汪林俊，林富生，宋志峰，余聯(lián)慶

（1.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢 430200；2.三維紡織湖北省工程研究中心，武漢 430200；3.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430200）

0 引言

近年來，我國紡織行業(yè)的發(fā)展逐漸與國防軍工、航空航天行業(yè)發(fā)展相融合，需要研發(fā)特定織機(jī)對特殊纖維材料進(jìn)行織造。紡織行業(yè)“科技、時尚、綠色”的發(fā)展理念，以科技創(chuàng)新為引領(lǐng)，以新思維增活力，以產(chǎn)業(yè)布局促發(fā)展，不斷整合軍、民優(yōu)勢資源，精準(zhǔn)對接現(xiàn)在需求和研究成果，積極推動軍民兩用技術(shù)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，不斷打造融合發(fā)展的軍民兩用產(chǎn)業(yè)新體系，紡織軍民兩用技術(shù)轉(zhuǎn)化工作正逐步走向全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展[1]。本文所述的三維平板織機(jī)裝備主要用來織造立體織物，但是國內(nèi)目前極其缺少這方面的全自動化織機(jī)，即便存在小型二維織機(jī)，也存在以下問題。

（1）使用較多傳統(tǒng)繼電器、接觸器，織機(jī)織造過程復(fù)雜，使用較多低壓電器元件，織機(jī)走線復(fù)雜，存在接觸故障和元件故障，且無法觀察到織機(jī)控制系統(tǒng)故障，維修困難。

（2）行業(yè)對織物要求嚴(yán)格，并且常常存在多種織物，織造工藝無法改變，無法滿足較多織物的要求，研發(fā)投入巨大且效率低。

為解決以上問題，本文采用整體運(yùn)動控制，包括主控制器、卷曲系統(tǒng)、引緯系統(tǒng)、打緯系統(tǒng)、人機(jī)界面系統(tǒng)、緯紗張力控制系統(tǒng)等。利用PLC 控制大大減少線束數(shù)量，檢修方便、抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行過程中按照既定的程序運(yùn)行，保證了織機(jī)的穩(wěn)定性[2-3]。

1 織機(jī)控制系統(tǒng)描述

1.1 總體功能設(shè)計(jì)

全自動三維平板織機(jī)的控制系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成。

（1）主控制器：合信PLC，CPU 型號H226IM，通過CANopen通信和I/O雙總線信號控制來協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的動作，組成一個自動化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)織機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）卷曲系統(tǒng)：增加位置傳感器，卷曲數(shù)據(jù)輸入的方式取代傳統(tǒng)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，對已織造的織物進(jìn)行輸送。

（3）引緯系統(tǒng)：負(fù)責(zé)緯紗的位置驅(qū)動，對引緯系統(tǒng)引出的緯線進(jìn)行松放，保證緯紗密度。

（4）打緯系統(tǒng)：對預(yù)制物的經(jīng)密進(jìn)行整合。

（5）人機(jī)界面系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便操作員進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、機(jī)器操作和錯誤查看[4]。

1.2 織機(jī)傳動控制系統(tǒng)功能框圖

機(jī)械部分主要由筒子架、張力系統(tǒng)、籠紗系統(tǒng)、提縱引緯系統(tǒng)、打緯系統(tǒng)、卷曲系統(tǒng)六大系統(tǒng)組成[5]。控制部分由PLC、觸摸屏、電磁閥、傳感器、電機(jī)組成。整體功能如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)整體功能框圖

2 織機(jī)總控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

2.1.1 PLC型號選取

本文設(shè)計(jì)的全自動三維平板織機(jī)需要反應(yīng)迅速、可操作性強(qiáng)、維護(hù)便捷，需要外接大量元件，對于控制器的程序和數(shù)據(jù)空間都有一定要求。在合信PLC 可編程邏輯控制器中，CTH200 系列16 小型CPU 模塊具備存儲空間大、處理速度快、運(yùn)控和通信能力強(qiáng)、支持遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點(diǎn)。本文所選CPU H226M 還支持2×20 kHz 的PTO/PWM輸出，方便程序編寫控制硬件動作[6]。

2.1.2 磁性開關(guān)

考慮到是對氣缸的磁環(huán)進(jìn)行位置診斷，結(jié)合日常實(shí)驗(yàn)和機(jī)械振動，最終選擇亞德客CMSG-020 雙線制感應(yīng)開關(guān)，其產(chǎn)品規(guī)格如表1所示。

