溢流染色机机电系统设计说明书

- 1 -1 前言1.1 课题背景及意义1.1.1 染色工艺纺织品染整加工的工序一般流程为：前处理、退浆、煮练、漂白、丝光、染色、印花和后处理等加工工序。其中染色工艺是染整过程中的重要工艺之一，关乎纺织品的品质，占有重要的地位。织物的染色过程，即染液中染料向浸入其中的织物扩散并逐渐被其纤维吸收，最终使织物形成所要求颜色的过程。具体的讲织物染色的整个过程是要求执行一条按温度与时间变化的特定工艺曲线，在工艺曲线中既要求多段不同速率的升温、降温及保温的温度控制过程，又包括进水、配料、加料、排水、洗涤等辅助工序组成的断续控制过程，并且不同织物及不同浴比对应不同的工艺曲线。在染色过程中，工作温度、辅助工序等必须精确地按照工艺曲线实施才能达到预期的染色效果，保证织物染色品质。1.1.2 染色设备染色设备种类很多，分类方式也有很多，其中按被染织物的种类不同可分为纤维染色机、纱线染色机和织物染色机；按染色方法不同分为浸染染色机、卷染染色机、轧染染色机和轧卷染色机；按运转形式不同分为间歇式染色机、连续式染色机和半连续染色机。另外根据被染织物在染色机内染色过程中的形态不同又可分为绳状染色和平幅染色两种形式。本课题的研究对象是常温常压溢流染色机，属于间歇式染色机，其加工对象为成绳状织物。1.1.3 染色控制目前染色机的控制系统主要是单机控制，多采用仪表加继电器的控制结构，但这种系统的稳定性差、人为主观因素大、染色成品率低、产品质量差、系统运行和维护的成本高，并且难以实现设备之间以及设备与外界之间的信息交换。还有很多染色机采用单片机控制，虽然对上述缺点有所改善，但它们大部分是采用低端单片机控制的，运算能力差，计算速度慢，内存容量有限，而且控制精度和实时性差。当然还有一些先进的染色厂采用 DCS（分布式控制系统）控制，但由于 DCS 采用封闭式通信网络，导致 DCS 系统的开放性不够，给系统的维护和升级带来不便，而且 DCS 成本居高不下。为了圆满解决以上问题，本次课题研究采用 PLC 构成染色机机电控制系统，使其能既满足控制要求与精度的前提下，同时又兼顾染色产品的质量、降低运营和维- 2 -护成本，保证便捷的现场操作，满足现代化大生产要求。1.2 国内外研究发展现状1967 年第一台喷射溢流染色机在瑞士巴萨尔第五届国际机械纺织展览会上展出。自此以后染色设备不断发展进步，制造水平和使用性都有很大的进步，其控制系统也是不断改善，趋于体积小巧化，功能完善化，操作智能化。但在 80 年代,染色机大部分采用仪表加继电器的控制结构，系统的稳定性差，对染液温度采用简单的温控器控制，难以保证温控精度，而喷嘴压力是用手动阀门来调节，提布辊的转速采用滑差电机或机械式无级调速器进行调速，这种控制方式人为主观因素大，能耗高，机械磨损严重，染色成品率低，产品质量不稳定，而且系统运行和维护的成本高。90 年代后，随着计算机技术广泛应用，染色机的发展很快。压力控制，温度控制，染料的配置和供给，均采用计算机控制，并有指示、报警等多项功能，有的还采用了群控，机电一体化程度很高。例如意大利的 ILIdA 公司的溢流型喷射染色机配有布速电子检测装置，溢流型织物的加速驱动装置，从而使织物上色均匀，获得良好的外观和手感。德国第斯(Thies)高温高压染色机的液压泵、提布辊均为交流变频调速传动，其中还设有全自动加料系统，布匹缝头测量系统，自动加水、进气、染液温度控制等装置，生产全过程的工艺参数和操作程序均由 T37 型计算机控制和显示，并且根据染色加工织物的不同，可以预设工艺。国外其他知名的染色机制造厂家还有意大利伊特斯(INTES)公司和德国腾(THEN)机械有限公司等，其产品各有特点，控制核心多为单板机或单片机。为赶上国际先进水平，提高染色质量，国内纺织行业也积极进行了技术改造和产品开发。最具代表性的是上海印染机械厂与香港宏信、立信公司合作生产带有PLC 的筒子染色机和射流染色机，可根据染色工艺的要求追踪升温、保温、降温曲线进行自动控制。还可进行工艺操作控制，如进水液位到时关泵、启动循环泵，加工结束待温度降到一定值后自动排液等，并设有自动报警。