高速劍桿織機系統(tǒng)

杭州匯坤控制技術有限公司 陳忠農(nóng) 葉遠雄/文

1 劍桿織機行業(yè)背景

織機作為紡織機械中機電一體化技術水平最高的典型紡織機械，在我國紡織行業(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和經(jīng)濟效益。

近幾年來，電氣技術、計算機技術和控制理論的迅猛發(fā)展與完善推動了織機進一步發(fā)展?？棛C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和無梭織機兩種。有梭織機即為有梭子引緯的常規(guī)織機，無梭織機包括噴氣織機、噴水織機、劍桿織機、片梭織機等。

在中國紡織工業(yè)聯(lián)合會《紡織工業(yè)“十二五”科技進步綱要》中已明確指出，針對紡織機械的研究重點，緊密圍繞紡織工業(yè)結(jié)構調(diào)整的需要，重點突破一批高新技術纖維專用裝備，提升傳統(tǒng)紡機技術水平和可靠性水平，加快紡機產(chǎn)品差異化、模塊化，研制高性能產(chǎn)業(yè)用紡織機械和節(jié)能減排型紡織機械，提高紡機專用件和配套件的技術水平，加強紡機企業(yè)的技術改造，提高“兩化”融合水平，促進紡機企業(yè)的工藝技術進步和機床數(shù)控化率。織造設備重點發(fā)展新型模塊化無梭織機、高速毛巾織機等差異化織機、特種織機，到2015 年完成產(chǎn)業(yè)化研發(fā)，并形成一定數(shù)量的市場銷售?？椩煸O備重點推廣機電一體化噴氣織機、劍桿織機等，2015 年高檔無梭織機自主化率達到25%～35%。

在可以遇見的未來，織機發(fā)展的趨勢是向“四高”方向發(fā)展，即：高速度、高效率、高節(jié)能、高可靠性，具有這些相關特征的織機也常被稱為新型高速織機，同時隨著計算機控制技術和人工智能的發(fā)展，未來織機自動化水平將進一步發(fā)展，并且人性化和智能化也將進一步提高。

劍桿織機由開口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷取五大運動機構及相關的探緯、電子多臂、提花等輔助裝置組成。各運動機構中只有打緯和引緯運動可直接通過機械傳動實現(xiàn)，其他運動機構及輔助裝置均需采用電氣控制技術適應織機的高轉(zhuǎn)速。與此同時，織機的所有動作均與織機的角度密切相關，它對系統(tǒng)I／O信號的響應速度、處理時間、定位停車的位置、磁鐵的開關角度以及送經(jīng)、卷取系統(tǒng)的控制性能都有非常高的要求。如何提高劍桿織機入緯率和可靠性，進行織機結(jié)構動力學優(yōu)化設計適應高速運動的研究，解決高速劍桿引緯技術、電子送經(jīng)與電子卷取高精度驅(qū)動技術、智能化電控系統(tǒng)技術、可靠性技術和送經(jīng)張力補償?shù)瓤椩旃に嚰夹g都是實現(xiàn)高性能劍桿織機控制系統(tǒng)的基本條件。因此，劍桿織機的電控系統(tǒng)需要采用高性能處理器，且對控制網(wǎng)絡的實時性要求也較高。目前國內(nèi)的劍桿織機生產(chǎn)廠家多采用單CPU或單PLC的主從式多級控制系統(tǒng)，或者基于RS-485的、由16位單片機組成的集散控制系統(tǒng)，存在功能簡單、自動化水平較低、控制精度較低、故障率較高的缺點，難以滿足高速織機對電氣控制系統(tǒng)的要求。

2 劍桿織機系統(tǒng)設計

鑒于上述產(chǎn)品及技術存在的不足，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)設計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、開停車補償、物聯(lián)網(wǎng)技術等新的需求融入各個模塊中，以適應劍桿織機提高轉(zhuǎn)速，生產(chǎn)高品質(zhì)織物等技術性難題。且主控制器只負責簡單的邏輯控制，我們專門針對用戶個性化控制的需求開發(fā)一款帶PLC編程功能的軟件，并對主控部分進行2次修改，最終達到用戶個性化的定制需求。

該系統(tǒng)包含:主控PLC，引緯控制器，送經(jīng)卷取伺服一體機，電子多臂控制器，探緯板，電源板，編碼器信號板，物聯(lián)網(wǎng)等模塊。

織機主軸編碼器信號先經(jīng)過信號處理卡，把原來的1路信號轉(zhuǎn)化成4路信號，信號分別進入主控PLC，送經(jīng)卷取，電子多臂等內(nèi)置工藝的獨立控制模塊,具體控制工藝如圖1所示：

圖1 控制工藝

項目研究開發(fā)內(nèi)容包括：

1）一款帶有劍桿基礎工藝的主控制器，并開發(fā)帶有PLC編程功能的軟件，提供給用戶進行2次開發(fā)，滿足客戶個性化的需求。除此之外，主控制系統(tǒng)還需集成物聯(lián)網(wǎng)擴展的功能。

