新型網(wǎng)絡(luò)化噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(1.山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東聊城 252000;2.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

目前，國產(chǎn)紡織行業(yè)發(fā)展迅速，各種新型織機(jī)被先后推出。然而，現(xiàn)存織機(jī)控制系統(tǒng)多采用整體設(shè)計(jì)或部分模塊化設(shè)計(jì)的方式完成[1-5]，在功能擴(kuò)展方面，多存在明顯缺陷，部分控制系統(tǒng)[2]雖然能夠依靠硬件卡槽的方式進(jìn)行功能擴(kuò)展，但是這種方式需要提前預(yù)留各種硬件卡槽，靈活性存在不足，限制了系統(tǒng)的維護(hù)升級和功能擴(kuò)展?，F(xiàn)行采用模塊化設(shè)計(jì)的織機(jī)控制系統(tǒng)各模塊間多采用并口或傳統(tǒng)現(xiàn)場總線通訊[6-8]，隨著織機(jī)智能化、高速化程度越來越高，系統(tǒng)各功能模塊的數(shù)據(jù)交換量不斷增加，并口和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線逐漸成為限制織機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的短板。另外，現(xiàn)存織機(jī)系統(tǒng)在開發(fā)過程中多聚焦于控制系統(tǒng)的研發(fā)，而忽視了車間網(wǎng)絡(luò)化支持，使得織機(jī)車間網(wǎng)絡(luò)化程度明顯偏低。針對這些現(xiàn)存問題，本文設(shè)計(jì)了一套新型網(wǎng)絡(luò)化噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用完全的模塊化設(shè)計(jì)，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)總線完成信息交互，單一模塊的升級對其他模塊影響較小，為系統(tǒng)的升級維護(hù)提供很大便利。系統(tǒng)引入了聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車間網(wǎng)絡(luò)化，降低了生產(chǎn)的人工成本。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示，該系統(tǒng)可分為下位控制模塊、上位主控模塊和遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)。下位控制模塊是指電器柜中的各種相關(guān)控制板卡，上位主控模塊是一個運(yùn)行有上位機(jī)系統(tǒng)軟件的嵌入式觸摸ARM控制器。下位控制模塊通過EtherMAC總線與上位主控模塊進(jìn)行信息交互。傳感器將檢測信息反饋給下位控制模塊，由其直接處理或上傳給上位主控模塊處理。車間操作人員通過上位主控模塊的人機(jī)交互界面與織機(jī)控制系統(tǒng)交互。上位主控模塊與遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)相聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將生產(chǎn)車間與遠(yuǎn)程客戶端聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)車間網(wǎng)絡(luò)化。

圖1 噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)整體框架

EtherMAC總線是山東大學(xué)控制技術(shù)研究中心自主研發(fā)的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)，總線通訊速率為100Mbps，主控制器基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡，無需專用網(wǎng)卡和硬實(shí)時操作系統(tǒng)，可獲得實(shí)時控制性能，使得主控制器不依賴于特定的供應(yīng)商。該總線支持兩種工作模式，即內(nèi)部周期性時間觸發(fā)型和外部事件觸發(fā)型。內(nèi)部周期性時間觸發(fā)型按時間周期性工作，如送經(jīng)卷取、張力控制、電子多臂和一般的I/O處理等，控制周期可為1～4ms[9]。外部事件觸發(fā)型由外部觸發(fā)事件決定，事件觸發(fā)后，系統(tǒng)立即發(fā)起通訊并控制相應(yīng)的動作，如設(shè)定的主軸編碼器角度，當(dāng)主軸到達(dá)設(shè)定的角度時，系統(tǒng)對事件觸發(fā)能作出快速響應(yīng)。在噴氣織機(jī)工作過程中，織機(jī)主軸轉(zhuǎn)動一圈，織機(jī)相應(yīng)的從動件跟隨主軸運(yùn)動一個循環(huán)。而對于引緯運(yùn)動來說，織機(jī)主軸角度的變化需要即刻得到響應(yīng)才能保證引緯運(yùn)動正常。因此，引緯運(yùn)動跟隨設(shè)定的主軸角度做快速響應(yīng)動作。

2 下位控制模塊

如圖2所示，下位控制模塊是不同功能子模塊的集合，主要包括多功能模塊、IO模塊、多臂模塊、送經(jīng)卷取模塊、引緯模塊和電子剪刀模塊等。上位主控模塊與多功能模塊、IO模塊、多臂模塊以及送經(jīng)卷取模塊通過內(nèi)部周期性時間觸發(fā)型總線通信。上位主控模塊作為EtherMAC總線的主站直接與多功能模塊相連，然后多功能模塊逐級級聯(lián)IO模塊、多臂模塊和送經(jīng)卷取模塊。多功能模塊與引緯模塊及電子剪刀模塊共同構(gòu)成引緯子系統(tǒng)，引緯子系統(tǒng)內(nèi)部模塊間通過外部事件觸發(fā)型EtherMAC總線通信。此過程多功能模塊作為主站存在，引緯模塊和電子剪刀模塊作為從站與多功能模塊通信。主軸編碼器反饋主軸角度給多功能模塊，編碼器角度變化觸發(fā)多功能模塊與引緯模塊、電子剪刀模塊完成信息交互。張力傳感器檢測布面張力，并將檢測信號反饋給多功能模塊，由其處理后上傳給上位主控模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。

