МЕТОД НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА СВОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ

Столяров А.А.¹, Беляев Д.Н.², Мирошниченко Д.А.³

¹Доктор технических наук, ²Аспирант, ³Инженер, Ивановский государственный политехнический университет

МЕТОД  НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА СВОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ

Аннотация

В  статье рассматривается вопрос оснащения технологического оборудования прядильного производства системами автоматики для оперативного контроля технологических параметров и нормирования качественных показателей пряжи и нитей.

Ключевые слова: прядильная машина, автоматические системы контроля, качество пряжи, структура пряжи, свойства пряжи.

Stolyarov A.A.¹, Belyaev D.N.², Miroshnichenko D.A.³

¹Doctor of Technical Sciences, ²Postgraduate student, ³Engineer, Ivanovo State Politechnical University

METHOD FOR CONTINUOUS MONITORING OF PROPERTIES TEXTILE PRODUCTS

Abstract

The article discusses the issue of equipping of technological equipment of spinning production automation systems for operational control of technological parameters and regulation of quality indicators yarn and threads.

Keywords: spinning machine, automatic control systems, quality yarn, yarn structure, properties yarn.

В настоящее время на отечественном рынке товаров лёгкой промышленности, к сожалению, преобладают изделия импортного производства. Для  повышения конкурентоспособности текстильной продукции, выпускаемой российскими производителями, необходимо решать самые разнообразные задачи, в том числе необходимо проанализировать и выявить слабые звенья в цикле производства. Составляющие этого цикла могут составить достаточно ёмкий перечень, охватывая всю многогранность производственной системы. Приоритетными направлениями нашего исследования является совершенствование кольцевой прядильной машины и разработка технических средств контроля вырабатываемой  пряжи.

Задача оснащения отечественного прядильного оборудования системами автоматики для оперативного контроля технологических параметров и нормирования качественных показателей пряжи и нитей является наиболее значимой в настоящее время. Мониторинг состояния оборудования в режиме реального времени способствует повышению эффективности производства, а применение современных микропроцессорных узлов, интегрированных с ЭВМ и оснащенных современными средствами коммутации, как проводными (USB), так и беспроводными (Bluetooth, Wireless USB, Wi-Fi), делает устройство актуальным в современном мире информационных технологий.

Прежде чем анонсировать нашу разработку можно смело заявить, что оно обладает всеми достоинствами образца, способного занять свое место на рынке метрологических систем и приборов. Устройство позволяет определять основные параметры вырабатываемого продукта, а так же техническое состояние узлов прядильной машины, принимающих непосредственное участие в процессе формирования  пряжи.

Прибор скомпонован на базе электронных компонентов широко распространенных на российском рынке. Минимизация размеров современных деталей позволяет выполнить прибор в компактном исполнении, не теряя при этом в функциональности. Схемотехническое решение составлено таким образом, что при функциональном расширении, изменении требований или условий работы, делает устройство максимально универсальным – доработка коснется лишь программной части, тем самым открываются большие перспективы для изобретателей и разработчиков промышленных лабораторий.

В дополнении к указанным функциям устройство способно производить вычисление составляющих и расчетных величин [5], благодаря которым можно контролировать технологический процесс кольцевой прядильной машины в зоне формирования продукта. Собранные данные образуют массив, выявляя закономерность их изменения, а так же причины и элементы зависимости, влияющие на качество пряжи. Применение средств обратной связи дают возможность коррекции и управления технологическим процессом.

В качестве функционального ядра выбран современный высокопроизводительный микроконтроллер (МК) компании Silicon Laboratories, поддерживающий возможность передачи данных на ЭВМ по шине USB. Программирование микроконтроллера производилось с учётом теории и технологии изготовления пряжи кольцевого способа прядения. Основой для программирования устройства являются математические выражения определения крутки пряжи, которую та приобретает в процессе формирования. Компоненты математического выражения описывают рабочие характеристики основных узлов машины (частота вращения веретён, бегунка, скорость вращения выпускного цилиндра и пр.).

Известно, что за один оборот бегунка по бортику кольца пряжа получает одно кручение, следовательно, задача стоит в определении числа оборотов на отрезке продукта, подаваемого в зону кручения [5]. Регистрация периодов вращения происходит путем преобразования механического движения в электрический сигнал различного рода датчиками. При попадании бегунка в высокочастотное электромагнитное поле индуктивного датчика на его выводах возникает сигнал, который служит стартовой отметкой для запуска вычислительных операций на МК. Обладая релейной (бинарной) характеристикой, выходной сигнал чувствительного элемента, кратковременным изменением уровня напряжения сообщает о появлении объекта в его активной зоне.

