调速等。
2.1.3采用带速度反馈的矢量变频控制异步电机，闭环变频调速，又称交流伺服电机。调速范围可达100B1。为了提高变频器开关频率，应用功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）取代一般的大功率管（GTR）。可实现高频响应、高精度、智能化。适用于调速要求较高且恒张力、恒线速的分条整经机、浆纱机、热定型机以及化纤长丝纺纱设备等。
2.2交流变频技术的应用
2.2.1减少功耗降低成本
纺织厂离不开空调设备。空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高10%～15%。为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM十PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高。当空调电机使用变频调速器控制后，降低了功耗，大大节省了用电支出。据某公司提供的数据，其使用变频空调后用电单耗平均下降了6%～7%。
2.2.2简化了机构，提高了性能
2.2.2.1粗纱机采用交流变频调速后，去掉了锥轮变速机构，克服了因锥轮变速皮带打滑而导致的变速不准的问题，从而拓展了粗纱机在产品开发中的应用途径。（1）生产大肚纱。目前国外在发展短而粗的大肚纱，这种大肚纱一般毛型长纤维做不到这样短，而棉纺设备就有这种条件，现在有些棉纺厂为了生产这种大肚纱只能在细纱机上纺成等距离的大肚纱，然后把两根大肚纱合并使大肚纱重合来增加大肚纱的粗度，如在粗纱机上生产大肚纱，就可一次纺成。毛纺行业已经在B465粗纱机上纺制大肚纱。（2）生产粗支纱。随着家居装饰的发展，家用纺织品的需求量增加很快，这类织物要求粗犷厚实，所以纬纱用得较粗，一般在1000～500tex，这样粗的纱普通细纱机或气流纺均无法纺制，所以目前浙江临平、许村装饰布市场均用花式捻线机纺制，产量低，工艺繁复，质量上不去。如果对粗纱机适当加以改造，增加捻度或增加一根包线，不但产量高，卷装大，而且质量稳定。（3）改造成合股机。目前针织行业的产品中很多使用多股纱低捻度合并，它的优点是可以多种原料或多种不同结构的纱线组合，生产出特种纱线。章种纱线目前大都在带环锭的花式捻线机上生产，如果把粗纱机适当改造就能生产这种纱线。 2.2.2.2细纱机的改造
对细纱机适当加以改造就是环锭花式捻线机，上世纪80年代安徽广德纺机厂把H1293细纱机改造成为WGH）II型花式捻线机，目前国内还有数百台在生产，就目前细纱机的改造我们认为有以下用途：（1）生产竹节纱。目前各厂在改造设备方面已经有了成熟经验，有用前罗拉变速或中后罗拉超喂；传动有伺服电动机，有步进电动机，也有用离合器。这里就不再作介绍了。（2）生产包芯纱。涤纶或锦纶包芯纱，用1根涤纶长丝在前罗拉后面喂入，外包棉纤维，用这种纱作经纬纱织成布之后用做烂花织物是当前时装的上等面料。也可用1根高强涤纶线或锦纶丝外包30%～50%的棉纤维，经过适当处理，用做高速缝线。因为涤纶或锦纶长丝做缝线在高速通过缝针眼时易发热软化造成断线，包棉纤维后就可以解决这一问题。另外，也可用这种纱织成高强帆布，利用棉与橡胶有很好的粘着力，上橡胶后做成高强运输带，这些均是国外的成熟经验。（3）生产纱线型花式线。在普通细纱机上只要利用1根前罗拉和1根后罗拉就能生产纱线型花式线，如波形线、毛巾线、结子线、毛虫线等传统花式线。近年来花式线在机织物中的应捻线机由于锭距大（150mm），每台机锭数少（一般每台100锭左右），只适用于纺中粗支花式线1～15Nm（1000～69tex），利用细纱机改造正好满足生产细支花式线的要求，例如今年利用细纱机改造生产的结子线就供不应求，上世纪90年代在湖南长沙苎麻研究所改造3台A513细纱机，收到了很好效果。（4）细纱机加装芯线罗拉生产纤维型花式线。把送氨纶丝的二根罗拉适当靠拢，上面加一个压辊，就可作为芯线罗拉，仍用前罗拉传动，但速比必须改小，前罗拉与芯线罗拉喂送比：生产波形线时可在1.05：1～1.2：1这间，生产波形线时速比大约1.1：1～2：1之间选择，生产毛巾线或圈圈线时速比可1.6：1～2：1之间选择。（5）改成双根粗纱喂入的细纱机。能生产双色（或双组分）竹节纱，也能生产断彩纱（即在一根纱上有一段段的间隔送入另一种有色纤维，这种机构较繁琐但产品变化多，市场前景好）。就目前细纱机的改造而言，我们认为有以下用途：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，使细纱卷形状良好，为下道工序的高速退绕创造了条件。同时利用变频调速器控制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相应变化，可以减少纱的断头率。
结语
通用自动化装置，特别是PLC在国产纺机上的广泛应用，提高了国产纺机的机电一体化水平，缩小了与国外设备的差距，但还远没有形成产业规模。在中国加入WTO之后，多数企业面临一个重新认识环境和自我重新定位的过程。大家应充分利用国际国内个别企业的成果，根据自身的优势，与应用行业相结合，走专业化服务的发展道路。一些致力于发展自主品牌产品或系统的企业，要在质量、成本和市场上下大功夫，迅速扩大规模，力争早日达到国际先进水平。
参考文献：
[1]陈在平，赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].广州：华南理工大学出版社，1997.