圖2 下位控制模塊框架

IO模塊負(fù)責(zé)采集和控制對響應(yīng)速度要求較低的信號，如開車、急停、主軸電機(jī)啟動信號、報(bào)警四色燈等。IO模塊通過內(nèi)部周期性時間觸發(fā)型總線與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

多臂模塊是采用電子多臂機(jī)實(shí)現(xiàn)開口運(yùn)動的系統(tǒng)特有的功能模塊。用戶輸入布面組織圖后，布面組織信息通過總線下發(fā)給多臂模塊，多臂模塊將符合EtherMAC總線協(xié)議的布面組織數(shù)據(jù)包解析成多臂機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)能夠識別的數(shù)據(jù)格式，然后發(fā)送給多臂機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)而控制多臂機(jī)運(yùn)動。

送經(jīng)卷取模塊用作總線與伺服驅(qū)動器的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，主要負(fù)責(zé)從EtherMAC總線數(shù)據(jù)包中讀取伺服控制指令，并將其轉(zhuǎn)為伺服驅(qū)動器能夠識別的數(shù)據(jù)包格式，進(jìn)而分別下發(fā)給送經(jīng)/卷取伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動器，從而控制送經(jīng)/卷取運(yùn)動。

3 上位主控模塊

上位主控模塊主要完成以下功能：與下位控制模塊板卡通信，完成板卡參數(shù)配置，進(jìn)行織機(jī)狀態(tài)切換和張力控制；提供人機(jī)交互接口，與操作人員完成信息交互；提供聯(lián)網(wǎng)接口，與遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化。如圖3所示，上位主控模塊主要包括人機(jī)交互模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、通訊控制模塊、張力控制模塊和網(wǎng)卡驅(qū)動等子模塊。人機(jī)交互模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊以及通訊控制模塊通過共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，聯(lián)網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)將聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)與上位主控模塊聯(lián)接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

圖3 上位主控模塊框架

3.1 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊(HMI)運(yùn)行在前文所述的嵌入式觸摸ARM控制器中，是噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)為普通用戶預(yù)留的信息交互接口。如圖4所示，人機(jī)交互模塊主要包括狀態(tài)顯示、參數(shù)配置、報(bào)警記錄、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。用戶可以通過HMI模塊獲知噴氣織機(jī)實(shí)時運(yùn)行信息，配置噴氣織機(jī)運(yùn)行參數(shù)。HMI模塊通過共享內(nèi)存與通訊控制模塊進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)啟動時，HMI模塊首先讀取XML、INI等配置文件，處理后寫入共享內(nèi)存供通訊控制模塊讀取，完成控制系統(tǒng)的初始化配置過程。織機(jī)正常運(yùn)行過程中，HMI模塊從共享內(nèi)存中讀取通訊控制模塊反饋的織機(jī)轉(zhuǎn)速、張力、編碼器角度、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)，將信息顯示在人機(jī)交互界面上供用戶查看，并將報(bào)警信息保存到嵌入式數(shù)據(jù)庫中，便于后期故障診斷。HMI模塊能夠統(tǒng)計(jì)當(dāng)前班次的效率、產(chǎn)量、經(jīng)停次數(shù)、緯停次數(shù)等信息，并將信息存儲到嵌入式數(shù)據(jù)庫中，方便用戶查閱，進(jìn)而有針對性的進(jìn)行工藝優(yōu)化和生產(chǎn)規(guī)劃。若需要修改織機(jī)參數(shù)，可直接在人機(jī)交互界面上進(jìn)行修改，修改完成后，點(diǎn)擊保存，修改后的參數(shù)首先保存在配置文件中，然后將被寫入共享內(nèi)存由通訊控制模塊下發(fā)給下位控制模塊板卡，完成織機(jī)參數(shù)的修改。

圖4 人機(jī)交互模塊功能項(xiàng)

3.2 通訊控制模塊

通訊控制模塊是上位主控模塊中至關(guān)重要的子模塊，其主要實(shí)現(xiàn)3個功能：

a)通過共享內(nèi)存與HMI模塊進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，讀取HMI模塊寫入共享內(nèi)存的配置參數(shù)，將下位控制模塊反饋的信息寫入共享內(nèi)存，由上位主控模塊其他子模塊讀取。

b)通過EtherMAC總線與下位控制模塊進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互，將從共享內(nèi)存中讀取的配置參數(shù)下發(fā)給下位控制模塊，完成參數(shù)配置，計(jì)算、下發(fā)控制指令，接收下位控制模塊反饋的信息。

