集束短纤张力检测系统设计

周桂洋，李德骏，王一帆，王 成，程 康，刘会清，张 乾

(1.武汉纺织大学 电子与电气工程学院， 湖北 武汉 430200； 2.中国石化仪征化纤有限责任公司， 江苏 仪征 211400)

在聚酯短纤生产过程中，张力调节是控制聚酯短纤质量和产量的关键指标之一[1]。进入短纤维牵伸机的聚酯短纤如果张力过大，则容易造成短纤牵伸过度，影响短纤的弹性，增加细结和断头；而张力过小又会使聚酯短纤成形不良，产出粗纤维和次品纤维[2-3]。对于现有的聚酯短纤生产线中，张力调节都是工人凭借经验手动调节盛丝桶上方的张力调节器来解决聚酯短纤在经过牵伸机时产生的张力不均问题，而没有科学的数据去指引工人进行精确地调节。因此研制聚酯短纤张力检测调节系统具有重要的生产意义和经济效益。

目前，国内外对纱线、钢丝、纸张等产品张力检测设备有许多的研究，但并没有具体应用在聚酯短纤牵伸阶段张力检测调节的设备[3-5]。意大利Savio公司生产的Qrion M/L/K自动络筒机和德国Schlafhorst公司生产的Autoconer 338RM/K/E自动络筒机配置的都是积极式络纱张力控制技术，该系统通过单锭电脑张力控制系统，驱动筒槽的伺服电动机、张力装置、张力传感器形成反馈式张力调节系统，监测调节络纱张力[6-7]。络筒机络纱的生产条件与短纤维牵伸机生产线的生产条件并不符合，而且这些设备在控制纱线张力时，主要使用的是电磁式络纱张力自动控制技术，导致无法直接借鉴使用。为了提高聚酯短纤产品的质量和减少剩丝带来的浪费，在不破坏原有生产线的前提下，设计了一套能够嵌入到原生产线上的聚酯短纤张力检测设备。在丝束进入牵伸机构前的集束环节，安装丝束张力实时监控装置，能够精确地采集24束丝的张力数据，保证多个张力测量装置的准确度和一致性，随后将该信号传输给计算机系统，计算机进行数据处理后，实时在工控机上显示出每束丝的张力数据，同时将数据记录进数据库保存，并能对超出正常范围的异常张力数据发出警报。本文系统在检测方面使用自动校准调零的控制算法，在运行长时间后，系统依然能够非常精准的测量集束丝的张力。

1 系统结构与工作原理

1.1 聚酯短纤生产工艺流程

从原料到成品，从聚酯熔体到切割打包好的聚酯短纤，其整体的生产过程由前纺和后纺2部分组成。

前纺车间主要围绕着卷绕生产线、配桶生产线开展。在卷绕阶段，聚酯熔体通过喷丝孔喷出后形成原丝，经过成束轮之后就会产生束前纤维，束前纤维合并形成纤维束之后经给湿上油后落入到盛丝桶中，盛满丝束的盛丝桶随着拨丝板动作实现换桶。在配桶阶段，操作人员将相同或相近参数的纤维束分配到同一条牵伸线上，依据配桶要求将盛丝桶转移到集束区域，完成配桶。

后纺车间短纤生产流程如图1所示。前纺加工后聚酯短纤丝束从盛丝桶中被丝束调节器牵出，经由调节器改变方向从而穿入上方瓷眼及下方瓷眼。丝束经由下方瓷眼穿出后直接进入张力架、牵伸机，经过蒸汽预热、卷曲叠丝、热定形等处理后再进入蒸汽加热箱，最后进入切割打包流水线。

图1 短纤生产流程图Fig.1 Short fiber production flow chart

1.2 张力检测原理

根据聚酯纤维的抗皱耐磨弹力小的物理特性，建立了动态聚酯纤维相应的力学模型。张力检测装置模型如图2所示。图中①为张力架上靠近瓷眼一侧原有的辅助辊，②为张力架上靠近牵伸机一侧原有的辅助辊，③为根据现场工况所设计的张力检测头，④为正常工作状态下移动的聚酯短纤维丝束。

图2 张力检测装置模型Fig.2 Tension detection device model

当伺服机构向下移动时，张力检测压头压在集束聚酯纤维上，会与两侧的辅助辊形成基本的力学模型。如果忽略陶瓷滑轮轴承上微小的摩擦力，那么转动中的压头与正在高速移动的聚酯纤维保持相对静止状态，利用“相对静力分析法”来检测聚酯纤维的张力。相对静力分析法力学模型如图3所示，张力检测理论计算见式(1)：

图3 相对静力分析法力学模型Fig.3 Mechanical model of relative static analysis method

(1)

式中：T为聚酯纤维的张力值,N；F为传感器测得的力,N；d为张力检测头底部与辅助辊顶端的垂直距离,m；l为张力检测头底部与辅助辊顶端的直线距离，m；v1和v2分别为两侧辅助辊线速度,m/s。

