目前以DK903型为代表的部分老旧机型梳棉机已经使用15年~20年以上，一些电气件严重老化，部分电气件已经停产，维护困难。国内纺纱企业在维护使用进口梳棉机时遇到了较大的困难，以DK903型梳棉机为例，电气备件价格昂贵，如一个前环传感器就需要上万元，一套伺服系统需要2万元左右，并且采购周期长，经常因为备件供应不及时造成停车，严重影响生产。但梳棉机的机械部分，如锡林、道夫、刺辊则比较完好，更换针布后，不影响梳理效果和成纱质量。纺纱企业迫切需要对类似机型电气系统进行升级改造，以减少安全隐患，提高生产效率，降低维护保养成本。由于DK903型梳棉机相对比较复杂，我们以此为例探讨对电气控制系统智能化升级改造的具体方案。1 DK903型梳棉机的特点DK903型梳棉机是特吕茨勒公司继DK803型梳棉机后，于1999年推出的新一代高产梳棉机，最高产量达140 kg/h，出条速度最高达到220 m/min，带混合环自调匀整，长片段匀整与短片段匀整相结合，保证了重量内不匀率在1.2%左右、外不匀率在2.0%以内，条干不匀率在3.9%左右。DK903型梳棉机电气控制系统比较复杂，锡林、道夫、刺辊、圈条、给棉、棉箱喂入、盖板均为单独控制，采用了3台伺服电机、2台变频电机，其他采用异步电机；换筒采用自动旋转换筒，断条采用喇叭口自动断头技术；棉箱采用纯气压棉箱控制。该机型在2000年左右代表了梳棉机的最高水平，一些设计理念直到现在也不过时。1.1　梳棉机电气控制系统道夫、圈条、梳棉喂入等采用伺服电机控制，锡林、刺辊采用普通三相电机控制；盖板、棉箱喂入采用变频电机控制；清洁辊、棉箱开松辊、棉箱风机采用三相电机控制［1］。输入系统通过液晶面板LCD输入，启停运行通过面板按钮输入，报警输入包括负压滤尘、电机过热、断条、缺筒、金属异物、伺服、变频等报警；其他输入包括换筒到位、断条复位气缸、罩壳保护等；速度输入包括道夫、锡林、刺辊、盖板、棉箱打手、产量计长输入。与清棉系统采用通讯方式连接，清棉系统发生故障时梳棉机自动停车；梳棉机开车后会给清棉系统信号，清棉系统根据开车台数自动调整供棉量。工作过程：首先启动锡林和刺辊电机，启动盖板和清洁辊电机，达到设定下限速度后，才能启动道夫运转。运转过程中速度低于保护值时，则报警停车。1.2　混合环自调匀整系统采用混合环自调匀整，同时检测喂入棉层厚度和出条粗细，根据道夫速度，控制喂入伺服电机。1.3　纯气压棉箱控制系统采用纯气压棉箱控制，检测棉箱压力，根据棉箱设定压力，采用智能控制，使棉箱压力保持恒定，根据输出筵棉厚度，设定不同的棉箱压力；棉箱喂入采用变频电机控制；风机和打手采用普通三相电机控制；棉箱压力可以达到300 Pa左右，整个棉箱比较封闭，保证了输出棉层纵向密度一致。1.4　自动换筒控制系统采用直径1 000 mm的大条筒，旋转换筒，满筒时，降低出条速度，当出条速度降低到70 m/min时，进行旋转换筒。控制旋转电机启动，同时控制断条气缸和喇叭口，进行快速翻转，扯断棉条；当检测到旋转到位，停止旋转电机，然后提高出条速度到道夫高速设定值。2 电气控制系统智能化升级改造方案DK903型梳棉机电气控制系统智能化升级改造的原则：不改变原机梳理质量，不降低性能指标，如出条速度、棉条不匀率等；不改变原梳棉机操作习惯；具备物联网扩展接口。图1为DK903型梳棉机电气智能化升级改造控制框图。.F001图1DK903型梳棉机电气智能化升级改造控制框图2.1　电气控制系统的升级替换以意法半导体F2高端系列嵌入式系统STM32F205为核心搭建控制系统，STM32F205微控制器面向需要实现高集成度、高性能、嵌入式存储器和外设的工业应用。性能：在120 MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F205微控制器能够提供150 DMIPS/398 CoreMark性能，并且利用意法半导体的ART加速器实现了Flash存储器的零等待状态。通信接口多达15个，包括6个速度高达7.5 Mb/s的USART，3个速度高达30 Mb/s的SPI，3个I²C，2个CAN，1个SDIO。模拟模块：2个12位DAC，3个速度为2 M/s采样或6 M/s采样（交错模式）的12位ADC。因此，嵌入式系统STM32F205微控制器非常适合梳棉机和自调匀整的底层控制。利用5个捕获单元检测锡林、刺辊、盖板、道夫和棉箱开松电机的速度；具有双12位A/D转换器，一路检测入口棉层厚度的变化，另一路检测出口棉条的粗细变化，两路同时转换，互不干扰；串行通信接口SCI采用一路485通信方式与触摸屏交互信息，一路与道夫、圈条器伺服电机进行通讯，预留一路通过物联网和工厂管理系统联网；看门狗更是增加了系统的可靠性。STM32F205微控制器内核的高性能运算能力，使得可以采用复杂控制算法进行实时信号处理与电机控制，大大减少了控制系统体积，提高了系统的性价比。