Die Erhöhung der Drehzahländerungsrate eines Servoregelungssystems kann die Produktionseffizienz einer Spinnmaschine verbessern. Durch den Einsatz einer SPS zur Steuerung zweier Servomotoren mit gestaffelten Start- und Stoppzeiten lässt sich die Drehzahländerungsrate mittels mechanischer Synthese auf bis zu 500 Mal/min steigern. Das System nutzt eine Drehzahlrückkopplungsregelung und kommuniziert über RS232 mit einem Host-Computer zur Parametereinstellung und -überwachung. Die Hardwareprinzipien und Software-Designmethoden des SPS-basierten Servoregelungssystems für eine Spinnmaschine werden detailliert beschrieben. Die Ergebnisse des praktischen Betriebs zeigen, dass das System sinnvoll ausgelegt und zuverlässig ist und die Produktionsanforderungen der Spinnmaschine erfüllt. I. Einleitung Eine Spinnmaschine ist eine Spezialanlage in einer Textilfabrik mit zwei Walzen, einer vorderen und einer hinteren. Da die vordere Walze schneller läuft als die hintere, wird das von der vorderen Walze zugeführte Vorgarn zwischen den beiden Walzen gestreckt, was zu einem feineren Garn führt, das von der hinteren Walze abgegeben wird. Effektgarne weisen keine einheitliche Dicke, sondern eine variable Dicke auf. Um Garne mit variabler Dicke zu erhalten, kann die Drehzahl der hinteren Walze angepasst werden. In diesem Beitrag wird ein mechanisches Differenzialgetriebe entwickelt. Das Reduziergetriebe hat zwei Eingänge: Zum einen die Bewegung der vorderen Walze, die über das Reduktionsgetriebe auf die hintere Walze übertragen wird; zum anderen einen Permanentmagnet-Synchron-Servomotor, der von einem Steuerungssystem für häufiges Starten und Stoppen geregelt wird. Aktuell erreicht die maximale Start-/Stopp-Frequenz des Permanentmagnet-Synchronmotor-Steuerungssystems 280 Mal/min. Der Ausgang des Differenzialgetriebes ist mit der hinteren Walze verbunden. Dreht sich der Servomotor nicht, rotiert die hintere Walze mit konstanter Drehzahl und produziert normales Garn. Startet und stoppt der Servomotor häufig, schwankt die Drehzahl der hinteren Walze nach der Kompensation durch das Differenzialgetriebe, wodurch Effektgarn entsteht. Um die Spinnleistung zu steigern, ist es produktionsbedingt erforderlich, die Drehzahl der Spinnmaschine zu erhöhen. Um die ursprüngliche Teilung der abwechselnd feinen und groben Garne beizubehalten, muss die Drehzahländerungsrate der hinteren Walze auf 500 Mal/min erhöht werden, was eine Start-/Stopp-Frequenz des Servomotors von ebenfalls 500 Mal/min erfordert. Derzeit können die im In- und Ausland hergestellten Servoantriebssysteme diese Anforderungen nur schwer erfüllen. Der Autor entwarf ein Antriebssteuerungssystem mit zwei Permanentmagnet-Synchronmotor-Servosystemen. Jeder Motor startet und stoppt 250 Mal pro Minute, wobei die Start- und Stoppzeiten versetzt sind. Eine mechanische Vorrichtung kombiniert diese zu einer Gesamtfrequenz von 500 Mal pro Minute. II. Konstruktion des Differenzialgetriebes: Das Funktionsprinzip des Differenzialgetriebes ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Drehzahl der vorderen Walze dient nach der Reduzierung durch die Zahnräder als Eingangsgröße für das Differenzialgetriebe. Die zweite Eingangsgröße wird durch die beiden Servomotoren mittels mechanischer Synthese erzeugt, wodurch eine Start- und Stoppfrequenz von 500 Mal pro Minute erreicht wird. