基于臺達產(chǎn)品的針刺無紡布生產(chǎn)線集成應(yīng)用
摘 要：本文主要論述臺達機電產(chǎn)品在針刺型無紡布生產(chǎn)線上的系統(tǒng)集成應(yīng)用原理。項目展示了同構(gòu)平臺機電自動化產(chǎn)品的系統(tǒng)集成優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：針刺機；變頻器；人機界面；PLC
1 引言
無紡布在發(fā)達國家的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)甚至土建工程和醫(yī)療衛(wèi)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(chǎn)線設(shè)備，有了現(xiàn)代意義上的無紡布生產(chǎn)能力。根據(jù)機電工程的理念，現(xiàn)代無紡布是典型的高新自動化設(shè)備密集型產(chǎn)業(yè)。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(chǎn)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(diào)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(chǎn)能單班生產(chǎn)員工僅40人，擁有亞洲最先進的水刺型無紡布研發(fā)與生產(chǎn)能力。
無紡布的紡織工程學(xué)名叫做非織造布。非織造布工藝完全不同于傳統(tǒng)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(chǎn)線上直接實現(xiàn)從纖維到成布的連續(xù)加工過程。非織造布生產(chǎn)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(jié)合制成的水平纏結(jié)薄片、纖維網(wǎng)或絮墊，經(jīng)過針刺機組在垂直布面方向纏結(jié)成布。因為沒有傳統(tǒng)意義的紡紗織布過程，所以叫做無紡布。
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(jīng)能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計數(shù)器、人機界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，已經(jīng)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(yè)是一家以生產(chǎn)無紡布機械為主的企業(yè)，與中達電通已有多年合作，對臺達產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)的針刺機組生產(chǎn)線為例，簡要闡述臺達機電產(chǎn)品的整合應(yīng)用及其優(yōu)點。
3 自動化系統(tǒng)集成規(guī)劃
3.1 總體技術(shù)路線
（1）PLC的存儲容量和處理速度。整條生產(chǎn)線而言，數(shù)據(jù)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(chǎn)的穩(wěn)定性。
（2）針刺生產(chǎn)線的布局和設(shè)備操作。各機臺是分散的，集中一地操作會為生產(chǎn)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(shè)備組合方式。通常一條完整的生產(chǎn)線用戶會采購生產(chǎn)設(shè)備廠家性能或價格有優(yōu)勢的產(chǎn)品，或根據(jù)自身生產(chǎn)的產(chǎn)品采用不同的設(shè)備組合，故每條生產(chǎn)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(tǒng)性能，本系統(tǒng)按照單機設(shè)計、自由組合方式設(shè)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(lián)機接口，不同需求用戶組成生產(chǎn)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(nèi)容僅在總控制器部分。
3.2 人機界面設(shè)計
操作界面主要實現(xiàn)對針刺、進料、出料、剝網(wǎng)、托網(wǎng)及機臺間通訊進行監(jiān)控操作。單機界面設(shè)計分五部分：啟動畫面，主畫面，參數(shù)設(shè)定畫面，手動操作畫面，配方畫面和幫助畫面。在設(shè)計用戶界面之前，須根據(jù)控制方案設(shè)計模組參數(shù)相關(guān)內(nèi)容，一是控制器選擇和控制區(qū)設(shè)定：控制器使用DELTA CONTROLLER ASCII，控制區(qū)長度設(shè)為8；二是通訊方式和通訊口設(shè)定，DOP-AE提供一個RS232口和兩個RS485口（或一個RS422口），設(shè)計時只要在模組參數(shù)設(shè)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(shè)計。
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(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)線相鄰設(shè)備的連接狀況，故設(shè)計上主畫面分三部分：數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)；換頁區(qū)；控制區(qū)。數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)監(jiān)控各工藝動作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，包括針刺次數(shù)、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(shù)在授權(quán)的情況下能清除當前值,在針刺時間或針刺次數(shù)到達設(shè)定值后系統(tǒng)將彈出換針提示；換頁區(qū)完成各頁面切換,用戶可根據(jù)需要直接切換到相應(yīng)頁面進行操作；手動操作控制區(qū)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(tǒng)將按照已設(shè)定的頻率繼續(xù)運行，運行狀態(tài)下可實時調(diào)整針刺頻率。在聯(lián)動狀態(tài)，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(lián)動狀態(tài)，用戶可以手動單獨更改針刺頻率和進出料速度（即牽伸比）。
（2）參數(shù)設(shè)定畫面參見圖7。出于數(shù)據(jù)的安全性及程序的兼容性考慮，參數(shù)設(shè)定界面列出了用戶參數(shù)和廠家參數(shù)，因而參數(shù)設(shè)定需要等級密碼驗證進入，不同授權(quán)等級的用戶僅可以修改授權(quán)范圍內(nèi)的參數(shù)。最高級用戶可以隨時修改各等級授權(quán)密碼。
