Аннотация: На примере технологического процесса выработки тканей специального назначения в ткацком производстве рассмотрен процесс построения сложных программно-технических средств для сбора измерительной информации в целях совершенствования существующего и проектирования нового оборудования.

В сфере производства текстильных материалов как общего, так и специального назначения всегда необходимо точное и своевременное определение комплекса технологических параметров процесса формирования тканевого полотна. В особенности это касается освоения выпуска новых видов материалов и проектирования нового технологического оборудования. Пренебрежение исследованием процесса формирования ткани может привести к получению неудовлетворительных качественных и технологических показателей готовой продукции. В частности, недостаточное или чрезмерное натяжение нитей основы в ткацком станке ведет к увеличению обрывности и зачастую делает процесс формирования ткани невозможным. Это же утверждение справедливо и в отношении натяжения нитей утка, натяжения уже сформированного полотна ткани на вальяне станка и т.д.

Для исследования динамики изменения технологических параметров формирования на ткацком станке полотна из стекловолоконных нитей было необходимо разработать измерительный программно-технический комплекс, способный регистрировать информацию в режиме реального времени. Объектом исследований в данном случае являлся технологический процесс тканеформирования на экспериментальном ткацком станке, конструктивно-технической основой которого являлось отечественное оборудование серии АТ.

Ткань на станке формируется в результате взаимного переплетения двух систем нитей – уточных и основных, расположенных во взаимноперпендикулярных горизонтальных плоскостях. Нити, идущие вдоль ткани, называются основными (нити основы), а нити, идущие поперек ткани, — уточными (нити утка). Процесс формирования ткани на станке АТ выглядит следующим образом (рис.1).

Рис. 1. Схема ткацкого станка.

Первоочередным требованием модернизации ткацкого станка было формирование табличных и графических зависимостей параметров натяжения одиночной нити в зоне шпулярника, группы нитей в зоне скального устройства, натяжения уточной нити в момент проброса ее челноком в зев и натяжения сформированного тканевого полотна на вальяне от угла перемещения главного вала ткацкого станка. Помимо этого также требовалось измерять перемещение опушки ткани в момент прибоя уточной нити бердом. Процесс осуществления измерений осложнялся тем, что демонтаж ряда конструктивных элементов станка был невозможен.

Для решения задачи по модернизации ткацкого станка (измерения в динамике всех вышеперечисленных технологических параметров) специалистами НПП «МИКС Инжиниринг» были подобраны как типовые датчики, так и спроектированы специальные измерительные устройства. Измерение натяжения одиночной нити осуществлялось при помощи роликового датчика (рис.2), обеспечивающего точность измерений 1% от полного диапазона и установленного на специально спроектированной съемной металлической конструкции на раме шпулярника.

Рис. 2. Роликовый датчик измерения натяжения одиночной нити.

Подобное решение позволяло размещать измерительный блок в левой, правой или центральной стойке шпулярника, а также осуществлять изменение его положения по вертикали в зоне измерения.

Для определения параметра натяжения группы нитей основы в зоне скального устройства была смонтирована опорная металлическая конструкция, на которой на специальных линейных направляющих устанавливались два датчика роликового типа (рис.3) с рабочей шириной измерительных роликов 100 мм. Точность измерений, обеспечиваемая датчиками, составляла 1%.

Рис. 3. Роликовый датчик измерения натяжения группы нитей.

В конструкции системы была предусмотрена возможность перемещения датчиков в горизонтальной плоскости в направлении перпендикулярном направлению движения нитей основы. Помимо этого датчики имели возможность фиксации в любой точке траектории изменения положения при помощи специальной каретки.

Замер натяжения уточной нити при пробросе ее в зев осуществлялся при помощи тензорезисторных преобразователей, закрепленных при помощи клеевого соединения к боковым поверхностям крючков приспособления для натяжения (расправления) уточной нити. При их закреплении учитывался тот факт, что в процессе прибоя нити к опушке ткани эти элементы проходят между зубьев берда, поэтому тензорезисторы наклеивались в неактивных зонах, не имеющих потенциальной возможности контакта с зубьями. Перед вводом в эксплуатацию измерительная конструкция калибровалась путем приложения к чувствительному элементу известного усилия и в дальнейшем, по величине деформации элементов при взаимодействии их с уточной нитью рассчитывалось ее натяжение в момент проброса через зев.

Определение натяжения тканевого полотна на вальяне и особенно перемещения опушки ткани в момент прибоя представляли собой достаточно нестандартную задачу в плане подбора и установки датчиков, позволяющих с высокой точностью измерить в заданных диапазонах искомые величины. Было принято решение использовать специальные фланцевые датчики усилия для определения натяжения рулонных материалов, определяющие параметр натяжения с точностью 0.5% (рис. 4), которые устанавливались на концевые цапфы вальяна и имели жесткую связь со станиной ткацкого оборудования.

Рис. 4. Фланцевый датчик натяжения.

Тензосигнал с уровнем в 1мВ/В с датчиков передавался на универсальный модуль ввода контроллера и затем обрабатывался программно-аппаратными ресурсами системы для получения информации о величине натяжения ткани.

