Scientific Journal of Control Engineering October 2013, Volume 3, Issue 5, PP.353-358
Design of MSJS-A Cotton Yarn Steaming Humidifying Conditioning Machine Pinxiao Liu 1†, Jun Zhang 2, Junhong Li1 1. Nanyang Institute of Technology, Nanyang Henan 473004, China 2. Nanyang Cigarette Factory of China Tobacco Henan Industrial CO, LTD., Nanyang Henan 473000, China †Email:
lpinxiao@163.com
Abstract This paper expounds the major technical parameters and the main structure characteristics for the design of MSJS-A Cotton Yarn Steaming Humidifying Conditioning Machine, and discusses its characteristics of its mechanical system. The closed loop control system of automatic humidification for cotton yarn has been developed. By means of the weighing and moisture sensors to measure the humidifying volume of hot steaming humidifying cotton yarn, the results show that the humidifying volume error of cotton yarn humidity by weighing sensors is less than that by moisture sensor, and both of control system and mechanical system for cotton yarn humidifying can meet the process requirement. Keywords: Cotton Yarn Machine; Yarn Steaming Humidifying; Automatic Weighing; Closed loop Control
MSJS-A 棉纱蒸纱加湿调质机设计 刘品潇 1，张俊 2，李俊虹 1 1.南阳理工学院，河南 南阳 47300 2.河南中烟南阳卷烟厂，河南 南阳 473000 要：阐述了 MSJS-A 棉纱蒸纱加湿机设计的主要技术参数和主要部件的设计及结构特点。论述了棉纱蒸纱加湿机机械
摘
系统的特点，研发了棉纱自动加湿闭环控制系统。采用称重、水分传感器对需要热蒸加湿的棉纱进行了加湿量测量试验， 试验结果表明称重传感器比水分传感器测量的棉纱湿度加湿量误差小，棉纱加湿控制系统和棉纱加湿机械系统能够满足 棉纱蒸纱的工艺要求。 关键词：棉纱机械；蒸纱加湿；自动称重；闭环控制
引言 棉纱加湿调质处理的好坏直接决定了棉纱的质量，棉纱加湿调质处理技术是棉纱加工的最后一道工序尤 为重要，一般采用蒸纱加湿处理技术。如：学者曲丽君采用立信工业集团纱力拉香港有限公司的纱力拉 LT- 0 型蒸纱机对 32S 纯棉针织纱进行蒸纱处理后，纱线和针织质量明显提高，试验结论：纱线的强力有 6%的提高， 断裂功提高 18.8%。织造断头减少 36.5%，破洞减少 57.65%，掉布减少 100%。染色制成率提高 1.26%，横缩 及扭斜均降低[1]。蒸纱加湿机的出现改变了棉纺企业对棉纱加湿调质处理的方式，解决了通过车间存放、自 然回潮的原始棉纱调质方式而造成棉纱变黄和霉变的缺点。棉纱蒸纱加湿机的出现提高了棉纱质量成为不争 的事实。 国外对棉纱蒸纱加湿机的研究有些成果，如国外的有意大利索雷拉、奥本(OBEM)公司生产的 VFV 和 VP 系列型蒸纱加湿机，整体结构为罐体，载纱车与罐体由双钢轨平行连接，该车配备固定筒子纱架和活动 纱穗小车，载纱车底部平台上设计了许多孔眼，将锅炉提供蒸汽从底部渗透到每个筒子纱或纱穗[2-3]。国内的 - 353 http://www.sj-ce.org