另外还有一些地方老字号纺织机械厂也积极研制新品染色机，相继开发出了一些适应小批量、多品种、低张力、小浴比的染色机，如邵阳纺织厂生产的高温高压喷射染色机、浙江印染机械制造公司生产的常温常压染色机、南通纺机厂生产的小批量连续轧染机等。然而国内染色机与国外相比仍有较大差距，主要表现在设备的功能和适应性较差，工艺技术水平不高。计算机在染色机上应用还处在起步阶段，不少项目是在老设备上进行技术改造，没有形成批量生产能力。目前国内大部分染整厂使用香港、台湾、意大利等国十年前生产的染色机。近年来，染整企业新增的高档染色机多半依赖进口，价格昂贵。纵观国内外染色机的发展状况，可以概括为：计算机技术已普遍应用、染色工艺智能化程度不断提高、机电一体化已经取得很大的发展、设备运行高速高效、产- 3 -品成品率和质量显著提升、单位能耗不断下降。染色机控制系统正向简单化、智能化、集成化、高可靠性、高性价比、易于扩展和通信方向发展。1.3 设计内容1.3.1 溢流染色机工作原理图 1.1 溢流染色机工作原理示意图如上图所示，溢流染色机运用溢流原理，即由主泵电机驱动循环泵，从而带动集水槽底部的染液，使其经过热交换器作用后，通过喷头喷进布置于染槽中的溢流装置内，然后顺着溢流管由上往下流入集水槽。织物在溢流装置中流动的染液的带动下和从喷头喷出的染液的冲力的共同作用下，顺着溢流管进入储布槽内，浸没在储布槽中的织物在提布辊的作用下自下而上随着提布辊的转动移动到溢流管口，如此循环运行，达到染色的目的。1.3.2 溢流染色机机电控制内容本课题是在分析溢流染色机结构和工业控制要求的基础上，提出基于 PLC 的染色机控制系统。本控制系统主要是通过 PLC 实现对染色机染色过程的温度控制、进水控制、排水控制、溢流控制、染液循环控制、主泵电机控制、提布电机控制、喷- 4 -嘴控制等多个控制来实现染色工艺要求，使染液温度按染色工艺温度曲线变化，从而保证染色的效率和质量。1.3.3 溢流染色机机电控制要求溢流染色机系统的主要技术指标: 测温温度:常温145； 测温精度:0.1； 喷嘴压力:00.08MPa； 浴比:1：31：9； 提布速度:0350m/min； 具有停电保护功能,并根据染色工艺要求,设有声光提示报警。- 5 -2 机械部分设计2.1 机械结构设计本课题所设计的溢流染色机机械结构主要由车体、提布辊、喷嘴、J 型储布槽、集水槽、掉布自停机构、 、横摆布机构、纵摆布机构等构成。 （如图 2.1 所示）图 2.1 溢流染色机机械结构布置简图如上图所示的染色机结构布置，染缸中的染液在主循环泵的作用下，通过循环系统（包括循环过滤装置、热交换器等）进入喷嘴，织物有提布罗拉带动从入口处进入喷嘴，在喷嘴内，织物受到喷孔处喷射出来的染液冲击力和自身重力共同作用后（与此同时染液被织物所吸收） ，进入喷嘴弯管，实现织物与染液交换，然后织物进入横摆布机构，实现织物和大部分染液的分离，接着织物通过纵摆布机构，以左右蛇形，上下渐层的形态堆积在 J 型储布槽内（其中横摆布机构的左右摆动，实现了织物左右方向的展开。纵摆布机构的前后摆动，实现织物上下方向的堆叠。 ）最后提布辊将织物从 J 型集布槽提升到喷嘴上方，至此一个织物染色循环完成。而染液从横摆布机构中的孔回流到集水槽，然后经主循环泵提升，循环流动，实现染液的- 6 -循环染色。2.2 横摆布机构横摆布机构由气缸摆臂、摆布斗、摆布气缸、轴承座等机构组成，且横摆布机构的摆动角度取决于纵摆布斗的入口大小。本课题所设计的溢流染色机有四个提布辊，即要考虑各个横摆布斗的连接和联动问题，为了解决这一问题，首先简化摆布机构，由机械原理知识知道机构有确定运动的条件：机构的原动件的数目应等于机构的自由度的数目，接着设计合理结构并是其满足自由度要求。自由度计算参考公式： )(23h1PnF上式中 n 指该平面机构中共有 n 个活动构件组成（机架不是活动构件） ，P l 指该平面机构共有 Pl 个低副，P h 指该平面机构共有 Ph 个高副。经过筛选后，最优的简化后横摆布机构简图如下所示：图 2.2 横摆布机构构件简图- 7 -由自由度计算公式可知，上述机构的自由度 F：F=3n-(2Pl+Ph)=39-（213+0）=1其中，G、I 处为复合铰链，杆 1 为主动件。