С целью измерения продольного перемещения опушки ткани в момент прибоя на направляющей ткань металлической балке был смонтирован инкрементальный датчик (рис. 5) в виде мерного ролика с разрешающей способностью 10 имп/мм.

Рис. 5. Инкрементальный датчик в виде мерного ролика.

На поверхность ролика было нанесено специальное покрытие на резиновой основе, позволяющее создавать контактное взаимодействие с движущимся тканевым полотном и отслеживать самое незначительное его перемещение в продольном направлении.

Наконец, для связи технологических параметров с углом поворота главного вала ткацкого станка на концевую цапфу вала посредством специальной муфты был установлен многооборотный абсолютный энкодер. Преимуществом данного вида устройств является то, что они для каждой позиции вала выдают однозначную, кодированную информацию, которая сохраняется также и при исчезновении напряжения питания. Это устраняет необходимость каждый раз производить калибровку нуля датчика. Энкодер подключался через интерфейс SSI к модулю счетчиков управляющего контроллера и осуществлял передачу информации об угле поворота вала с разрешением 8192 шагов/об.

В качестве ядра автоматизированной системы сбора данных был выбран управляющий контроллер жесткого реального времени CompactRio фирмы National Instruments (США). Выбор был обусловлен рядом преимуществ, которыми обладает данная платформа, а именно наличием реконфигурируемого шасси, позволяющим гибко изменять архитектуру системы управления и сбора информации под требования конкретного практического приложения, высокой производительностью и надежностью [2]. Используемая для синтеза управляющего контроллером алгоритма система графического программирования LabView обладает интуитивно понятным интерфейсом и не предъявляет жестких требований к знанию специальных языков программирования. В совокупности эти возможности позволяют пользователю в максимально короткие сроки освоить работу с программно-техническим комплексом и произвести его оптимизацию под конечные цели.

Контроллер CompactRio с интегрированным шасси на 2 млн. логических вентилей для подключения измерительных преобразователей был укомплектован под поставленную задачу следующими модулями расширения: 4-х канальным универсальным модулем аналогового ввода с возможностью подключения тензорезисторных измерительных преобразователей, 4-х канальным стандартным модулем аналогового ввода и 32-х канальным модулем цифрового ввода-вывода.

Общая структурная схема спроектированного программно-технического комплекса для исследования технологических параметров формирования ткани приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Структурная схема программно-технического комплекса для исследования технологических параметров формирования ткани.

Неотъемлемой частью комплекса является разработанное НПП “МИКС Инжиниринг” оригинальное программное обеспечение MixLab, позволяющее управлять процессом сбора измерительной информации в режиме реального времени, представлять ее в графическом и табличном видах, сохранять полученные массивы данных в форматах Excel (.xls) и MS Word (.doc) для их последующей обработки, формировать аварийные сигналы при выходе регистрируемых величин за допустимые пределы изменений. Программное обеспечение имеет простой и понятный графический интерфейс, разработанный в тесном взаимодействии с заказчиком под специфические требования данного практического приложения. Что позволило в кратчайшие сроки обучить специалистов заказчика работе с комплексом, снизить требования к квалификации оператора и сократить время последующего конфигурирования системы.

Ключевой отличительной особенностью синтезированной системы являлась возможность дальнейшего расширения ее технико-технологических возможностей за счет добавления к контроллеру новых модулей расширения и подключения к ним, а также к уже имеющимся модулям дополнительных датчиков и исполнительных устройств. В качестве примера можно привести автоматизированное управление пуском и остановом привода ткацкого станка, а также управление частотой вращения главного вала при замене стандартного электродвигателя на сервопривод аналогичной мощности и связи его через сервоусилитель с контроллером и персональным компьютером.

На сегодняшний день в России существует огромное количество компаний, специализирующихся на поставке полного спектра оборудования для АСУТП. Вместе с тем, как показывает практика, его применение в реальных условиях центральных заводских лабораторий и исследовательских комплексов зачастую сопряжено с трудностями, решение которых на многих предприятиях, являющихся конечными потребителями систем автоматизации, невозможно. Затруднения возникают по причинам отсутствия у специалистов предприятия-потребителя опыта работы с современным оборудованием, недостаточным уровнем знаний современных технологий, применяемых при автоматизации измерений и управления испытательным и экспериментальным оборудованием, экономической нецелесообразностью содержания в штате предприятия команды высококвалифицированных специалистов, ориентированных на решение непрофильных единичных задач. В подобных случаях оптимальным способом удовлетворения запросов, касающихся модернизации станков посредством автоматизации производственных и исследовательских объектов предприятия, будет привлечение нашей компании. Имея в штате инженерные и управленческие кадры, обладающие необходимыми знаниями и опытом в области системной интеграции и реализации сложных технических проектов, специалисты НПП «МИКС Инжиниринг» всегда готовы предложить наиболее оптимальные с технической и экономической точек зрения проектные решения, направленные на максимальное удовлетворение потребностей в автоматизации измерительной и испытательной базы предприятий.