蒸纱机生产象雨后春笋般，生产厂家已达数十家，均采用方形结构，抽真空排除纱穗内部空气、电加热产生 蒸汽加湿、利用定时控制实现加湿处理[4]，但是不能实现加湿量控制，蒸纱加湿时间长，批次内纱穗加湿不 均匀，针对这些缺点和问题，本文研制兼有软化水处理装置，高压喷雾系统，检测加湿量，加湿程度实时控 制，批次间加湿调质均匀的智能棉纱加湿调质机。
1 MSJS-A 蒸纱机总体设计 MSJS-A 蒸纱机的机械部分是本项目机械支撑，主要由棉纱蒸纱室、蓄水槽、加热装置、地板支撑、装 纱小车、防水除水弯板、水雾化装置、水致真空装置、雾化高压泵、蒸馏水制备装置、软化水处理装置等， 如图 1 所示。
图 1 机械部分组成图
MSJS-A 棉纱加湿机机械部分工作过程，当需要蒸纱加湿时，工人给一信号，控制系统使自动门打开， 升降平台升起为装纱小车提供平坦移动通道，把装有棉纱的小车推入蒸纱室，控制系统根据小车数量，能判 断出蒸纱室是否装满棉纱，棉纱装满蒸纱室后，（如果不需要装满时，人工给一信号）平台落下消除关门障 碍，工作门实现自动关闭，自动门锁并将其封闭锁紧。控制系统确认门关好后，启动水环式真空泵对密闭的 蒸纱室内部抽真空，制造可达 87%-95%绝对真空度的空间。水处理系统通过软化水过滤器将自来水中重离子 处理掉。控制系统将处理过的水注入蓄水槽内，利用蓄水槽内部的加热装置将蓄水槽中的水加热为水蒸气进 行棉纱蒸纱。经过处理的软化水再经过蒸馏水处理单元，处理后达到蒸馏水水质，为雾化装置提供水源，雾 化装置将其雾化增加蒸纱室内湿度。热蒸汽不仅对棉纱线蒸纱调质，结合形成的深度真空与雾化水雾构成的 大浓度水蒸气可以实现对棉纱线短时间饱和加湿调质。
2 MSJS-A 棉纱蒸纱加湿机机械系统设计 棉纱蒸纱加湿机工作在负压区，机械结构要求承压大，变形小，同时考虑到更多的盛装棉纱所以设计为 方形结构。设计过程采用自下而上的方法，用三维建模软件建模，根据实际受力进行有限元受力分析，修改 模型再分析，达到设计目的，确定三维模型，输出工程施工的二维图，MSJS-A 棉纱加湿机的机械结构二维 图，如图 2 所示。 图 2a 所示为 MSJS-A 棉纱加湿机的机械结构主视图，设计装纱小车装载 148 个棉纱穗，蒸纱室可以承载 4 辆小车，一次蒸纱约为 1000 公斤。自动门动作和自动门锁动力均采用压缩空气驱动。图 2b 所示为 MSJS-A 棉纱加湿机的机械结构右视图，真空抽取系统中设计了不锈钢波纹管连接，减小设备变形量，用单向阀保证 了真空室的真空度有效值。升降平台采用启动方式，有效利用了棉纺企业的高压气源。图 2c 所示为 MSJS-A 棉纱加湿机的机械结构府视图，高压雾化喷头安置于蒸纱室内高点，便于均匀造雾，蓄水槽内对称安装 6 组 大功率的电加热管，能在合理时间内产生蒸纱需要的温度，结合高压造雾和超声雾化机短时间内的所造的高 - 354 http://www.sj-ce.org
饱和度水雾，快速高量填充到棉纱穗内部，由于其内部空气已被抽出，故能大量锁住水分保证棉纱的加湿量。 MSJS-A 棉纱加湿机所有部件均采用不锈材料制造或经表层防腐处理，杜绝了对棉纱的污染。
(a)
MSJS-A 棉纱加湿机机械结构主视图
(c)
(b) MSJS-A 棉纱加湿机机械结构右视图
MSJS-A 棉纱加湿机机械结构主视图 图2
MSJS-A 棉纱加湿机机械结构