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist die Ausgangsdrehzahl des Differenzialgetriebes an der hinteren Walze bei Stillstand der beiden Servomotoren eine gleichmäßig niedrigere Drehzahl als die der vorderen Walze, was dazu führt, dass die Spinnmaschine normales Garn spinnen kann. Starten und stoppen beide Servomotoren 250 Mal pro Minute, wobei die Start- und Stoppzeiten versetzt sind, ergibt die kombinierte mechanische Synthese eine Start- und Stoppfrequenz von 500 Mal pro Minute. In diesem Fall beträgt die Drehzahländerung des Differenzialgetriebes am hinteren Walzenausgang 500 Mal/min, wodurch die Spinnmaschine Effektgarne erzeugt. [align=center]Abbildung 1: Schematische Darstellung des Differenzialgetriebes[/align] III. Auslegung der Steuerungssystemhardware Während des Spinnprozesses müssen drei Parameter kontinuierlich angepasst werden: Garnstärke, Garnlänge und Steigung. Dies erfordert, dass der Servomotor seinen Start-/Stopp-Zyklus und seine Drehzahl ständig ändert. Jede Garnart weist oft über 300 mögliche Variationskombinationen auf. Die Parameter müssen leicht einstellbar sein, und die raue Arbeitsumgebung erfordert hohe Zuverlässigkeit. Ausgehend von diesen Anforderungen wurde in dieser Arbeit die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) der Mitsubishi FX2N-Serie ausgewählt. Das Blockdiagramm des Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt. [align=center]Abbildung 2: Schematische Darstellung des Steuerungssystems[/align] Der Servomotor ist ein Mitsubishi Permanentmagnet-Synchronmotor mit geringer Trägheit und den Parametern 12 Nm, 22 A, 2,84 kW und 3000 U/min. Die Drehzahlregelung der beiden Servosysteme erfolgt über den Ausgang des analogen I/O-Moduls FX2N-3A der SPS mit einer analogen Spannung von 0–10 V. Die Start/Stopp-Steuersignale der beiden Servosysteme A und B werden über den Ausgang des erweiterten Impulsausgangsmoduls FX2N-1PG der SPS gesteuert, wobei die Phasen versetzt sind. Zur Einstellung von Garnstärke, -länge und -teilung überwacht die SPS kontinuierlich die Drehzahl der vorderen Walze. Aus den eingestellten Parametern und der gemessenen Drehzahl der vorderen Walze berechnet sie die Drehzahl der hinteren Walze und die Schaltfrequenz. Die Drehzahl der vorderen Walze und des Servomotors wird in diesem System mittels eines fotoelektrischen Encoders erfasst. Das Ausgangsimpulssignal wird an das Hochgeschwindigkeits-Zählmodul FX2N-1HC der SPS gesendet, um die Drehzahl der vorderen Walze zu ermitteln. Diese wird anschließend zur Berechnung der Servomotordrehzahl und der Schaltfrequenz verwendet. Zusätzlich kommuniziert die SPS über einen isolierten RS232C-Kommunikationsadapter mit dem Industrie-PC, um Parameter einzustellen und zu überwachen. Der Industrie-PC ist ein Advantech AWS-825, und das Überwachungsprogramm sowie die Steuerungsschnittstelle wurden in VB entwickelt. IV. Programmentwurf: Basierend auf dem Arbeitsablauf der SPS ist der SPS-Steuerungsablauf in Abbildung 3 dargestellt. [align=center] Abbildung 3: SPS-Steuerungsablaufdiagramm[/align] Die Drehzahlerkennung erfolgt mittels der M-Methode. Dabei wird die Anzahl der Impulse des Drehzahlsignals innerhalb eines festen Zeitintervalls Ts ausgelesen, um die Drehzahl zu berechnen. Sei m1 die Anzahl der im Zeitintervall Ts ausgelesenen Impulse und P die Anzahl der Impulse pro Umdrehung des fotoelektrischen Encoders des Motors. Innerhalb der Zeit Ts werden insgesamt m1 Impulse ausgesendet, woraus sich die Drehzahl ergibt. Das serielle Kommunikationsmodul verwendet RS-Befehle zur Datenübertragung. Bei der seriellen Kommunikation mit dem Industrie-PC können Datenlänge, Parität, Baudrate und Stoppbits eingestellt werden. Dieses System legt die Kommunikationsdatenlänge auf 8 Bit fest, verwendet gerade Parität, setzt 1 als Stoppbit und die Baudrate auf 2400 bps. Das D/A-Modul verfügt über Spannungs- und Stromausgänge. Der Spannungsausgang kann auf 0–10 V oder 0–5 V eingestellt werden. Dieses