3.3 人機宏程序規(guī)劃與設(shè)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(wù)接受指令并處理、顯示狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，為變頻器和主人機傳遞數(shù)據(jù)、保存用戶數(shù)據(jù)。DOP系列人機提供了完善的宏處理指令，程序設(shè)計時可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)算術(shù)或邏輯處理，本系統(tǒng)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(tǒng)資源。
按照系統(tǒng)功能完成輸入輸出點規(guī)劃后的工作就是程序設(shè)計。整條生產(chǎn)來講，基本功能是快速處理速度信息并實現(xiàn)速度跟隨，根據(jù)目前PLC的性能和已構(gòu)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(xiàn)。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(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)。保護變量有針刺次數(shù)(C)、針刺時間(t)、托網(wǎng)位置上限(TSL)、托網(wǎng)位置下限(TXL)、托網(wǎng)位置上限(BSL)和剝網(wǎng)位置下限(BXL)。為了便于維護，程序結(jié)構(gòu)上以主程序調(diào)用子程序形式編寫，分為針刺運算子程序（P0），托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序（P1），保護子程序（P2），數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）及動作執(zhí)行子程序（P4）。主程序部分包含程序初始化、子程序調(diào)用和解讀總控制器發(fā)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(fā)出本地速度指令還是外部模擬量速度指令，速度信息經(jīng)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(jù)用戶輸入或前級針刺機輸出的速度變量執(zhí)行運算，得出針刺機需要運行的針刺頻率并轉(zhuǎn)換為給變頻器的給定頻率f：
托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序(P1)算法是根據(jù)固定的動程分別與采樣值運算，得出托網(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)，T和B與限位值比較后給出判斷結(jié)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(tǒng)計系統(tǒng)信息，對各狀態(tài)作出是停機或是提示動作。
數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）：收集并歸類本地信息以供人機快速調(diào)用。
動作執(zhí)行子程序（P4）：輸出處理結(jié)果。
5 結(jié)束語
異構(gòu)自動化平臺在大系統(tǒng)集成工程中的信息整合困難越來越成為現(xiàn)代制造工程的技術(shù)瓶頸。臺達機電產(chǎn)品的在同一工程的同構(gòu)化集成能力，無論是在企業(yè)建設(shè)階段還是在投產(chǎn)后的長遠發(fā)展階段，都有顯而易見的技術(shù)優(yōu)勢。伴隨臺達機電產(chǎn)品的豐富與發(fā)展，功能的不斷提高，面對客戶對整體服務(wù)的需求，產(chǎn)品擁有廣闊長遠的市場拓展空間。
關(guān)鍵詞：針刺機；變頻器；人機界面；PLC
1 引言
無紡布在發(fā)達國家的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)甚至土建工程和醫(yī)療衛(wèi)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(chǎn)線設(shè)備，有了現(xiàn)代意義上的無紡布生產(chǎn)能力。根據(jù)機電工程的理念，現(xiàn)代無紡布是典型的高新自動化設(shè)備密集型產(chǎn)業(yè)。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(chǎn)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(diào)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(chǎn)能單班生產(chǎn)員工僅40人，擁有亞洲最先進的水刺型無紡布研發(fā)與生產(chǎn)能力。
無紡布的紡織工程學(xué)名叫做非織造布。非織造布工藝完全不同于傳統(tǒng)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(chǎn)線上直接實現(xiàn)從纖維到成布的連續(xù)加工過程。非織造布生產(chǎn)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(jié)合制成的水平纏結(jié)薄片、纖維網(wǎng)或絮墊，經(jīng)過針刺機組在垂直布面方向纏結(jié)成布。因為沒有傳統(tǒng)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
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(jīng)能為客戶提供PLC控制器、溫度控制器、計數(shù)器、人機界面、變頻驅(qū)動器、伺服驅(qū)動器、數(shù)控系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品，已經(jīng)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(yè)是一家以生產(chǎn)無紡布機械為主的企業(yè)，與中達電通已有多年合作，對臺達產(chǎn)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(yè)生產(chǎn)的針刺機組生產(chǎn)線為例，簡要闡述臺達機電產(chǎn)品的整合應(yīng)用及其優(yōu)點。
3 自動化系統(tǒng)集成規(guī)劃
3.1 總體技術(shù)路線
（1）PLC的存儲容量和處理速度。整條生產(chǎn)線而言，數(shù)據(jù)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(chǎn)的穩(wěn)定性。
（2）針刺生產(chǎn)線的布局和設(shè)備操作。各機臺是分散的，集中一地操作會為生產(chǎn)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(shè)備組合方式。通常一條完整的生產(chǎn)線用戶會采購生產(chǎn)設(shè)備廠家性能或價格有優(yōu)勢的產(chǎn)品，或根據(jù)自身生產(chǎn)的產(chǎn)品采用不同的設(shè)備組合，故每條生產(chǎn)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(tǒng)性能，本系統(tǒng)按照單機設(shè)計、自由組合方式設(shè)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(lián)機接口，不同需求用戶組成生產(chǎn)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(nèi)容僅在總控制器部分。