根据聚酯纤维形态稳定的物理特性，正常状态下v1≈v2，2根测量辊之间的距离h为固定值，而传感器测量值F、伺服装置垂直方向的位移量d均可由系统内部检测得到。

2 集束张力检测系统硬件设计

2.1 集束张力检测系统结构方案

本系统主要由张力检测、数据处理、检测装置调节和预报示警4部分组成。张力检测部分通过应变片式压力传感器对24束等长等粗的集束聚酯纤维进行张力检测，由张力变送器将采集到的张力信号进行放大滤波，通过485转USB模块传给工控机进行数据处理。工控机数据处理部分主要是通过SQL Server 关系型数据库管理系统实现对配桶环节的数字信息化管理工作，将采集到的张力数据实时显示在车间屏幕上，同时将检测值保存至数据库，方便日后查询，提高工厂的生产管理水平和生产信息记录规范水平。检测装置调节部分主要是通过改变压头位置和伺服控制系统进行调节。预报示警部分主要是通过车间屏幕对异常数据进行实时显示，并通过报警灯警示操作人员异常情况。集束张力检测系统方案设计框图如图4所示。

图4 集束张力检测系统方案设计框图Fig.4 Scheme design block diagram of cluster tension detection system

2.2 硬件系统设计

硬件系统主要由 485 通信电路、按键电路、限位电路、复位电路、方向电路、 PWM 波电路、编码器电路以及继电器模块控制的刹车信号和警示灯9部分组成，主控制器 MCU 采用的是 STM32F407ZGT6[8-9]。硬件系统电路结构如图5所示。

图5 硬件系统电路结构Fig.5 Hardware system circuit structure

聚酯纤维张力的检测就是向张力架两侧辅助辊之间的丝束施加垂直方向的力，为此设计了龙门架式结构，利用两边的伺服机构上下移动和横梁上的张力检测压头来对丝束施加垂直方向的力。在横梁上系统搭建了24个可移动式伺服机构检测头，可以同步检测同一批次的24束聚酯纤维，当工人收到异常张力警报时，可以通过调整压头上的螺母来调节压头的位置进而调整丝束的张力，或者利用伺服机构上下移动调节丝束的张力，龙门架式可移动检测结构如图6所示。

图6 龙门架式可移动检测结构Fig.6 Gantry movable detection structure

3 集束张力检测系统软件设计

3.1 张力检测程序设计

张力检测程序首先对系统变量进行初始化，对空载的张力传感器进行调零校准。当张力传感器检测运行的聚酯纤维张力趋于稳定且测量值在±1 N范围内保持不变时，张力变送器通过Modbus通讯协议将24路采集的张力测量值信号传输给上位机进行满度校准工作。张力检测程序流程如图7所示。

图7 张力检测程序流程Fig.7 Tension detection procedure flow

3.2 单片机主程序设计

单片机主要实现对伺服电动机的控制。单片机使用2个I/O口分别接收上限位开关与下限位开关的信号，通过2个限位开关来对伺服电动机的上下限位的位置进行标定，可以有效地保证龙门架的上下移动范围及平衡。单片机在收到上位机手动操作的指令后进入手动操作模式，可以通过按键控制电动机的升降，方便操作人员强制对伺服电动机进行操作。单片机主程序流程图如图8所示。

图8 单片机主程序流程图Fig.8 Single chip microcomputer main program flow chart

3.3 上位机管理系统设计

上位机使用SQL Server关系型数据库管理系统实现对张力监测的数字信息化管理，根据实际生产过程中的需求，管理系统由调零满度校准、伺服系统设置、张力历史数据查询、张力实时显示和用户管理5个模块组成。该系统可以实时显示该条生产线上所有纺丝工位的张力值，当系统检测到某一个或多个纺丝工位张力值异常，会及时向管理系统发送警报信息，操作人员即可通过张力信息修正管理界面对这几个纺丝工位的张力做出调整，不同权限用户可以根据各自需求查看近期的张力记录和报警纠错记录，并可以打印系统生成的记录报表以便日常生产管理。集束张力检测调节管理系统架构如图9所示[10]。

图9 集束张力检测调节管理系统架构Fig.9 Cluster tension detection and regulation management system architecture

4 实验结果

集束张力检测系统是一套能够嵌入到原生产线中的张力检测设备，能够实时检测24束丝的张力，使工人能够随时在工控机显示器上观测每一束丝的张力情况，并对超出正常范围的异常张力进行记录以及实时报警。现场工作图如图10所示。

图10 现场工作图Fig.10 Field work diagram

首先，张力检测装置利用伺服电动机实现张力传感器的同步升降，牵伸机工作时，电动机带动检测头下压到丝束上，可以实时监测丝束张力；牵伸结束时，电动机带动检测头上升，为生头留下操作空间。根据工厂实际需求，单束张力测量范围为0～50 N，张力值检测精度为0.1 N，检测频率0.3 s/次。

其次，通过聚酯短纤牵伸生产线的运行进行验证。由于测试需要，短纤维牵伸机生产线操作人员将集束张力检测系统开启持续运行24 h，以检验系统检测精度及稳定性。

聚酯短纤牵伸生产线测试数据信息见表1。可知，系统运行稳定，张力传感器受力均匀，所有被测丝束的张力都被限制在±1 N范围以内，为生产出质地均匀、品质良好的聚酯短纤提供了技术支持。

表1 聚酯短纤牵伸生产线测试数据信息Tab.1 Test data information of polyester staple fiber drafting production line N

5 结束语

集束张力检测系统能够实时地将24束丝的张力值通过工业网络传输到工控机，检测识别非常准确，能够实时记录每一批丝束的张力值，通过工控机显示实时张力数据及报警提示，可以立即发现24束丝的张力值变化。整个系统很好地实现了集束张力的实时检测，通过长期的运行试验，张力检测精度达到了0.1 N每束丝，完全满足预期的研究指标要求。