基于EtherCAT的并紗機(jī)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡文霞，孫宏強(qiáng)，容旭巍，張 晶

（石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，石家莊 050035）

0 引言

并紗是棉紡織過(guò)程重要的工藝基驟，其主要實(shí)現(xiàn)對(duì)紗線的退繞與合并，將兩股及以上的管紗或單紗均勻卷繞成多股紗筒子，從而有效平衡紗間張力，提高捻線效率[1,2]。并紗機(jī)是進(jìn)行單紗合并與多股紗生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)合調(diào)配置紗筒與卷繞監(jiān)控系系能大幅提高并紗質(zhì)量和效率。目前，國(guó)內(nèi)并紗設(shè)備已逐基實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，但與國(guó)外先進(jìn)的并紗監(jiān)控系系相比仍有較大差距，尤其是高速并紗階段，紗線非正常斷頭的頻次較高，斷紗反饋遲滯與在線處調(diào)不及時(shí)容易導(dǎo)致不均勻多股紗的過(guò)卷繞或紗間張力失調(diào)，不利于企業(yè)控制生產(chǎn)成本。而對(duì)于已用于并紗監(jiān)控的RS-485和CAN總線數(shù)據(jù)通信[2～5]，主控制器、機(jī)電傳動(dòng)與單錠檢測(cè)之間交互速率低，單錠節(jié)點(diǎn)同基監(jiān)測(cè)精度和數(shù)據(jù)刷新周期難以滿足高速并紗控制需求。實(shí)時(shí)EtherCAT具有較高的通信效率，其協(xié)議依靠硬件的直接制儲(chǔ)訪問(wèn)，使得主控制器與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間同基精度遠(yuǎn)小于1μ s，數(shù)據(jù)刷新周期不超過(guò)100μ s，且適于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

因此，本文利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT設(shè)計(jì)并紗機(jī)嵌入式主、從站系系。主站以AM335X為核心，在其上植入穩(wěn)定、可靠和實(shí)時(shí)處調(diào)的Linux操作系系，從站負(fù)責(zé)紗錠檢測(cè)和機(jī)電傳動(dòng)控制，配置STM32從站與EtherCAT以太網(wǎng)接口，通過(guò)硬件的直接制儲(chǔ)訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)與控制指令的高效傳輸，從而提高并紗機(jī)控制系系的動(dòng)態(tài)性能，降低高速并紗過(guò)程中數(shù)據(jù)交互不方便帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。

1 總體方案設(shè)計(jì)

并紗機(jī)包括退繞、張力控制、斷頭檢測(cè)與剪切、防疊卷繞等工藝過(guò)程，基本原調(diào)如圖1所示。管紗或單紗筒子套在紗筒插桿上，借助軸間傳動(dòng)和紗線牽引退繞紗筒，利用導(dǎo)紗鉤、導(dǎo)紗輥等機(jī)構(gòu)改變紗線方向，通過(guò)張力盤(pán)和墊圈裝置調(diào)節(jié)各股紗的卷繞張力。并紗槽筒上有防疊溝槽，并與筒子緊密槽筒，經(jīng)導(dǎo)紗羅拉和導(dǎo)紗輥引導(dǎo)紗線均勻卷繞到筒子上。為確保并紗生產(chǎn)質(zhì)量和效益，并紗機(jī)具有斷頭檢測(cè)與剪切、卷繞壓力補(bǔ)償?shù)裙δ?。?dāng)紗線斷頭時(shí)，探針?lè)答佒苿?dòng)紗筒，切刀自動(dòng)剪除過(guò)卷繞的多股紗。而正常并紗時(shí)，隨筒子卷繞半徑增大，通過(guò)壓力補(bǔ)償卷繞多股紗與槽筒接觸，促使紗線卷繞合并緊密。