表1 磁性開關(guān)CMSG-020參數(shù)規(guī)格

2.1.3 觸摸屏

根據(jù)全自動三維平板織機(jī)的控制需求，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便操作人員操作，控制執(zhí)行元件或機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)，定制專屬觸摸屏盒子進(jìn)行安裝。此外，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，為方便觀察與維修，將織機(jī)的步數(shù)顯、PLC 內(nèi)部參數(shù)、織機(jī)動作、電機(jī)狀態(tài)等顯示在觸摸屏上，并且可以根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)修改觸摸屏上的PLC 設(shè)定參數(shù)。最后，選擇可操作性高、兼容性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的約17.78 cm（7 英寸）MT8071IE 的威綸通觸摸屏[7]。觸摸屏以其便于操作、堅(jiān)固耐用、反映迅速、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。

2.2 電路設(shè)計(jì)

為滿足三維平板織機(jī)可以實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行的的功能需求，需增加PLC 從站來滿足所有外部輸入和輸出的接入，使整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動流暢，另外，還需保證產(chǎn)品的美觀[10]。整個機(jī)器的電氣控制系統(tǒng)硬件接線如圖2所示。

圖2 控制柜主電源接線圖

3 織機(jī)總控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件

3.1.1 PLC的I/O地址分配

根據(jù)全自動三維平板織機(jī)的動作要求，對PLC 上的I/O 點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共需要96個I點(diǎn)、48個Q 點(diǎn)，同類型簡略錄入，如表2所示。

表2 PLC控制的I/O地址分配表

3.1.2 程序流程

全自動三維平板織機(jī)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用PLC梯形圖編程基本原則，使用MagicWorks PLC V2.22 進(jìn)行編程，如圖3～4 所示。使用MagicWorks Tuner V1.61 對卷曲系統(tǒng)中所使用的電機(jī)進(jìn)行初始值設(shè)定，如圖5所示。使用EasyBuilder Pro 對威綸通觸摸屏進(jìn)行設(shè)置和編譯，如圖6所示。

圖3 全自動三維平板織機(jī)PLC程序塊

圖4 全自動三維織機(jī)按鈕梯形圖

圖5 卷曲電機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖6 觸摸屏主界面

如圖3 所示，PLC 程序設(shè)計(jì)共包含1 個主程序和7 個子程序。

（1）組織模塊OB：OB1 是程序順序運(yùn)行的總調(diào)度，也稱主程序，包含循環(huán)程序或通過調(diào)用其他塊來組織程序。

（2）功能模塊FC0：程序的底層塊，不修改。

（3）外設(shè)按鈕模塊FC1：固定觸摸屏的機(jī)盒增加了8個按鈕，方便對機(jī)器進(jìn)行簡單控制操作，可進(jìn)行織機(jī)的手動與自動運(yùn)行模式切換，機(jī)器的急停與啟動。

（4）卷曲系統(tǒng)模塊FC2：在織機(jī)運(yùn)行完成一個織物工序之后觸發(fā)條件進(jìn)行卷曲，將已經(jīng)織好的織物進(jìn)行傳送。

（5）系統(tǒng)內(nèi)部控制序塊FC3：對程序的工藝周期進(jìn)行讀取計(jì)數(shù)，對程序運(yùn)行前的參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)定，設(shè)定一個專用區(qū)進(jìn)行程序調(diào)用。

（6）指示燈程序塊FC4：程序在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時為綠閃，程序存在故障時為紅燈，程序正常暫停時為綠燈。

（7）織機(jī)運(yùn)行程序塊FC10：在此編寫程序的引緯、提縱、打緯等一系列織機(jī)運(yùn)行的過程。

（8）程序塊FC100：實(shí)現(xiàn)本織機(jī)各程序塊之間的調(diào)用，程序的跳轉(zhuǎn)指令等，使之成為一個全自動設(shè)備[11]。

其中，需要對卷曲系統(tǒng)電機(jī)進(jìn)行電子齒輪比計(jì)算，設(shè)定織物的經(jīng)密為2 mm，則每次鏈輪行走的距離為2 mm，所使用的編碼器為總線式絕對值編碼器，其分辨率為131 072[12]，每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)乘以P86或P87再除以P88等于編碼器分辨率。其中，P86（指令脈沖倍頻的第1分子）或P87（指令脈沖倍頻的第2分子）的參數(shù)值為0時，P88（指令脈沖分倍頻分母）的參數(shù)值即為每轉(zhuǎn)所需脈沖數(shù)。

根據(jù)齒輪比選型，鏈輪與卷曲伺服電機(jī)之間行程關(guān)系為：電機(jī)轉(zhuǎn)1 圈，鏈輪行走2 mm，根據(jù)上述可設(shè)定P86 為0，P88 參數(shù)設(shè)定大小在范圍內(nèi)即可滿足織物的經(jīng)密保持在2 mm左右。

3.2 組態(tài)