1、抽真空装置 2、正负压力表 3、自动门 4、自动门控制气缸 5、手动门锁 6、自动门锁 7、高压雾化喷头 8、防水 除水弯板 9、装纱小车 10、软化水控制器 11、水槽水温传感器 12、气控泄压阀 13、高压雾化泵 14、真空装置单 向阀 15、蒸纱室内温度传感器 16、不锈钢波纹管 17、压力传感器 18、自动门位置传感器 19、自动门门封 20、蒸纱 室内蓄水槽 21、平台重量传感器 22、升降平台 23、平台升降气缸 24、平台位置传感器 25、接近传感器 26、称重传 感器 27、蓄水槽液位传感器 28、超声造雾机 29、蒸馏水制备装置 30、软化水控制器 31、软化水处理盐桶 32、电气 控制箱 33、蓄水槽内电加热器
3 MSJS-A 棉纱蒸纱加湿机控制系统设计 3.1 实验确定检测方法 依据棉纱蒸纱加湿机的作业特点和棉纱加湿后的外形特征，对称重检测和水分检测两种方法测量棉纱加 湿量进行试验研究，以确定棉纱加湿量测量方法。在南阳永棉棉业检验室分别采用两种传感器用西门子可编 程控制器及模拟模块构建测量装置，校准采用标准砝码，分辨率为 5uA。应用称重传感器和水分传感器对棉 纱加湿量进行测量对比试验。室内温度 22℃，湿度 58%，应用的量具及传感器：XFH-75MA 电热式压力蒸 汽灭菌锅，梅特勒－托利多 TCII-1103 电子称，YL-6B 称重传感器，水分传感器 WSD-100。试验时，先用电 子称称量蓬松绕制的棉纱锭，再用 XFH-75MA 电热式压力蒸汽灭菌锅对棉纱锭进行热蒸加湿，保持水温 100℃时，20 分钟，停止加热保温 15 分钟，取出棉纱锭空气中自然冷却 3 分钟，用梅特勒－托利多 TCII-1103 电子称再次称重，试验结果如表 1 所示。 - 355 http://www.sj-ce.org
表 1 称重传感器测量棉纱加湿量实验数据 测 量
称重传感器测量的数据
电子称测量的数据
主要误差
次数
蒸纱前
蒸纱后
加湿比例
蒸纱前
蒸纱后
加湿比例
加湿比例
1
6566.9
6764.0
3.00%
6568.6
6765.1
2.99%
-0.01%
2
5778.1
5943.2
2.85%
5774.3
5942.9
2.92%
0.07%
3
6435.2
6624.1
2.93%
6436.5
6627.6
2.97%
0.04%
4
5943.6
6118.7
2.94%
5948.0
6121.4
2.92%
-0.02%
5
6255.2
6438.6
2.93%
6257.0
6444.1
2.99%
0.06%
6
5851.8
6014.9
2.78%
5846.6
6016.3
2.90%
0.12%
7
5795.4
5971.0
3.02%
5798.7
5969.2
2.94%
-0.08%
水分传感器试验时，利用以上蒸纱工艺，蒸纱完成后的棉纱穗保证水分传感器插入其内部保持 2s，读取 数值。试验结果如表 2 所示。 表 2 水分传感器测量棉纱加湿量实验数据 测 量
水分传感器测量的数据
电子称测量的数据
主要误差
次数
蒸纱前
蒸纱后
加湿比例
蒸纱前
蒸纱后
加湿比例
加湿比例
1
6.26%
8.07%
1.81%
6553.6
6749.5
2.99%
1.18%
2
6.21%
7.92%
1.71%
5846.7
6021.2
2.98%
1.27%
3
5.94%
8.89%
2.95%
5476.3
5641.3
3.01%
0.06%
4
6.35%
7.21%
0.86%
6248.5
6429.7
2.90%
2.04%
5
5.99%
7.08%
1.09%
6670.0
6866.1
2.94%
1.85%
6
6.14%
7.64%
1.50%
6318.9
6500.5
2.87%
1.37%
7
6.37%
8.10%
1.73%
5742.1
5911.6
2.95%
1.22%
在表 1 中需试验的棉纱取自同一时间，同一台车，同一部位的棉纱穗，最大程度的减小误差量，实验过 程中改变了测量工具，两蒸纱后的重量减去蒸纱前的重量再除以蒸纱前的重量，此值则认为是加湿比例。表 1 中水分传感器直接测得水分比例，蒸纱后减去蒸纱前的水分比例，其值则认为是加湿比例。 实验结果表明，应用称重传感器比水分传感器更适宜棉纱蒸纱加湿量测量，并且应用称重传感器的测试 系统的最大测量误差为 0.12%，而水分传感器的测试最大误差为 2.04%，称重传感器测量的棉纱加湿量误差 远小于称水分感器测试结果，确定应用称重传感器测量棉纱加湿量。