[3]王卫兵，等.可编程序控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1997.
[4]李乃夫.可编程控制器原理及应用[M].北京：中国轻工业出版社，2002.
[5]变频器器使用说明书（SAMCO-I使用说明书、富士使用说明书、M420/M440使用说明书、DANFASS使用说明书等）.
【关键词】PLC；纺织机械；变频调速
为缩短我国纺织企业装备水平与国外的差距，部分纺织厂家在一些关键工序引进了国外设备，这些设备在生产效率、自动化程度和生产质量等方面要明显优于传统国产设备，但价格昂贵、维修不便等因素制约了其在国内大部分中小企业的普及。随着我国纺织机械机电一体化技术水平的不断提高，越来越多的纺织企业趋向于选择性价比更高的国产纺织机械产品，而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和PLC控制。
一、PLC的应用
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化、化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，还存在大量以开关量为主的开环的顺序控制，特别是在制造工业中另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的）离散量的数据采集监视。由于PLC的高性能和高可靠性，所以成为了取代继电器线路和进行顺序控制的最佳替代品。
1.1PLC在纺织设备上的普及应用
在纺织生产中的清花、梳棉、并条、精梳、粗纱、络筒、并纱、捻线、整经、浆纱、织布等几乎所有工序都已采用了PLC。纺织设备上用的PLC，其I/O点数范围一般在8～1024点，约85%以上为8～112点。纺织设备上PLC的年需用量也在逐年大幅度递增，据统计，2002年约24000台，比2000年增长33%。
1.2PLC的硬件PLC控制器的硬件采用积木式结构，各厂家的产品大同小异。以日本欧姆龙C200HE为例，为总线模板框式结构，基本框架（CPU母板）上装有CPU模板，其他槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母
板，其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站。
1.3PLC的软件
为了完成控制策略，替代继电器，使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块（或子程序），称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用。
二、变频调速
2.1交流变频调速的特点
变频器控制的纺织机械的交流电机主要有两类：一类是常用的Y系列的交流异步电机，这种电机主要应用于调速精度要求不高、调速范围不大的纺机上；而另一类为交流变频调速专用异步电机。主要用于调速精度要求高、调速范围大的机器上。下面介绍一下不同形式的变频器。
2.1.1用变频器开环控制异步电机调速称为V/F形式。这种方式电路简单、可靠。但调速范围在10B1以内，调速精度较低，为2%～5%，并且低速性能不理想。因此多用于针织机或要求不高的纺织机械上。
2.1.2采用无速度传感器矢量控制变频器。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故将会导致输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相）二相变换，等效成两相
静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制由于其有优良的低速特性，电路结构简单，可靠性高，同时还具有较好的加减特性、转矩特性以及电流限制特性等，调速精度可达0.5%～1.0%。调速范围在20B1范围以内。故较适合印染机械的调速等。
2.1.3采用带速度反馈的矢量变频控制异步电机，闭环变频调速，又称交流伺服电机。调速范围可达100B1。为了提高变频器开关频率，应用功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）取代一般的大功率管（GTR）。可实现高频响应、高精度、智能化。适用于调速要求较高且恒张力、恒线速的分条整经机、浆纱机、热定型机以及化纤长丝纺纱设备等。
2.2交流变频技术的应用
2.2.1减少功耗降低成本
纺织厂离不开空调设备。空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高10%～15%。为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM十PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持U/f为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWA4控制时有较大幅度的提高。当空调电机使用变频调速器控制后，降低了功耗，大大节省了用电支出。据某公司提供的数据，其使用变频空调后用电单耗平均下降了6%～7%。
