杭州匯坤控制技術(shù)有限公司 陳忠農(nóng) 葉遠(yuǎn)雄/文
織機(jī)作為紡織機(jī)械中機(jī)電一體化技術(shù)水平最高的典型紡織機(jī)械,在我國(guó)紡織行業(yè)中廣泛使用,在紡織生產(chǎn)中占有重要地位,因此它的研發(fā)工作具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
近幾年來(lái),電氣技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的迅猛發(fā)展與完善推動(dòng)了織機(jī)進(jìn)一步發(fā)展。織機(jī)的種類繁多,按不同的特征可分為不同的種類。如按引緯方式可分為有梭織機(jī)和無(wú)梭織機(jī)兩種。有梭織機(jī)即為有梭子引緯的常規(guī)織機(jī),無(wú)梭織機(jī)包括噴氣織機(jī)、噴水織機(jī)、劍桿織機(jī)、片梭織機(jī)等。
在中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)《紡織工業(yè)“十二五”科技進(jìn)步綱要》中已明確指出,針對(duì)紡織機(jī)械的研究重點(diǎn),緊密圍繞紡織工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需要,重點(diǎn)突破一批高新技術(shù)纖維專用裝備,提升傳統(tǒng)紡機(jī)技術(shù)水平和可靠性水平,加快紡機(jī)產(chǎn)品差異化、模塊化,研制高性能產(chǎn)業(yè)用紡織機(jī)械和節(jié)能減排型紡織機(jī)械,提高紡機(jī)專用件和配套件的技術(shù)水平,加強(qiáng)紡機(jī)企業(yè)的技術(shù)改造,提高“兩化”融合水平,促進(jìn)紡機(jī)企業(yè)的工藝技術(shù)進(jìn)步和機(jī)床數(shù)控化率??椩煸O(shè)備重點(diǎn)發(fā)展新型模塊化無(wú)梭織機(jī)、高速毛巾織機(jī)等差異化織機(jī)、特種織機(jī),到2015 年完成產(chǎn)業(yè)化研發(fā),并形成一定數(shù)量的市場(chǎng)銷售??椩煸O(shè)備重點(diǎn)推廣機(jī)電一體化噴氣織機(jī)、劍桿織機(jī)等,2015 年高檔無(wú)梭織機(jī)自主化率達(dá)到25%~35%。
在可以遇見的未來(lái),織機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是向“四高”方向發(fā)展,即:高速度、高效率、高節(jié)能、高可靠性,具有這些相關(guān)特征的織機(jī)也常被稱為新型高速織機(jī),同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展,未來(lái)織機(jī)自動(dòng)化水平將進(jìn)一步發(fā)展,并且人性化和智能化也將進(jìn)一步提高。
劍桿織機(jī)由開口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷取五大運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)的探緯、電子多臂、提花等輔助裝置組成。各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中只有打緯和引緯運(yùn)動(dòng)可直接通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn),其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及輔助裝置均需采用電氣控制技術(shù)適應(yīng)織機(jī)的高轉(zhuǎn)速。與此同時(shí),織機(jī)的所有動(dòng)作均與織機(jī)的角度密切相關(guān),它對(duì)系統(tǒng)I/O信號(hào)的響應(yīng)速度、處理時(shí)間、定位停車的位置、磁鐵的開關(guān)角度以及送經(jīng)、卷取系統(tǒng)的控制性能都有非常高的要求。如何提高劍桿織機(jī)入緯率和可靠性,進(jìn)行織機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的研究,解決高速劍桿引緯技術(shù)、電子送經(jīng)與電子卷取高精度驅(qū)動(dòng)技術(shù)、智能化電控系統(tǒng)技術(shù)、可靠性技術(shù)和送經(jīng)張力補(bǔ)償?shù)瓤椩旃に嚰夹g(shù)都是實(shí)現(xiàn)高性能劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的基本條件。因此,劍桿織機(jī)的電控系統(tǒng)需要采用高性能處理器,且對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求也較高。目前國(guó)內(nèi)的劍桿織機(jī)生產(chǎn)廠家多采用單CPU或單PLC的主從式多級(jí)控制系統(tǒng),或者基于RS-485的、由16位單片機(jī)組成的集散控制系統(tǒng),存在功能簡(jiǎn)單、自動(dòng)化水平較低、控制精度較低、故障率較高的缺點(diǎn),難以滿足高速織機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求。