3.2 控制系统设计
图 3 棉纱蒸纱加湿自动闭环调节控制原理示意图
依据试验研究结果，开发了采用称重传感器的棉纱加湿自动闭环控制系统。控制系统由水槽加热蒸发控 - 356 http://www.sj-ce.org
制、水雾化自动控制、超声雾化自动控制、棉纱加湿量测量；棉纱加湿量实时反馈系统等组成，应用 PLC、 U 型加热管、雾化高压泵，超声雾化机，称重传感器实现闭环棉纱加湿量调节，PLC 控制系统实现蒸纱时间 独立调节、棉纱保温时间调节、雾化高压泵雾化时段和雾化量控制以及超声雾化时段和雾化量控制。实现棉 纱蒸纱工艺，加湿工艺和加湿量自动闭环调节原理示意图如图 3 所示。 控制系统由可编程控制器对控制对象进行控制，控制对象驱动相应的动作部件，各动作部件联动机械 结构才能实现整个设备的协调工作。该设备的主要控制对象有用于测控蓄水槽水位的液位传感器，测控蒸纱 室温度的温度传感器，用于判断棉纱是否装满测量小车位置的小车到位传感器，测控真空的压力传感器，测 控棉纱加湿程度的水量传感器，测控加热器加热状态和消防的防干烧传感器，平台升降动作的电磁阀，自动 门开启、关闭的电磁阀，自动门锁开启、关闭的电磁阀，控制加热器的交流接触器动作的继电器，软化水处 理的电磁阀，蒸馏水雾化高压水泵控制的电磁阀和超声雾化机控制等组成，控制系统的控制对象如图 4 所示。
图 4 控制系统的控制对象图
图 5 控制系统主要电气原理图
依据棉纱蒸纱加湿自动闭环调节控制原理和控制系统的控制，根据棉纱加湿工艺要求，使设备实现棉纱 - 357 http://www.sj-ce.org
加湿量闭环控制，通过对各个厂家的可编程序控制器进行性价比分析，最后选用 SIMENS S7-200 CPU224 型 外加 EM222 和 EM235 、EM231 扩展模块。因其灵活性和通用性强，抗干扰能力强、可靠性高，编程语言 简单，与外部设备的连接简单、使用方便，功能的扩展能力强，采用具有自主知识产权的算法构建了控制系 统。该控制系统主要电气原理图如图 5 所示。MSJS-A 棉纱蒸纱加湿机经河南几家棉业有限公司购置使用， 企业对蒸纱加湿处理后的棉纱进行水分测试均达到理想值。该设备作为校企合作项目 2012 年经河南省科学 技术厅科技鉴定为国内领先水平。
4 结束语 MSJS-A 棉纱蒸纱加湿调质机综合利用机械、电气、气动、数字控制等技术，集成了软化水处理、高压 雾化、闭环控制的智能蒸纱加湿机。实现了能自动识别装纱状态，自动锁紧密封、抽真空、保压、多种雾化、 水质处理、水位控制、湿度控制、自动操作等功能，达到了棉纱加湿调质的技术要求。减少操作人员数量、 改进过程控制、减少误差项、提高棉纱质量、节约成本。另外在实验室分别采用称重传感器、水分传感器对 更棉纱蒸纱加湿量进行试验，结果表明：应用称重传感器的测试系统的最大测量误差为 0.12%，而水分传感 器的测试最大误差为 2.04%。
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徐华中, 宋柏杉. FUZZY-PID 双模蒸纱锅控制器[J]. 武汉理工大学学报. 2006.4 22-25[XuHuazhong, Song Baishan. FUZZYPID Controller in Steam Boiler for Yarn[J]. JOURNAL OF WUT(INFORMATION&MANAGEMENT ENGINEERING) 2006.4 22-25]
【作者简历】 刘品潇（1973-），男，汉族，硕士，讲师。研究方向：机电一体化。2007 年毕业于河南科技大学机械工 程系机械工程专业。
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