2.2.2简化了机构，提高了性能
2.2.2.1粗纱机采用交流变频调速后，去掉了锥轮变速机构，克服了因锥轮变速皮带打滑而导致的变速不准的问题，从而拓展了粗纱机在产品开发中的应用途径。（1）生产大肚纱。目前国外在发展短而粗的大肚纱，这种大肚纱一般毛型长纤维做不到这样短，而棉纺设备就有这种条件，现在有些棉纺厂为了生产这种大肚纱只能在细纱机上纺成等距离的大肚纱，然后把两根大肚纱合并使大肚纱重合来增加大肚纱的粗度，如在粗纱机上生产大肚纱，就可一次纺成。毛纺行业已经在B465粗纱机上纺制大肚纱。（2）生产粗支纱。随着家居装饰的发展，家用纺织品的需求量增加很快，这类织物要求粗犷厚实，所以纬纱用得较粗，一般在1000～500tex，这样粗的纱普通细纱机或气流纺均无法纺制，所以目前浙江临平、许村装饰布市场均用花式捻线机纺制，产量低，工艺繁复，质量上不去。如果对粗纱机适当加以改造，增加捻度或增加一根包线，不但产量高，卷装大，而且质量稳定。（3）改造成合股机。目前针织行业的产品中很多使用多股纱低捻度合并，它的优点是可以多种原料或多种不同结构的纱线组合，生产出特种纱线。章种纱线目前大都在带环锭的花式捻线机上生产，如果把粗纱机适当改造就能生产这种纱线。 2.2.2.2细纱机的改造
对细纱机适当加以改造就是环锭花式捻线机，上世纪80年代安徽广德纺机厂把H1293细纱机改造成为WGH）II型花式捻线机，目前国内还有数百台在生产，就目前细纱机的改造我们认为有以下用途：（1）生产竹节纱。目前各厂在改造设备方面已经有了成熟经验，有用前罗拉变速或中后罗拉超喂；传动有伺服电动机，有步进电动机，也有用离合器。这里就不再作介绍了。（2）生产包芯纱。涤纶或锦纶包芯纱，用1根涤纶长丝在前罗拉后面喂入，外包棉纤维，用这种纱作经纬纱织成布之后用做烂花织物是当前时装的上等面料。也可用1根高强涤纶线或锦纶丝外包30%～50%的棉纤维，经过适当处理，用做高速缝线。因为涤纶或锦纶长丝做缝线在高速通过缝针眼时易发热软化造成断线，包棉纤维后就可以解决这一问题。另外，也可用这种纱织成高强帆布，利用棉与橡胶有很好的粘着力，上橡胶后做成高强运输带，这些均是国外的成熟经验。（3）生产纱线型花式线。在普通细纱机上只要利用1根前罗拉和1根后罗拉就能生产纱线型花式线，如波形线、毛巾线、结子线、毛虫线等传统花式线。近年来花式线在机织物中的应捻线机由于锭距大（150mm），每台机锭数少（一般每台100锭左右），只适用于纺中粗支花式线1～15Nm（1000～69tex），利用细纱机改造正好满足生产细支花式线的要求，例如今年利用细纱机改造生产的结子线就供不应求，上世纪90年代在湖南长沙苎麻研究所改造3台A513细纱机，收到了很好效果。（4）细纱机加装芯线罗拉生产纤维型花式线。把送氨纶丝的二根罗拉适当靠拢，上面加一个压辊，就可作为芯线罗拉，仍用前罗拉传动，但速比必须改小，前罗拉与芯线罗拉喂送比：生产波形线时可在1.05：1～1.2：1这间，生产波形线时速比大约1.1：1～2：1之间选择，生产毛巾线或圈圈线时速比可1.6：1～2：1之间选择。（5）改成双根粗纱喂入的细纱机。能生产双色（或双组分）竹节纱，也能生产断彩纱（即在一根纱上有一段段的间隔送入另一种有色纤维，这种机构较繁琐但产品变化多，市场前景好）。就目前细纱机的改造而言，我们认为有以下用途：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，使细纱卷形状良好，为下道工序的高速退绕创造了条件。同时利用变频调速器控制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相应变化，可以减少纱的断头率。
结语
通用自动化装置，特别是PLC在国产纺机上的广泛应用，提高了国产纺机的机电一体化水平，缩小了与国外设备的差距，但还远没有形成产业规模。在中国加入WTO之后，多数企业面临一个重新认识环境和自我重新定位的过程。大家应充分利用国际国内个别企业的成果，根据自身的优势，与应用行业相结合，走专业化服务的发展道路。一些致力于发展自主品牌产品或系统的企业，要在质量、成本和市场上下大功夫，迅速扩大规模，力争早日达到国际先进水平。
参考文献：
[1]陈在平，赵相宾.可编程序控制器技术与应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]袁任光.可编程序控制器应用技术与实例[M].广州：华南理工大学出版社，1997.
[3]王卫兵，等.可编程序控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，1997.
[4]李乃夫.可编程控制器原理及应用[M].北京：中国轻工业出版社，2002.
[5]变频器器使用说明书（SAMCO-I使用说明书、富士使用说明书、M420/M440使用说明书、DANFASS使用说明书等）.