2.2　梳棉机混合环自调匀整仪的升级替换DK903型梳棉机所采用的自调匀整是开环系统和闭环系统相结合的匀整器，兼有开、闭环系统的优点，既能保持匀整效果，又能自动修正由各种因素波动所造成的偏差；不仅能匀整中、短片段不匀，也能匀整长片段不匀，是较理想的自调匀整装置。因此，前反馈⁃后反馈复合控制结构（即混合环）是一种比较理想的控制结构，如图2所示。.F002图2混合环自调匀整原理图自调匀整的目的：控制生条定量达到预期值，减少梳棉机台间生条的重量差异，改善生条外不匀率；控制单台生条中长片段的重量不匀率，改善生条重量内不匀率。图3为改造后梳棉混合环自调匀整控制图。.F003图3混合环自调匀整控制图改造前后生条质量指标基本保持一致，具体试验数据如下。.T001项目原机自带改造后条干不匀率/%4.14.2重量内不匀率/%1.21.3重量外不匀率/%2.12.0自调匀整棉层和棉条检测装置的好坏，将会直接影响到匀整效果，只有检测装置提供真实反映棉层厚度和棉条粗细的数据给自调匀整，才能保证正确匀整，否则会起相反作用。自调匀整的工艺参数也很重要，合适的工艺参数使自调匀整调节既不会超调也不会欠调。这些都是自调匀整系统最基本的要求。2.3　棉箱系统的升级替换位于清棉和梳棉之间的棉箱直接影响生条重量不匀率。其主要作用按规定定量，保持稳定的棉絮密度和横向均匀的棉层喂入梳棉机［2］。DK903型梳棉机的棉箱采用纯气压棉箱，棉箱压力设定比较高，一般为260 Pa~350 Pa，而目前国内一般的气压式棉箱气压设定都在250 Pa以下。棉箱压力设定高，并且棉箱至给棉罗拉处采用封闭结构，这样的筵棉输出均匀一致性非常好，大大提升了梳理质量［3］。改造后的系统采用智能PID控制，使上棉箱给棉电机平稳运转，保持压力相对稳定。PID属于闭环控制，将压力传感器采集的棉箱压力反馈到PID控制器，与设定的标准压力值进行比较，PID控制器根据标准压力和实际压力值之差，进行比例、积分、微分控制，从而输出一个合适的电流值驱动给棉电机，促使棉箱压力保持在设定的标准压力附近。其控制过程如图4所示。.F004图4棉箱PID控制原理图棉箱压力的稳定程度会直接影响生条重量不匀率，保持下棉箱压力趋于稳定这是保证喂入梳棉机棉层重量均匀、波动小的关键所在。并且要求喂棉箱内给棉罗拉100%运转，均匀连续平稳喂棉。2.4　生头和自动换筒降速过程中棉条重量波动DK903型梳棉机在生头过程中，梳棉机的车速由低速转换到高速；满筒后自动换筒，需要将车速由190 m/min降低到70 m/min，然后再升速到190 m/min，如何最大限度地降低速度变化对梳棉生条定量的影响，这是在智能化改造中需要解决的最大问题。生头过程中，低速生条定量正常，在升速过程中生条定量会逐渐变轻，虽然采用了高低速两种牵伸值，但也不能很好地解决该问题；同样在自动换筒过程中，也存在生条定量在降速过程中会偏重，在升速过程中会偏轻的问题。分析原因是：筵棉从给棉罗拉喂入，经过刺辊、锡林、道夫，再到剥棉，经过喇叭口，到条筒成形，会经历一个大的延时，是一个大延时系统，存在大的控制死区。因此，必须优化算法，进行智能化补偿。满筒后取上部生条，测量减速过程中的生条定量，表1为采取对死区智能化补偿前后生条定量的对比情况，每5 m取1个样。降速补偿前，前25 m生条定量偏重，降速补偿后，前5 m生条定量变轻，以后的20 m生条定量恢复正常，大大改善了换筒减速过程中生条的重量不匀率。.T002表1对死区智能化补偿前后生条定量对比从头到尾取样顺序生条定量/［g·（5 m）-1］补偿前补偿后131.2026.47230.9127.68330.9727.17429.6227.15527.4427.68627.7127.49727.3027.36827.3627.65927.4227.791027.4627.55对生头升速过程，则进行提前喂入补偿，提前弥补升速牵伸，有效改善了生条定量变轻的程度。3 电气控制系统升级改造的国产化及质量指标改造器件选用原则：全部选用当前主流品牌，确保10年以内不会停产，优先选用国产品牌。给棉喂入、道夫和圈条盘驱动选用国产汇川伺服驱动；棉箱喂入、盖板驱动选用欧姆龙变频器驱动；前环及棉层位移传感器选用国产品牌；触屏及其他电气件选用施耐德品牌；测速及其他接近开关选用国产品牌。基本实现了国产化，大大降低了维护保养成本。人机界面人性化设计，拆除原有的LCD液晶显示，采用施耐德彩色触摸屏。智能化电气控制系统升级改造后，出条速度可以达到220 m/min；长片段匀整与短片段匀整相结合，保证了重量内不匀率达到1.3%左右，重量外不匀率达到2.0%以内，条干不匀率达到3.9%左右，与改造前质量水平基本一致。4 结束语通过对DK903型为代表的老旧机型梳棉机电气升级改造背景的分析，以DK903型梳棉机为例，制定了智能化升级改造国产化替代方案，对于其他老旧机型梳棉机的电气控制同样可以采用国产化替代升级方案，以达到减少老旧机型梳棉机电气故障率，降低维修保养成本，延长梳棉机的寿命。采用智能化电气控制升级改造后，梳棉机的各项性能和产品质量指标均能达到改造前的水平。