全自動三維平板織機(jī)配備電控柜3 個，主控柜1 個，引緯、邊線、打緯控制柜1 個，提綜控制柜1 個。其中，需要對卷曲系統(tǒng)電機(jī)和提綜控制柜的從站進(jìn)行組態(tài)，這部分是在MagicWorks PLC V2.22中完成的，如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

3.3 控制流程

此部分根據(jù)織物的織造工藝不同而有所改變，主要是改變引緯劍桿、綜框、邊線劍桿的動作方式。本文所織織物為角聯(lián)鎖織物，要求其織物長度在120 mm及以上。

在PLC 上電后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化設(shè)置。選擇模式之后，按下啟動按鈕，則會進(jìn)入各子程序。當(dāng)PLC接收到來自上位機(jī)的自動控制模式信號時，則可點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，一直進(jìn)行半自動模式（按一下運(yùn)行按鈕織機(jī)動作一次），也可進(jìn)入HMI 對各個部分進(jìn)行單獨(dú)控制；當(dāng)接收到自動控制模式信號時，則進(jìn)入自動模式。在自動模式下，設(shè)備將會按照圖8所示進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。從第1個綜框的第1級開始動作，到第1個綜框的第2級和第15個綜框第1級被提起，再到第1個綜框的第2級被放下為一個周期的上半周期，每一個周期分為上下兩個半周期，一個周期織機(jī)進(jìn)行卷曲2 次，理想狀況共需要30 個周期，為達(dá)到織物要求，預(yù)留2 個周期的長度，共進(jìn)行32 個周期運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)32 個周期運(yùn)行完成，織機(jī)恢復(fù)初始狀態(tài)，如需繼續(xù)，在自動模式下按下啟動按鈕[13]。

圖8 系統(tǒng)控制流程

3.4 監(jiān)控狀態(tài)

通過EasyBuilder Pro 在PLC 和HMI 之間建立通信，實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC 之間數(shù)據(jù)互傳，達(dá)到人界交互。在運(yùn)行過程中，點(diǎn)擊觸摸屏可以寫入數(shù)據(jù)到觸摸屏的地址里，從而控制機(jī)械動作，并且可通過不斷檢查機(jī)械的動作狀態(tài)匹配掃描的程序指令，當(dāng)二者相吻合，則機(jī)器可以正常運(yùn)行下一步，當(dāng)二者狀態(tài)不同時，報(bào)警燈和觸摸屏都會處于報(bào)錯狀態(tài)，而通過外接報(bào)警燈和操作屏上的參數(shù)監(jiān)控（錯誤類型）可以直觀地看出設(shè)備存在的問題[14]，如圖9所示。

圖9 HMI監(jiān)控界面

3.5 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析

系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試是對PLC 程序和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能是否達(dá)到控制要求的檢驗(yàn)。在MagicWorks PLC V2.22 中將梯形圖下載到主站PLC 中，在EasyBuilder Pro 中將程序下載到觸摸屏上，將各個部分的系統(tǒng)進(jìn)行連接，檢查通信無誤后，先進(jìn)行單元調(diào)試，對出現(xiàn)的傳感器松動情況進(jìn)行上緊無誤后，再進(jìn)行整體調(diào)試，對調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題一一排查之后，不斷完善[15]。本系統(tǒng)已投入小規(guī)模定做生產(chǎn)，運(yùn)行狀態(tài)良好，織造織物如圖10 所示。結(jié)果表明，角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物表面光滑無瑕疵，邊角料廢棄率在5%～10%之間，織機(jī)效率達(dá)到150 mm/h，滿足生產(chǎn)需求。

圖10 成品織物

4 結(jié)束語

本文研制了一款基于PLC 的全自動三維平板織機(jī)控制系統(tǒng)，通過對各個單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，完成整臺設(shè)備的聯(lián)動，不斷進(jìn)行測試和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的要求。

（1）使用智能和軟繼電器、接觸器代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器、接觸器，織機(jī)織造過程直觀明了，低壓電器元件使用量大大縮少，織機(jī)走線規(guī)范，未存在接觸故障和元件故障，可以觀察到織機(jī)控制系統(tǒng)故障，維護(hù)量小。

（2）使用對織物要求嚴(yán)格的行業(yè)條件，織造工藝更改方便，可滿足較多織物的要求，研發(fā)投入的回報(bào)可觀、響應(yīng)快。

角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)織物表面光滑無瑕疵，邊角料廢棄率為5%～10%，織機(jī)效率達(dá)到150 mm/h，滿足生產(chǎn)需求。

綜上，基于PLC自動控制的系統(tǒng)對于我國工業(yè)發(fā)展具有重要的意義，可以有效優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率，其設(shè)計(jì)過程必須予以重視[16]。而在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的本控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快、操作方便、監(jiān)控直觀，維護(hù)量小。