鑒于上述產(chǎn)品及技術(shù)存在的不足,我們以工藝模塊化為思路,以多核的方式將工藝區(qū)隔,擬開發(fā)設(shè)計(jì)帶有劍桿工藝底層的主控制器,多臂控制器,電送電卷控制器等自成系統(tǒng)的模塊,并將變緯密、停撬、空緯、開停車補(bǔ)償、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新的需求融入各個(gè)模塊中,以適應(yīng)劍桿織機(jī)提高轉(zhuǎn)速,生產(chǎn)高品質(zhì)織物等技術(shù)性難題。且主控制器只負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的邏輯控制,我們專門針對(duì)用戶個(gè)性化控制的需求開發(fā)一款帶PLC編程功能的軟件,并對(duì)主控部分進(jìn)行2次修改,最終達(dá)到用戶個(gè)性化的定制需求。
該系統(tǒng)包含:主控PLC,引緯控制器,送經(jīng)卷取伺服一體機(jī),電子多臂控制器,探緯板,電源板,編碼器信號(hào)板,物聯(lián)網(wǎng)等模塊。
織機(jī)主軸編碼器信號(hào)先經(jīng)過(guò)信號(hào)處理卡,把原來(lái)的1路信號(hào)轉(zhuǎn)化成4路信號(hào),信號(hào)分別進(jìn)入主控PLC,送經(jīng)卷取,電子多臂等內(nèi)置工藝的獨(dú)立控制模塊,具體控制工藝如圖1所示:
圖1 控制工藝
項(xiàng)目研究開發(fā)內(nèi)容包括:
1)一款帶有劍桿基礎(chǔ)工藝的主控制器,并開發(fā)帶有PLC編程功能的軟件,提供給用戶進(jìn)行2次開發(fā),滿足客戶個(gè)性化的需求。除此之外,主控制系統(tǒng)還需集成物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展的功能。
主控PLC的設(shè)計(jì)包括:運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和提高處理速度,物聯(lián)網(wǎng),并可用PLC軟件實(shí)現(xiàn)可編程,軟件各部分由上至下執(zhí)行,直到主程序的所有網(wǎng)絡(luò)都掃描執(zhí)行完畢,還有各定時(shí)器的刷新、例行的通訊等數(shù)據(jù)的處理后,系統(tǒng)程序?qū)寄存器緩存區(qū)的變量狀態(tài)輸出到Y(jié)硬件端口中。
硬件原理圖如圖2所示:
圖2 主控制系統(tǒng)硬件原理圖
2)基于USB接口的高速電子多臂專用控制器的研究,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理以及掉電時(shí)的數(shù)據(jù)保存,實(shí)現(xiàn)多花紋文件存儲(chǔ)和修改,并可獨(dú)立控制的自成系統(tǒng)的電子多臂專用器。
硬件原理如圖3所示:
圖3 高速電子多臂專用控制器硬件原理圖
研究方向采用的32位工業(yè)級(jí)嵌入式ARM微處理器,能夠在織機(jī)轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分鐘的情況下,將誤差控制為±2度的控制精度。采用多樣的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的組合,滿足不同數(shù)據(jù)的需求,從而達(dá)到高速、穩(wěn)定、大存儲(chǔ)量的運(yùn)行系統(tǒng),通關(guān)軟件工藝實(shí)現(xiàn)上百個(gè)文件存儲(chǔ),并支持實(shí)時(shí)的編輯。設(shè)計(jì)編碼器、傳感器通用輸入電路滿足用戶的使用需求;設(shè)計(jì)使用國(guó)產(chǎn)USB芯片,實(shí)現(xiàn)USB接口的雙向數(shù)據(jù)交互。設(shè)計(jì)易用性軟件:包括PC環(huán)境下的用戶電子多臂花紋編輯系統(tǒng),電子多臂信號(hào)輸出端口功能用戶自定義,選色端口功能用戶自定義來(lái)滿足用戶需求;通過(guò)接入編碼器信號(hào)(也可以是傳感器信號(hào))以及織機(jī)控制的按鈕信號(hào)后,自成獨(dú)立的控制系統(tǒng)。
3)項(xiàng)目研發(fā)了基于送經(jīng)卷取工藝與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的專用送經(jīng)卷取控制伺服驅(qū)動(dòng)一體機(jī)。
在我們的劍桿織機(jī)方案中,電子送經(jīng)和電子卷取伺服接收必要的外部信號(hào),伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部執(zhí)行工藝控制計(jì)算,并控制經(jīng)軸和卷布輥運(yùn)動(dòng)。因而,電子送經(jīng)的控制也由電子送經(jīng)伺服內(nèi)部實(shí)現(xiàn),在織造過(guò)程中,送經(jīng)主要的職能為控制送紗線的張力恒定,卷取的主要職能為控制卷布的速度與主軸速度同步,進(jìn)而保證緯密恒定。
變緯密是一項(xiàng)緯密在織造狀態(tài)下根據(jù)花紋需要實(shí)時(shí)變更的技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于,對(duì)于送經(jīng)伺服,如何處理由緯密突變、卷布速度突變?cè)斐傻膹埩ν蛔?;?duì)于卷取伺服,如何處理變緯密前后位置指令濾波問(wèn)題。我們擬采用比例、積分系數(shù)快速自整定技術(shù)和張力濾波算法技術(shù)來(lái)解決上述問(wèn)題。
4)項(xiàng)目的電源控制模塊
硬件原理如圖4所示:
圖4 電源控制模塊硬件原理圖
基于模塊設(shè)計(jì)的思路和理念,將高壓強(qiáng)電部分的控制單獨(dú)設(shè)計(jì),通過(guò)光耦隔離的方案,實(shí)現(xiàn)雙壓切換。通過(guò)繼電器隔離控制接觸器。針對(duì)高壓制動(dòng)部分設(shè)計(jì)安全可靠的電壓泄放電路。