故根据机构简图设计的横摆布机构布置图如下图所示，其不仅满足确定运动所需自由度要求，而且布置所需空间较小，符合机器要求。图 2.3 横摆布结构布置简图- 8 -2.3 纵摆布机构纵摆布机构有摆臂、纵摆布斗、气缸摆臂、摆臂气缸等结构组成。且纵摆布机构的摆动角度取决于 J 型储布槽入口的大小。在参考其他已经成熟的溢流染色机设计的基础上，可以得出本课题溢流染色机纵摆布机构的最优设计，如下图所示：图 2.4 纵摆布机构布置简图- 9 -3 电气控制设计3.1 染色机控制流程设计本课题的控制系统主要是通过 PLC 实现对染色机染色过程的温度控制、进水控制、排水控制、溢流控制、染液循环控制、主泵电机控制、提布电机控制、喷嘴控制等多个控制来实现染色工艺要求，使染液温度按染色工艺温度曲线变化，从而保证染色的效率和质量。根据上述控制要求，可以设计出染色机的控制流程图。人机交换界面 PLC变频器电机电机泵图 3.1 染色机控制流程图3.2 系统硬件结构设计根据上述染色机的控制流程图，可以设计出控制系统硬件结构图，它能直观清楚地表达出染色机控制系统中各个硬件之间的联系。通过硬件结构图可以熟悉各部件关系，为控制系统设计打好基础。- 10 -按钮开关压力检测变频器 1按钮开关安全检测布缝检测温度检测液位检测PLC循环泵驱动电机变频器 2电/气转换提布电机工作状态指示及报警电磁阀调节阀截止阀图 3.2 染色机控制系统硬件结构框图3.3 系统主回路设计根据上述染色机控制系统硬件结构框图，结合相关成熟的溢流染色机电气设计可以设计出本次课题的染色机电气控制的主回路，如下图 2.7 所示。图 3.3 染色机控制系统主回路电路图- 11 -3.4 部分电气元件选型3.4.1 PLC 选择根据染色机电气控制的主回路电路图，在参考其他成熟设计的基础上并结合实际染色工艺控制需要可以设计出 PLC 的输入输出点数分配，如下表所示。表 3.1 PLC 输入点分配表序号 功能 输入分配 序号 功能 输入分配1 循环泵电机过载 X000 16 消音 X0272 提布辊电机过载 X001 17 提布辊停止 X0203 提布辊电机正转 X002 18 提布辊点动 X0214 提布辊电机反转 X003 19 料缸入水 X0225 出布 X004 20 料缸排水 X0236 喷淋 X005 21 回流 X0247 搅拌 X006 22 应答 X0258 温度检测 X007 23 直排 X0269 加热 X010 24 注料 X02710 冷却 X011 25 横摆布 X03011 入水 X012 26 纵摆布 X03112 排水 X013 27 堵布 X03213 主泵起/停 X014 28 泵频控制 X03314 自动/手动 X015 29 报警复位 X03415 急停 X016 30 照明 X035表 3.2 PLC 输出点分配表序号 功能 输入分配 序号 功能 输入分配1 循环泵变频器 Y000 12 料缸排水阀 Y0132 循环泵变频器 Y001 13 搅拌电机 Y0143 提布辊正转 Y002 14 出布电机 Y0154 提布辊反转 Y003 15 喷淋电机 Y0165 加热阀 Y004 16 横摆布 Y0176 出冷凝水阀 Y005 17 纵摆布 Y0207 冷却阀 Y006 18 变频器报警复位 Y0218 出冷却水阀 Y007 19 掉布指示 Y0229 直排阀 Y010 20 操作指示 Y02310 回流阀 Y011 21 故障 Y02411 料缸进水阀 Y012 22 排风扇 Y025根据上述 PLC 的输入输出点数分配表得知，本课题所需要的 PLC 至少得有 30 个输入点和 22 个输出点，但根据 PLC 设计习惯，I/O 点数的确定要按照实际所需点数再加 2030的备用量，以满足实际生产的各种要求。加上考虑到实际生产现场染色机一般处于间歇工作或 24 小时连续工作的状态，处在酸、碱、水、蒸汽和高温等恶劣环境中，因此对控制系统的抗干扰能力、可靠- 12 -性要求非常高。