Для регистрации показателей вращения выпускного цилиндра используется оптический датчик с диффузионным отражением от объекта или, так называемый датчик черной метки. На поверхность цилиндра наносятся маркерная метка, либо полоска самоклеющейся пленки. Коэффициент контрастности метки и поверхности цилиндра подбирается таким образом, чтобы на выводе датчика возбуждался импульс, схожий с тем, который получен на выходе индуктивного преобразователя. Далее сигнал пропускаются через Триггер Шмитта. Триггер необходим для приведения неправильной формы сигнала, пришедшего с датчика, к виду прямоугольного импульса, а так же для устранения явления «дребезга». После чего импульс усиливаются до требуемого значения и, удовлетворяющий всем условиям, поступает на цифровой вход МК для дальнейшей обработки. В настоящее время в структуре современных датчиков присутствуют все необходимые узлы, которые обеспечивают на выводах сигнал требуемой формы. Применение таких образцов позволяет избежать усложнения схемы прибора, упростить процесс изготовления и отладки.

Прибор оснащен аналоговым входом для подключения источников аналогового сигнала. Известно устройство динамометрического веретена [6], устройство для измерения натяжения нити между бегунком и паковкой [7] и схемы измерения натяжения пряжи в точке наматывания [3-4]. В качестве аналого-цифрового звена устройства используется 16-разрядный преобразователь фирмы Analog Devices. Режим коррекции в отключенном состоянии тензорезистивного датчика [3] присваивает показанию на выводах значение начальной точки отсчета, приняв его за ноль. В момент прихода импульса с бегунка на контроллере срабатывает прерывание. МК дает команду, и преобразователь приступает к обработке значения пришедшего с выхода усилителя, характеризующего мгновенное натяжение нити в точке наматывания. Как только данные оцифрованы, МК их считывает, и помещает в соответствующий регистр.

 ЭВМ при помощи прикладной программы отслеживает, и выполняет все необходимые расчеты и манипуляции, а разработанное устройство  осуществляет процесс измерения, приводит результаты к соответствующему виду и посылает их на верхний уровень. Объективное распределение задач системы «Устройство – ЭВМ» позволяет увеличить точность измерений, повышает быстродействие, переместив основную нагрузку на ЭВМ, а так же способствует снижению энергопотребления и значительно упрощает процесс разработки.

В МК запущен таймер в 32-разрядном режиме, который реализован средствами двух 16-разрядных. Это позволит избежать ошибок, возникших вследствие переполнения таймера. Модуль захват/сравнение настроен на работу в режиме захвата, управляемый фронтом импульса. В этом режиме активный фронт на внешнем выводе приведет к захвату значения таймера/счетчика ПМС и загрузке его в 16-разрядный регистр захвата/сравнения соответствующего модуля. Показания таймера T_пред и T_тек являются основными данными, участвующими в алгоритме. Значения |ΔT| = T_пред - T_тек достаточно для расчета частоты вращения. Из известных значений диаметров находятся соответствующие длины окружностей (S_K и S_В.Ц.) и, следовательно, скорости вращения. В качестве примера для пояснений используются технические характеристики узлов кольцевой прядильной машины П-66-5М4: диаметр выпускного цилиндра – 25мм, диаметр кольца – 42 мм, частота вращения веретена – 13000 мин^-1. Значения вводятся в окно программы, т.к. являются исходными данными для расчетов. В данном случае процесс точных измерений производится, примерно, 270 раз в секунду, причем скорость вычислительных операций изменяется в зависимости от рабочей частоты вращения. Предельный диапазон работы измерительного устройства для частот вращения веретена достаточно широкий и принят от 10 000 до 40 000 об/мин. Это позволит использовать прибор на кольцепрядильных машинах различного класса.

Момент прихода значений таймера на ЭВМ несет в себе информацию о совершении бегунком или выпускным цилиндром одного полного оборота. Прикладная программа сохраняет их в массив и увеличивает значение счетчика (Сч₁ и Сч₂) на 1. Значение счетчика служит множителем для последующего определения длин исходного и готового продукта. На основании анализа теории кручения волокнистого материала [1-2], а именно, методики определения коэффициента укрутки – как отношение длины полученного продукта к длине мычки с каждым оборотом веретена бегунок или метка на поверхности выпускного цилиндра проходит одинаковое расстояние. При условии известного диаметра кольца и цилиндра не составляет труда определить это расстояние, а, следовательно, узнать количество волокнистого материала, которое потребовалось затратить на изготовление известной длины готовой пряжи или нити.