創(chuàng)新的電子多臂控制技術(shù),解決了傳統(tǒng)的手持終端輸入花紋以及花紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量小,只能存儲(chǔ)一個(gè)可編輯花紋文件的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)USB,RS485等多種數(shù)據(jù)交互方式,實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)功能,并能自成系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。
軟件著作權(quán):電子多臂控制系統(tǒng)軟件
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隨著電氣技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)紡織領(lǐng)域的自動(dòng)化進(jìn)程速度加快,對(duì)于織物的品種、質(zhì)量和織造效率的要求也越來(lái)越高,電子多臂技術(shù)正是基于這些需求而發(fā)展形成的一種高速、高效、花紋多樣、自動(dòng)化控制的開口裝置。因此,設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定、人性化的控制系統(tǒng)是決定電子多臂性能的關(guān)鍵。
該技術(shù)的控制實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示:
圖5 技術(shù)控制實(shí)現(xiàn)原理圖
電子選緯和電子多臂控制流程:在織機(jī)每打一緯之前都要將多臂綜框的升降數(shù)據(jù)和選緯數(shù)據(jù)發(fā)送到控制綜框和選緯的電磁閥??刂浦饕罁?jù)是:主軸編碼器轉(zhuǎn)角和織機(jī)運(yùn)行方式??刂频牧鞒倘鐖D5所示,分快車、慢車正轉(zhuǎn)和慢車反轉(zhuǎn)三種情況,需要注意當(dāng)快車時(shí),主軸角度超出160。-270。范圍時(shí),要將平綜控制信息輸出到綜框控制電磁鐵,以保證多臂綜框不受損壞。
該項(xiàng)目的專用電子多臂控制技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在五方面:
1)以往的控制系統(tǒng)采用芯片自帶的FLASH存儲(chǔ)花紋數(shù)據(jù),僅能保存一個(gè)最大25000緯的花紋數(shù)據(jù),而項(xiàng)目中的控制系統(tǒng)則在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)采用多樣的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的組合,滿足不同數(shù)據(jù)的需求,從而達(dá)到高速、穩(wěn)定、大存儲(chǔ)量的運(yùn)行系統(tǒng),最多支持65535緯的8位選色,8位變緯密、空停、停撬功能,支持20片多臂綜框,以及上百個(gè)文件的存儲(chǔ)和修改。
2)以往的控制系統(tǒng)大都通過(guò)通信接口、USB接口直接與PC交換數(shù)據(jù),或者通過(guò)手持式編程器,以達(dá)到寫入數(shù)據(jù)的目的;該項(xiàng)目則在傳統(tǒng)控制方案的基礎(chǔ)上,增加了USB主從接口電路設(shè)計(jì)和USB文件系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),用戶可以使用U盤等移動(dòng)設(shè)備復(fù)制、拷貝花紋文件,使得整個(gè)操作過(guò)程更加人性化,便于用戶導(dǎo)入、導(dǎo)出花紋數(shù)據(jù)。
3)以往控制系統(tǒng)只能支持傳感器讀取電子多臂的角度信號(hào)。該項(xiàng)目則在此基礎(chǔ)上,增加傳感器和編碼器兼容的接口電路,用于讀取電子多臂的角度信號(hào),提高了控制的精度,也能兼容傳感器控制方式。
4)以往控制系統(tǒng)僅能滿足單一織機(jī)機(jī)種的需求,而該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了能夠滿足劍桿、噴氣、噴水通用的選緯電路。滿足任何機(jī)種的使用。
5)以往控制系統(tǒng)操作欠人性化。該項(xiàng)目技術(shù)在此基礎(chǔ)上,增加了滿足用戶的人性化操作:可以隨意調(diào)整電子多臂信號(hào)輸出端口功能和選緯控制信號(hào)輸出端口功能的順序;可以隨意關(guān)閉無(wú)需輸出的電子多臂信號(hào)和選緯控制信號(hào);針對(duì)花紋的讀取寫入,提供了通過(guò)人機(jī)交互模塊和無(wú)需使用外接人機(jī)交互模塊兩種模式;增加了開關(guān)電源及起檢測(cè)保護(hù)電路,對(duì)于短接、反接外部連線起到保護(hù)作用。
該系統(tǒng)可以選配電子多臂模塊,創(chuàng)新的電子多臂控制技術(shù),解決了傳統(tǒng)的手持終端輸入花紋以及花紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量小,只能存儲(chǔ)一個(gè)可編輯花紋文件的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)USB,RS485等多種數(shù)據(jù)交互方式,實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)功能,并能自成系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行;同時(shí)本系統(tǒng)還可以支持雙送一卷、電送電卷以及伺服機(jī)外卷的方案,最大化滿足客戶的需求。