故本次课题溢流染色机控制系统的 PLC 采用日本三菱公司的 FX1N-60MR 型号的 PLC，该型号 PLC 共有 60 个输入输出点，其中输入点有 36 个，输出点有 24 个，满足课题染色机控制需要。而且 FX1N 系列 PLC 具有以下优点：集成型高性价比、机身小巧，高速运算、安心、宽裕的存储器规格、丰富的软元件范围、面向海外的产品适合各种安全规格。它是功能很强大的微 PLC，可扩展到多达 128 个 I/O 点，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得 FX1N 在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。定位和脉冲输出功能一个 PLC 单元中每相能同时输出 2 点 100KHz 脉冲。 PLC 配备有 7 条特殊的定位指令，包括零返回、绝对或相对地址表达方式及特殊脉冲输出控制。通过扩展板或显示模块升级系统可以使用扩展板增加通信功能，如 RS-232、RS-422 、RS-485 或增加模拟电位器。显示模块能监控/ 编辑定时器、计数器和数据寄存器并能和扩展板连接。网络和数据通信功能通过连接扩展板或特殊适配器能实现多种通信和数据链接。选定好日本三菱公司的 FX1N-60MR 型号的 PLC 后，根据课题控制要求和之前完成的输入输出点功能分配表就可作出 PLC 的输入输出电路图如下图所示。- 13 -图 3.4 PLC 输入电路图- 14 -图 3.5 PLC 输出电路图- 15 -3.4.2 变频电机选择由机电传动控制原理知道，实际生产中异步电机的调速方式主要有：改变电机的极对数 P 调速、改变电机的转差率 S 调速和改变电机的频率 f 调速。但改变电机的极对数 P 的调速方式属于有级调速，级差较大， ，具有较硬的机械特性；改变电机的转差率 S 的调速方式系统结构简单，有一定的应用场合，具体是通过串极调速、转子串电阻调速来实现调速；而改变电机的频率 f 调速，调速过程中没有附加损耗，应用广，可用于笼型异步电动机，调速范围大，机械特性硬，适用于要求精度高、调速性能较好场合。考虑本课题控制要求，故选用变频调速方式来调节循环泵电机的转速。变频电机优点：具备有启动功能、采用电磁设计，减少了定子和转子的阻值、适应不同工况条件下的频繁变速、在一定程度上具有节能特性。而且变频电动机具有如下特点：B 级温升设计，F 级绝缘制造；采用高分子绝缘材料及真空压力浸漆制造工艺以及采用特殊的绝缘结构，使电气绕组采用绝缘耐压及机械强度有很大提高，足以胜任马达之高速运转及抵抗变频器高频电流冲击以及电压对绝缘之破坏；平衡质量高，震动等级为 R 级（降振级）机械零部件加工精度高，并采用专用高精度进口轴承，可以高速运转；强制通风散热系统，全部采用进口轴流风机超静音、高寿命，强劲风力；保障马达在任何转速下，得到有效散热，可实现高速或低速长期运行。经 AMCAD 软件设计的 YP 系列电机，与传统变频电机相比较，具备更宽广的调速范围和更高的设计质量，经特殊的磁场设计，进一步抑制高次谐波磁场，以满足宽频、节能和低噪音的设计指标；具有宽范围恒转矩与功率调速特性，调速平稳，无转矩脉动；与各类变频器均具有良好的参数匹配，配合矢量控制，可实现零转速全转矩、低频大力矩与高精度转速控制、位置控制及快速动态响应控制；YP 系列变频专用电机可配制刹车器，编码器供货，这样即可获得精准停车，和通过转速闭环控制实现高精度速度控制；采用“微电机+变频专用电机+编码器 +变频器 ”实现超低速无级调速的精准控制；YP 系列变频专用电机通用性好，其安装尺寸符合 IEC 标准，与一般标准型电机具备可互换性。由于变频电机具有以上优点，所以本课题循环泵电机采用变频电机，其相关参数如下：型号：VFG160M1-450-3.0- 16 -基准转速：450rpm额定电压：三相 380V ，额定功率： 3KW ，额定电流：7.3A ，额定转矩：70Nm ，恒扭矩输出范围：15-450r/min ,恒功率输出范围： 450-800r/min,振动：1.13mm/s ,噪音 73dB ，转动惯量：0.088kgm 2- 17 -4. 