主控PLC的設計包括：運算功能、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)絡都掃描執(zhí)行完畢，還有各定時器的刷新、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，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理以及掉電時的數(shù)據(jù)保存，實現(xiàn)多花紋文件存儲和修改，并可獨立控制的自成系統(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)級嵌入式ARM微處理器，能夠在織機轉(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，從而達到高速、穩(wěn)定、大存儲量的運行系統(tǒng)，通關軟件工藝實現(xiàn)上百個文件存儲，并支持實時的編輯。設計編碼器、傳感器通用輸入電路滿足用戶的使用需求；設計使用國產(chǎn)USB芯片，實現(xiàn)USB接口的雙向數(shù)據(jù)交互。設計易用性軟件：包括PC環(huán)境下的用戶電子多臂花紋編輯系統(tǒng)，電子多臂信號輸出端口功能用戶自定義，選色端口功能用戶自定義來滿足用戶需求；通過接入編碼器信號（也可以是傳感器信號）以及織機控制的按鈕信號后，自成獨立的控制系統(tǒng)。

3）項目研發(fā)了基于送經(jīng)卷取工藝與伺服驅(qū)動技術相結(jié)合的專用送經(jīng)卷取控制伺服驅(qū)動一體機。

在我們的劍桿織機方案中，電子送經(jīng)和電子卷取伺服接收必要的外部信號，伺服驅(qū)動器內(nèi)部執(zhí)行工藝控制計算，并控制經(jīng)軸和卷布輥運動。因而，電子送經(jīng)的控制也由電子送經(jīng)伺服內(nèi)部實現(xiàn)，在織造過程中，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，進而保證緯密恒定。

變緯密是一項緯密在織造狀態(tài)下根據(jù)花紋需要實時變更的技術。關鍵技術和難點在于，對于送經(jīng)伺服，如何處理由緯密突變、卷布速度突變造成的張力突變；對于卷取伺服，如何處理變緯密前后位置指令濾波問題。我們擬采用比例、積分系數(shù)快速自整定技術和張力濾波算法技術來解決上述問題。

4）項目的電源控制模塊

硬件原理如圖4所示：

圖4 電源控制模塊硬件原理圖

基于模塊設計的思路和理念，將高壓強電部分的控制單獨設計，通過光耦隔離的方案，實現(xiàn)雙壓切換。通過繼電器隔離控制接觸器。針對高壓制動部分設計安全可靠的電壓泄放電路。

3 高速劍桿織機系統(tǒng)特色

創(chuàng)新的電子多臂控制技術，解決了傳統(tǒng)的手持終端輸入花紋以及花紋數(shù)據(jù)存儲容量小，只能存儲一個可編輯花紋文件的問題，實現(xiàn)USB，RS485等多種數(shù)據(jù)交互方式，實現(xiàn)大容量存儲功能，并能自成系統(tǒng)獨立運行。

軟件著作權：電子多臂控制系統(tǒng)軟件

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隨著電氣技術的不斷發(fā)展，國內(nèi)紡織領域的自動化進程速度加快，對于織物的品種、質(zhì)量和織造效率的要求也越來越高，電子多臂技術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、自動化控制的開口裝置。因此，設計一種高效、穩(wěn)定、人性化的控制系統(tǒng)是決定電子多臂性能的關鍵。

該技術的控制實現(xiàn)原理如圖5所示：

圖5 技術控制實現(xiàn)原理圖

電子選緯和電子多臂控制流程：在織機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)角和織機運行方式?？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，需要注意當快車時，主軸角度超出160。-270。范圍時，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。

該項目的專用電子多臂控制技術創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在五方面：

1）以往的控制系統(tǒng)采用芯片自帶的FLASH存儲花紋數(shù)據(jù)，僅能保存一個最大25000緯的花紋數(shù)據(jù)，而項目中的控制系統(tǒng)則在此基礎上設計采用多樣的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的組合，滿足不同數(shù)據(jù)的需求，從而達到高速、穩(wěn)定、大存儲量的運行系統(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，以及上百個文件的存儲和修改。

2）以往的控制系統(tǒng)大都通過通信接口、USB接口直接與PC交換數(shù)據(jù)，或者通過手持式編程器，以達到寫入數(shù)據(jù)的目的；該項目則在傳統(tǒng)控制方案的基礎上，增加了USB主從接口電路設計和USB文件系統(tǒng)的軟件設計，用戶可以使用U盤等移動設備復制、拷貝花紋文件，使得整個操作過程更加人性化，便于用戶導入、導出花紋數(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。該項目則在此基礎上，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，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)僅能滿足單一織機機種的需求，而該項目設計了能夠滿足劍桿、噴氣、噴水通用的選緯電路。滿足任何機種的使用。

5）以往控制系統(tǒng)操作欠人性化。該項目技術在此基礎上，增加了滿足用戶的人性化操作：可以隨意調(diào)整電子多臂信號輸出端口功能和選緯控制信號輸出端口功能的順序；可以隨意關閉無需輸出的電子多臂信號和選緯控制信號；針對花紋的讀取寫入，提供了通過人機交互模塊和無需使用外接人機交互模塊兩種模式；增加了開關電源及起檢測保護電路，對于短接、反接外部連線起到保護作用。

4 結(jié)語

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，解決了傳統(tǒng)的手持終端輸入花紋以及花紋數(shù)據(jù)存儲容量小，只能存儲一個可編輯花紋文件的問題，實現(xiàn)USB，RS485等多種數(shù)據(jù)交互方式，實現(xiàn)大容量存儲功能，并能自成系統(tǒng)獨立運行；同時本系統(tǒng)還可以支持雙送一卷、電送電卷以及伺服機外卷的方案，最大化滿足客戶的需求。