System wählt den 0–10-V-Ausgang zur Steuerung der Servomotordrehzahl von 0 bis 3000 U/min. Das Digital-Analog-Wandlermodul verwendet die FROM- und TO-Befehle, wobei FROM den A/D-Eingang und TO den D/A-Ausgang steuert. Die Programmierbefehle umfassen die Auswahl des Digital-Analog-Wandlungskanals und des Ein-/Ausgabe-Datenspeichers, die Festlegung des Digital-Analog-Wandlungsbefehls sowie die Ausgabe oder das Einlesen des Wandlungsergebnisses. V. Es gibt zwei Methoden zur Implementierung der seriellen Kommunikation in VB unter Windows: eine ist die Verwendung der Windows Application Programming Interface (API). Die API bietet vollständige Programmierschnittstellenfunktionen und interruptbasierte Kommunikationsgerätetreiber (Comm.DRV). Die andere Möglichkeit besteht in der Verwendung der seriellen Kommunikationssteuerung (MSComm) der VB-Systemintegrationsumgebung. Diese umfasst die Funktionalität der 16 seriellen Kommunikationsfunktionen der Windows-API und bietet Objektfunktionen, die die Benutzerentwicklung erleichtern. Das System nutzt die serielle Kommunikationssteuerung (MSComm) der VB-Systemintegrationsumgebung zur Implementierung der seriellen Kommunikation. Die Kommunikationsfunktion der MSComm-Steuerung wird durch Aufruf von API-Funktionen implementiert. Diese API-Funktionen werden von Comm.drv interpretiert und zur Ausführung an den Gerätetreiber übergeben. Für VB-Entwickler genügt es, die Eigenschaften und die Ereignisverwendung der MSComm-Steuerung zu kennen, um serielle Schnittstellenkommunikationsoperationen zu implementieren. Die Kommunikationsparameter zwischen Host-Computer und SPS umfassen Informationen wie Servomotordrehzahl und Start-/Stoppfrequenz. Daher ist ein Identifikationsbyte erforderlich, um den Typ der übertragenen Informationen zu unterscheiden. Um mögliche Übertragungsfehler zu berücksichtigen, wird zusätzlich ein Prüfbyte hinzugefügt. Das Kommunikationsprotokoll zwischen den beiden Maschinen besteht daher in diesem Dokument aus fünf Frames pro Übertragung: 1. Identifikationsbyte zur Identifizierung des Typs der übertragenen Informationen; 2. Niederwertiges Byte des 16-Bit-Binärcodes der übertragenen Informationen; 3. Hochwertiges Byte des 16-Bit-Binärcodes der übertragenen Informationen; 4. Prüfbyte, der XOR-Wert der ersten 3 Bytes; 5. Endbit, das das Ende der Datenübertragung anzeigt. Jeder Frame enthält: 1 Startbit, 8 gültige Datenbits, 1 Paritätsbit und 1 Stoppbit. Basierend auf der obigen Analyse wurde in dieser Arbeit erfolgreich ein Steuerungssystem für eine Textilspinnmaschine auf Basis einer SPS-Steuerung und eines Industriecomputers entwickelt und erfolgreich in der Produktionslinie einer Textilfabrik implementiert. Die Drehzahländerungskurve des Servomotors beim Anfahren und Bremsen, überwacht vom Industriecomputer über die serielle Kommunikation mit der SPS, ist in Abbildung 4 dargestellt. Zwei Monate erfolgreicher Betrieb belegen die sinnvolle Auslegung und Zuverlässigkeit des Systems. [align=center]Abbildung 4. Drehzahländerungskurve des Servomotors beim Anfahren und Bremsen[/align] VI. Zusammenfassung: Diese Arbeit beschreibt ein Steuerungssystem für eine Textilspinnmaschine auf Basis einer SPS-Steuerung und industrieller Computerüberwachung. Das System nutzt ein Differenzialgetriebe und zwei Servomotoren, um eine Drehzahlvariation der hinteren Walze von bis zu 500 Hüben pro Minute zu realisieren und so die Produktionsanforderungen der Spinnmaschine zu erfüllen. Gleichzeitig werden die Systemparameter über serielle Schnittstelle mit dem Industrie-PC eingestellt und überwacht. Der Betrieb zeigt, dass das Systemdesign sinnvoll und das System zuverlässig arbeitet.