Согласно данным, приведенным в [5], показания укрутки пряжи на отрезке, длиной в 1 м, варьируется в пределах 2-6%. Исходя из нашей методики, максимальная погрешность в измерении этого параметра при тех же условиях возрастает до 8% и более. Причиной такой большой ошибки являются относительно большие значения диаметров выпускного цилиндра и кольца, т.к. в метровом отрезке продукта укладывается только 7 полных значений S_K, что соответствует отметке 0,92м. Взяв во внимание высокую скорость и инерционность вращающихся органов, измерения будут производиться каждые 10м. Аналогично, максимальная погрешность в измерении периодов вращения выпускного цилиндра составит около 6%. Значения отклонений, полученные аналитическим методом, выходят за допустимые пределы, делая устройство непригодным для применения в данной области. Решение проблемы сводится к следующему: в начале программы создается условие, определяющее номер импульса, фронт которого будет максимально ближе к этой отметке (N₁₀), тем самым формируя условие (Сч₁ - Сч₂ > N₁₀), при котором периодично, через каждые 10 метров продукта, будут рассчитываться текущее значения крутки и других параметров; после чего десятикратное значение будет приводиться к нормальному виду, и помещаться в массив. Такой ход повысит точность измерения, снизив погрешность на порядок.

Основным достоинством  разработки является то, что процесс контроля осуществляется в процессе формирования пряжи, то есть в режиме реального времени, чего нельзя сказать о лабораторном оборудовании. Мониторинг технического состояния узлов кольцевой прядильной машины позволяет выявить возможные неполадки, а так же установить закономерность и причины, влияющие на качество получаемой продукции. Доступна возможность сохранять результаты измерений в памяти ЭВМ в течении длительного времени. На основании результатов измерения  формируется  задающее воздействие в средствах обратной связи.

В целом применение разработанного метода и измерительного устройства позволяет значительно сократить время на определение параметров вырабатываемой продукции, уменьшает вероятность брака и, как следствие, повышает производительность оборудования и улучшает качество выпускаемой продукции.

Литература

1. Корицкий, К.И. Вопросы структуры и проектирования хлопчатобумажной пряжи [Текст]: К.И. Корицкий. – М.-Л. Государственное издательство лёгкой промышленности, 1940.
2. Соколов, Г.В. Вопросы теории кручения волокнистых материалов [Текст]: монография / Г.В.Соколов. – М.: Государственное научно-техническое издательство лёгкой промышленности СССР, 1957.
3. Столяров А.А. Способ определения натяжения нити на кольцевой прядильной машине в зоне бегунок-паковка [Текст] / Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2003.- №5. – С.28-31.
4. Столяров А.А. Построение и анализ диаграммы натяжения нити на кольцевой прядильной машине  [Текст] / Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. – 2009.- №2. – С.28-31.
5. Павлов Ю.В. и др. Теория процессов, технология и оборудование прядения хлопка и химических волокон: Учебник / Ю.В. Павлов, А.Б. Шапошников, А.Ф. Плеханов, A.A. Минофьев, К.Ю. Павлов; Под ред. Ю.В. Павлова. Иваново: ИГТА, - 2000. - 392 с.
6. Патент на изобретение № 2202662 Российской Федерации, МПК7 D 01 Н 13/26. Веретено динамометрическое [Текст] / Бархоткин Ю.К., Столяров A.A. Опубл. 20.04.2003, Бюл. № 11.
7. Патент на изобретение № 2485226 Российской Федерации, МПК7 D 01 Н 13/26. Устройство для измерения натяжения нити между бегунком и паковкой кольцевой прядильной машины [Текст] / Столяров А.А. Опубл. 20.06.2013, Бюл.№17.

References

1. Koritskii, K.I. The structure and design of cotton yarn [Text]: K.I. Koritskii. - Moscow-Leningrad State Publishing House of Light Industry, 1940.
2. Sokolov, G.V. Problems in the theory of torsion fibrous materials [Text]: monograph / G.V.Sokolov. - M .: State Science and Technology Publishing House of Light Industry of the USSR, 1957.
3. A.A. Stolyarov The method for determining the thread tension on the ring spinning machine in the area of ​​the runner-packing [Text] / Math. universities. The technology of the textile industry. - 2003.- №5. - S.28-31.
4. A.A. Stolyarov Design and analysis of charts thread tension on the ring spinning machine [Text] / Math. universities. The technology of the textile industry. - 2009.- №2. - S.28-31.
5. Y.V. Pavlov and others. The theory of processes, technology and equipment for spinning cotton and chemical fibers: the Textbook / Y.V. Pavlov, A.B. Shaposhnikov, A.F. Plekhanov, A.A. Minofev, K.Y. Pavlov; Ed. Y.V. Pavlova. Ivanovo: ISTA - 2000. - 392 p.
6. The patent for invention number 2,202,662 of the Russian Federation, MPK7 D 01 H 13/26. Spindle dynamometer [Text] / Barkhotkin Y.K., Stolyarov A.A. Publ. 20.04.2003, Bull. Number 11.
7. Invention patent number 2,485,226 of the Russian Federation, MPK7 D 01 H 13/26. The device for measuring the yarn tension between the thumb and the ring spinning machine to investment [Text] / A.A. Stolyarov Publ. 20.06.2013, Byul.№17.