c)統(tǒng)計(jì)布面張力，調(diào)用張力控制接口，通過PID調(diào)節(jié)計(jì)算得到送經(jīng)/卷取伺服脈沖量。

通訊控制模塊需按照EtherMAC總線協(xié)議[10]運(yùn)行。先后經(jīng)過加載配置信息、打開網(wǎng)卡驅(qū)動、枚舉、配置后進(jìn)入周期通信狀態(tài)。在周期通信過程中，通訊控制模塊主要根據(jù)下位控制模塊反饋的信息進(jìn)行張力控制和報(bào)警處理。如圖5所示，織機(jī)運(yùn)行過程中主要有5種狀態(tài)：正常運(yùn)行狀態(tài)、經(jīng)停狀態(tài)、緯停狀態(tài)、急停狀態(tài)和正常停車狀態(tài)。正常周期通信過程中，通訊控制模塊會根據(jù)底層反饋數(shù)據(jù)包中報(bào)警信息和上層下發(fā)的控制指令進(jìn)行織機(jī)狀態(tài)的切換?？棛C(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，通訊控制模塊會將反饋的布面張力傳入張力控制接口。張力控制內(nèi)部函數(shù)將實(shí)測張力與目標(biāo)張力作對比，采取PID調(diào)節(jié)的方式，計(jì)算出伺服電機(jī)控制指令。通訊控制模塊得到電機(jī)控制指令后下發(fā)給伺服控制模塊，控制送經(jīng)/卷取電機(jī)的運(yùn)動，保證布面張力穩(wěn)定。

圖5 織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換

4 遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)需要將車間各織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及配置參數(shù)采集上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，由遠(yuǎn)程客戶訪問服務(wù)器查看，遠(yuǎn)程客戶并不局限于局域網(wǎng)內(nèi)部用戶，其他用戶同樣可以訪問。用戶可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端向車間中織機(jī)發(fā)送加密/解密指令，實(shí)現(xiàn)對織機(jī)的遠(yuǎn)程加密/解密。典型的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有B/S、C/S兩種模型。相比較C/S模型，B/S模型以其開發(fā)簡單、易于維護(hù)、無需特定客戶端的優(yōu)勢被越來越多用戶所選擇。車間織機(jī)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信有兩種方式：有線連接方式和無線連接方式?？紤]到織機(jī)車間復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，有線連接方式布線較復(fù)雜，且一般適用于內(nèi)部局域網(wǎng)，無線連接方式則無此限制。因此，本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)采用B/S模型設(shè)計(jì)，通過無線連接方式通信。

如圖6所示，噴氣織機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)在硬件方面需要以下設(shè)備：通用RS232/485串口、串口轉(zhuǎn)WIFI模塊(該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口RS232/485與WIFI的雙向透明傳輸)、工業(yè)路由器、服務(wù)器(本系統(tǒng)選擇的是云服務(wù)器)。噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)上位主控模塊中留有聯(lián)網(wǎng)模塊接口，遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)通過該接口與車間織機(jī)交換信息。系統(tǒng)通過串口將織機(jī)信息發(fā)送給串口轉(zhuǎn)wifi模塊，該模塊相當(dāng)于socket通信的客戶端，織機(jī)信息進(jìn)而上傳到云服務(wù)器中的socket服務(wù)器端軟件，即數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊解析數(shù)據(jù)包，處理后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊，從而完成將織機(jī)數(shù)據(jù)從車間上傳到云服務(wù)器的工作。當(dāng)遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端向Web服務(wù)器發(fā)送HTTP請求時，Web服務(wù)模塊根據(jù)請求與數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊交互數(shù)據(jù)，并對遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端作出響應(yīng)。遠(yuǎn)程客戶端與Web服務(wù)器的通信不需要專用硬件設(shè)備，只要用戶能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁，即可實(shí)現(xiàn)此過程。當(dāng)用戶需要進(jìn)行遠(yuǎn)程加密或解密時，可直接通過遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端登陸相應(yīng)權(quán)限頁面，向指定織機(jī)發(fā)送加密/解密指令。加密/解密指令通過HTTP請求被發(fā)送給Web服務(wù)模塊，進(jìn)而被存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊定時檢測數(shù)據(jù)庫中的加密/解密指令變化，并將讀取該指令，進(jìn)而通過socket通信的方式將加密/解密指令下發(fā)給車間織機(jī)控制系統(tǒng)，車間織機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)加密/解密指令信息，完成加密/解密工作。

圖6 遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)框架

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于EtherMAC總線的新型網(wǎng)絡(luò)化噴氣織機(jī)控制系統(tǒng)，模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)具備更好的靈活性和可擴(kuò)展性。引緯子系統(tǒng)單獨(dú)使用外部事件觸發(fā)型總線通信，使系統(tǒng)不僅滿足了新型系統(tǒng)對高速化的要求，同時降低了處理器的運(yùn)行壓力。聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的引入，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)生產(chǎn)車間的網(wǎng)絡(luò)化。用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)時查看織機(jī)運(yùn)行信息，并且可以遠(yuǎn)程加密/解密，降低了車間生產(chǎn)管理的人工成本。該系統(tǒng)現(xiàn)運(yùn)行于山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司研發(fā)的RFJA30新型噴氣織機(jī)，經(jīng)用戶反饋，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有很大的推廣價值。

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