程序部分设计4.1 PLC 主程序根据论文前述可知，PLC 的控制程序主要是由主程序和子程序模块组成，其中子程序模块由包括：进水、排水、入布、出布、温度控制、主泵转速控制及通信等组成。而每个子程序的调用与执行是由具体染色工艺要求来决定的，其主程序流程图如下图所示。- 18 -开始PLC 是否接受到控制指令？ 通信子程序入布子程序温控子程序进水子程序通信子程序排水子程序PLC 反馈现场数据出布子程序是进水否温度控制入布出布排水染色结束结束否否否否否否否是是是是是是是图 4.1 PLC 主程序流程图- 19 -4.2 温度控制子程序根据染色工艺要求可知，染色机控制的重点为温度控制，PLC 通过调用温度控制子程序，根据其执行与否来实现对染色温度的控制。通过对循环泵转速、蒸汽阀和冷却阀开启、关闭等的控制，使染液温度随时间按染色工艺要求变化(见图 4.2)。该工艺过程要求曲线斜率不小于零时，冷却阀是始终关闭着。根据染液的实测温度 T 实 与理论温度 T 理 的比较结果，决定蒸汽阀的开启或关闭。也就是说当 T 实 T 理 关闭蒸汽阀，而当 T 实 T 理 开启蒸汽阀；在曲线斜率小于零时，蒸汽阀始终关闭，根据染液的实测温度 T 实 与 T 理 的比较结果，开启或关比冷却阀，即 T 实 T 理 开启冷水阀，而当 T 实 T 理 关闭冷却阀。本控制系统采用热电阻测温。本控制系统通过任意设定升/降温速率和保温时间，排除人为操作对质量的影响。图 4.2 温度控制曲线通过对 PLC 进行程序编辑，然后 PLC 调用程序进行计算并比较染色机工艺参数后通过调用输出子程序设置开关量的输出状态。其中输出子程序共有四个，分别是开蒸汽阀、关蒸汽阀、开冷却阀、关冷却阀子程序。温度控制流程图如下所示。- 20 -取染色机数据取染色机工艺参数计算温度曲线斜率更新染色机工艺参数计算染液理论温度计算所需运行时间循环运行斜率0？时间到？T 实 T 理 ？关闭蒸汽阀（冷却阀）开启蒸汽阀（冷却阀）是是是是否否否否图 4.3 染液温度控制流程图- 21 -5 结 论本次毕业设计共经历了资料查阅、毕业实习、外文翻译、毕业设计方案拟定、机械部分的设计、电气部分设计、程序部分的设计、完成毕业设计说明书几大环节，截止到现在各个环节的任务基本完成。总结全文，本次毕业设计具体完成了以下几方面的工作： 通过查阅相关文献资料，熟悉本课题，对溢流染色机机电控制内容有了一个大致的了解，为后续工作开展打下基础。 到济南元首针织有限公司去进行毕业实习，特别是在其染整车间的实习，进一步熟悉了溢流染色机的工作原理，机械结构以及控制系统组成，控制要求等实际生产内容。 根据毕业实习、相关参考文献以及实际生产要求，完成对本课题的总体方案设计，并进行论证。 由系统方案，再结合成熟的溢流染色机样机，完成满足课题需要的染色机机械机构设计，并绘制出相关总装图和零件图。 完成控制系统的硬件和软件设计，根据控制要求选择电气器件，编制控制程序。本次课题的虽然完成了上述工作，也取得了一些进展，但仍然有许多需要改进的地方： 自动化程度可以进一步提升，可对染色机进料系统进行改造，实现自动配料，进料。 控制精度可以进一步提高，升温、降温控制可以更加精确控制，使染色工艺温度曲线控制更加准确，提高染色质量。 通信方面需要进一步加强，解决染色机之间的通信问题，实现通过对上位机的操作来控制各台染色机的动作，例如工艺参数设定、实时监控、记录数据等，满足现代化生产要求。总之，染色机控制系统是一项比较复杂的机电控制工程，而且鉴于本人专业知识水平有限，经验不足，故论文中可能出现不上不足或错误之处，希望得到各位专家，教授的指正。- 22 -参 考 文 献1.Roberto Paggi, Machine for dyeing fabrics wound up into endless fabrics loops: US, 5,469,720. 1994-06-29 1995-10-28.2.Sergio Cignolo, Industrial experimentation on hank-dyeing: modeling equip