圖2 人機與PLC連接采用RS232方式
圖3 人機與PLC連接采用RS485方式
3.2 人機界面設(shè)計
操作界面主要實現(xiàn)對針刺、進料、出料、剝網(wǎng)、托網(wǎng)及機臺間通訊進行監(jiān)控操作。單機界面設(shè)計分五部分：啟動畫面，主畫面，參數(shù)設(shè)定畫面，手動操作畫面，配方畫面和幫助畫面。在設(shè)計用戶界面之前，須根據(jù)控制方案設(shè)計模組參數(shù)相關(guān)內(nèi)容，一是控制器選擇和控制區(qū)設(shè)定：控制器使用DELTA CONTROLLER ASCII，控制區(qū)長度設(shè)為8；二是通訊方式和通訊口設(shè)定，DOP-AE提供一個RS232口和兩個RS485口（或一個RS422口），設(shè)計時只要在模組參數(shù)設(shè)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(shè)計。
圖5 單機主畫面
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(tài)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)線相鄰設(shè)備的連接狀況，故設(shè)計上主畫面分三部分：數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)；換頁區(qū)；控制區(qū)。數(shù)據(jù)及狀態(tài)監(jiān)控區(qū)監(jiān)控各工藝動作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，包括針刺次數(shù)、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(shù)在授權(quán)的情況下能清除當前值,在針刺時間或針刺次數(shù)到達設(shè)定值后系統(tǒng)將彈出換針提示；換頁區(qū)完成各頁面切換,用戶可根據(jù)需要直接切換到相應(yīng)頁面進行操作；手動操作控制區(qū)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(tǒng)將按照已設(shè)定的頻率繼續(xù)運行，運行狀態(tài)下可實時調(diào)整針刺頻率。在聯(lián)動狀態(tài)，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(lián)動狀態(tài)，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
（2）參數(shù)設(shè)定畫面參見圖7。出于數(shù)據(jù)的安全性及程序的兼容性考慮，參數(shù)設(shè)定界面列出了用戶參數(shù)和廠家參數(shù)，因而參數(shù)設(shè)定需要等級密碼驗證進入，不同授權(quán)等級的用戶僅可以修改授權(quán)范圍內(nèi)的參數(shù)。最高級用戶可以隨時修改各等級授權(quán)密碼。
圖7 參數(shù)設(shè)定畫面
圖8 手動畫面
3.3 人機宏程序規(guī)劃與設(shè)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(wù)接受指令并處理、顯示狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，為變頻器和主人機傳遞數(shù)據(jù)、保存用戶數(shù)據(jù)。DOP系列人機提供了完善的宏處理指令，程序設(shè)計時可以根據(jù)需要對數(shù)據(jù)算術(shù)或邏輯處理，本系統(tǒng)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(tǒng)資源。
圖11a 本機人機CLOCK宏
圖11b 總控制人機CLOCK宏收集系統(tǒng)信息
按照系統(tǒng)功能完成輸入輸出點規(guī)劃后的工作就是程序設(shè)計。整條生產(chǎn)來講，基本功能是快速處理速度信息并實現(xiàn)速度跟隨，根據(jù)目前PLC的性能和已構(gòu)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(xiàn)。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(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)。保護變量有針刺次數(shù)(C)、針刺時間(t)、托網(wǎng)位置上限(TSL)、托網(wǎng)位置下限(TXL)、托網(wǎng)位置上限(BSL)和剝網(wǎng)位置下限(BXL)。為了便于維護，程序結(jié)構(gòu)上以主程序調(diào)用子程序形式編寫，分為針刺運算子程序（P0），托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序（P1），保護子程序（P2），數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）及動作執(zhí)行子程序（P4）。主程序部分包含程序初始化、子程序調(diào)用和解讀總控制器發(fā)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(fā)出本地速度指令還是外部模擬量速度指令，速度信息經(jīng)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(jù)用戶輸入或前級針刺機輸出的速度變量執(zhí)行運算，得出針刺機需要運行的針刺頻率并轉(zhuǎn)換為給變頻器的給定頻率f：
托網(wǎng)剝網(wǎng)運算子程序(P1)算法是根據(jù)固定的動程分別與采樣值運算，得出托網(wǎng)位置(T)和剝網(wǎng)位置(B)，T和B與限位值比較后給出判斷結(jié)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(tǒng)計系統(tǒng)信息，對各狀態(tài)作出是停機或是提示動作。
數(shù)據(jù)上傳子程序（P3）：收集并歸類本地信息以供人機快速調(diào)用。
動作執(zhí)行子程序（P4）：輸出處理結(jié)果。
5 結(jié)束語
異構(gòu)自動化平臺在大系統(tǒng)集成工程中的信息整合困難越來越成為現(xiàn)代制造工程的技術(shù)瓶頸。臺達機電產(chǎn)品的在同一工程的同構(gòu)化集成能力，無論是在企業(yè)建設(shè)階段還是在投產(chǎn)后的長遠發(fā)展階段，都有顯而易見的技術(shù)優(yōu)勢。伴隨臺達機電產(chǎn)品的豐富與發(fā)展，功能的不斷提高，面對客戶對整體服務(wù)的需求，產(chǎn)品擁有廣闊長遠的市場拓展空間。
本文標簽：基于臺達產(chǎn)品的針刺無紡布生產(chǎn)線集成應(yīng)用
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