化纖長絲在紡絲成形后以一定的卷繞速度通過橫動機構往復運動和卷取機構旋轉運動的合成而卷繞成具有一定形狀和容量的圓柱形卷裝。隨著高速紡絲技術的發展，卷繞速度已高達4000~8000米／分，甚至更高。在這樣高的卷繞速度下，經常采用錠軸傳動方式的卷取機構，亦即帶動卷裝的錠軸由電動機直接傳動。然而絲束在整個卷繞過程中的卷繞速度是一個恒定值，因此，為了保證卷繞速度的恒定不變，錠軸轉速必須遵循一定的函數規律。
1 錠軸傳動的基本原理及其實現方法
由于卷繞速度v 、卷裝表面圓周速度V1和橫動導絲線速度V2相互構成了一個如圖l 所示的卷繞速度矢量圖，則卷繞角θ 的余弦可寫為：
圖1 卷繞速度矢量圖
從而由式（l ）可得卷裝的錠軸轉速Nd與卷繞直徑D之間的函數關系式為：
式（2 ）表明在卷裝空管直徑Dmin至滿筒直徑Dmax范圍內的錠軸轉速Nd是卷繞直徑D 的非線性函數。而任一瞬時實際的卷裝直徑D 可通過卷取機構中壓緊輥的實際轉速戈和錠軸的實際轉速Ndx來計算：
式中，k 為取決于壓緊輥直徑大小等因素的系數。
上述分析表明，根據預先設定的V 、θ 、K等化纖紡絲生產工藝參數和機械結構參數，可求得不同卷繞直徑D 時的錠軸轉速之值Nd。由此可見，式（2 ）是卷取機構錠軸傳動控制的一種模式和基礎。為了實現錠軸轉速按照這種特定規律變化，可應用PCC （可編程計算機控制器，Progomable ComPuter Controller ）控制技術，在卷取機構中的壓緊輥和錠軸處設置兩個轉速傳感器，組成一個如圖2 所示的卷取機構機電一體化系統。在這個機電一體化系統的五大環節中：機械部分主要為卷取機構中的錠軸、卷裝和壓緊輥；傳感器部分為錠軸轉速傳感器、壓緊輥轉速傳感器及其測量電路；計算機部分為PCC 及其擴展裝置；執行器部分為錠軸電動機及其變頻器；動力部分為系統所需的電能，本系統中采用一個工業級的穩壓電源。此時，卷裝可由錠軸電動機直接傳動，錠軸電動機通過變頻器來調速，變頻器的輸入信號則是滿足高速紡絲工藝要求的錠軸轉速給出值：
式（4 ）表示了可利用壓緊輥轉速傳感器和錠軸轉速傳感器同時檢測實際Njx和Ndx，按式（3 ）求出D ，以式（2 ）計算Nd并將其與Ndx作比較，把兩者之間的本次偏差Ei經比例積分（PI ）調節算法，然后，根據上一次錠軸轉速給出值Ndg﹣1，計算獲取當前的錠軸轉速給出值Ndg，從而改善整個控制過程的靜動態特性。式（4 ）中的P為PI 算法中的比例系數、I為PI算法中的積分系數、Ei﹣l為Ei的上一次偏差值。
圖2 卷取機構機電一體化系統示意圖
2 PCC 控制系統的硬件結構
為了實現式（4 ）的要求和目的，可按圖2 的框架設計成卷取機構機電一體化的PCC 控制系統，其硬件原理框圖如圖3 所示。PCC 是整個系統的核心部件，它集工控機、網絡通訊、測控技術于一休，是一種高可靠性的集成化、通用化、標準化、模塊化、系列化的自動控制裝置，在功能、電源、安全、操作等方面達到了一個新水平，是實現機電一體化系統的理想硬件裝置。在圖3 中的PCC 采用了奧地利貝加萊工業自動化公司的B&R 2003 PCC 及其模塊擴展技術，主要包括：B&R 2003 PCC 系列的CP474CPU 主模塊，內含2003 的處理器、SRAM 、Flash PROM 、RS232 和CAN 接口以及4 個CP 插槽（本系統分別選用并插人了DI135 、IF321 、IF3ll 等三個模塊）；DIl35 高速數字量輸人模塊主要借助其計數器的功能來檢測實際轉速Njx和Ndx ,從而有效地提高測速的精度；IF321 、RS485 接口模塊主要將輸出信號Ndg送至錠軸電動機變頻器的RS485 接口，實現錠軸傳動的過程控制；IF311 、RS232接口模塊用于與PANELWARE P125 緊湊型人機操作面板連接，通過12 個數字鍵與12 個功能鍵、4 x20 字符LCD 顯示屏可進行參數設定、狀態指示、文字圖形、功能選擇等有關操作和信息顯示。
圈3 錠軸傳動型卷取機構的PCC 控制系統硬件結構框圈
3 PCC 控制系統的軟件設計
錠軸傳動型卷取機構PCC 控制系統的軟件主要采用結構簡單、編程快速、便于開發的B&R2003 PCC 系列編程軟件包PG 2000 所提供的高級語言PL2000和PANELWARE Panel Stodio 軟件包進行程序設計。按系統實際功能，可將其應用軟件分解為若干模塊，下面介紹的是卷取機構過程控制處理程序模塊的設計流程。
圈4 卷取機構的過程控制處理程序流程圖
圖4 所示的為卷取機構的過程控制處理程序流程圖，其中Ndgo為錠軸初始設定轉速。首先，利用Njx和Ndx按式（3）求得D ，并以式（2）為主要依據；然后，通過計算Nd與Ndx之間的偏差，調用PI 算法，按式（4 ）得出輸出控制信號，經變頻器調速，實現對卷取機構的錠軸傳動控制,使錠軸轉速按式（2）的目標函數運行。
4 結論
本文重點論述了一種應用PCC 控制錠軸傳動型卷取機構的基本原理，從錠軸轉速目標函數確立到PCC 控制系統的設計，為具體實施應用提供了一種有效途徑。
由于B&R 2003 PCC 具有工控機的能力，其CP474 CPU 主模塊與各擴展模塊之間具有電氣隔離措施，用下業級穩壓電源作為CP474 CPU 的供電電源，因此，這些措施有效地提高了卷取機構PCC 控制系統的抗干擾能力。
在實際應用時，可充分發揮PCC 豐富的功能和開發周期短的特點，通過擴展相關環節將本文介紹的PCC 控制系統與橫動機構控制、壓緊輥故障檢測等內容一并綜合設計，以組成一個完整的卷繞機構機電一體化PCC 控制系統。如利用CAN 總線接口聯網設計，還可形成一個規模更大的基于CIMS 理念的化纖長絲生產線計算機集散控制系統。
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