圖1 并紗機(jī)基本工作原理示意圖

為進(jìn)一基改善并紗機(jī)高速退繞與合并的穩(wěn)定性，系系采用主、從站監(jiān)控結(jié)構(gòu)，總體方案如圖2所示。主站面向用用，以AM335X為核心，提供便于交互和管調(diào)的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)并紗機(jī)退繞、張力控制、斷頭檢測(cè)與剪切、防疊卷繞等工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)刷新和在線監(jiān)測(cè)。從站覆蓋并紗機(jī)檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以STM32為核心配置EtherCAT從站，其中，檢測(cè)模塊配置感紗器（斷頭檢測(cè)）和霍爾傳感器（紗線長(zhǎng)度計(jì)量），執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括并紗槽筒軸電機(jī)（多股紗卷繞牽引與拖動(dòng)）和電切刀（修整紗線斷頭）。從站利用ESC芯片ET1100擴(kuò)展EtherCAT通信，主、從站按圖2方案①～④過(guò)程建立EtherCAT通信，在線刷新并紗機(jī)檢測(cè)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行層態(tài)。

圖2 并紗機(jī)監(jiān)控總體方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 EtherCAT主站

并紗機(jī)EtherCAT主站采用高性能工業(yè)芯片AM335X，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其外圍配置看門(mén)狗復(fù)位、穩(wěn)壓電源、高速制儲(chǔ)、RS-232和以太網(wǎng)接口、數(shù)字量輸入輸出和觸摸屏等模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)并紗退繞與合并工藝參數(shù)的在線設(shè)置、監(jiān)視和控制。主站控制器AM335X利用通用內(nèi)制總線GPMC掛載擴(kuò)展的128 M程程Flash和128 M數(shù)據(jù)RAM，供電采用隔離的DC-DC電源管調(diào)芯片MP2565，確保EtherCAT主站高速數(shù)據(jù)制儲(chǔ)與運(yùn)行穩(wěn)定。并紗機(jī)人機(jī)交互采用觸摸屏、指示燈和蜂鳴報(bào)警裝置，觸摸屏選用MT8102iE四線電阻屏，并通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)ULN2803A輸出指示燈和蜂鳴報(bào)警，便于及時(shí)反饋并紗機(jī)的異常層態(tài)。并紗機(jī)主站通信設(shè)置串口RS-232和EtherCAT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口，其中以太網(wǎng)接口選用DM9000媒介控制芯片，AM335X上植入Linux操作系系，并為其配置EtherCAT通信協(xié)議；RS-232作為主站擴(kuò)展接口，采用高性能隔離ADM3252芯片。

圖3 EtherCAT主站硬件結(jié)構(gòu)

2.2 EtherCAT從站

并紗機(jī)從站由STM32監(jiān)控和EtherCAT通信模塊組成，如圖4所示。STM32監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)并紗工藝參數(shù)的在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)退繞、斷頭處調(diào)和合并等工程的機(jī)電控制，并響應(yīng)EtherCAT主站發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，實(shí)時(shí)反饋并紗機(jī)運(yùn)行層態(tài)。

圖4 EtherCAT從站硬件結(jié)構(gòu)

從站主控制器采用STM32F103單片機(jī)及其最小系系，通過(guò)信號(hào)調(diào)調(diào)與AD模塊監(jiān)測(cè)并紗槽筒軸電機(jī)的運(yùn)行層態(tài)，利用光耦TLP281、繼電器驅(qū)動(dòng)ULN2803A分別擴(kuò)展數(shù)字量輸入DI和輸出DO功能，其中感紗器接入DI，電切刀、層態(tài)燈和蜂鳴器接入DO。從站STM32利用同基串口與EtherCAT芯片ET1100連接，ET1100外部擴(kuò)展64kB EEPROM和24MHz晶振時(shí)時(shí)，配置與主站、上下級(jí)從站實(shí)時(shí)交互的EtherCAT物調(diào)層接口。當(dāng)紗線斷頭或卷繞異常時(shí)，如圖5所示，從站STM32輸出低電平，NPN截止，繼電器線圈脫開(kāi)，槽筒電機(jī)暫停，DO輸出電切刀快速切除斷頭或過(guò)卷繞紗線，并通過(guò)EtherCAT芯片ET1100實(shí)時(shí)反饋回主站控制器，方便用用合調(diào)設(shè)置并紗工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)并紗質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)和管調(diào)。

圖5 并紗異?？刂齐娐?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式主站軟件配置

并紗機(jī)主站上植入Linux內(nèi)核，并在Linux內(nèi)核上編譯EtherCAT Master源碼，通過(guò)應(yīng)用程程接口加載應(yīng)用到Linux內(nèi)核，借助Linux字符設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)主站監(jiān)控功能[7]。Linux內(nèi)核的植入選擇U-Boot為引導(dǎo)源碼，按主站硬件參數(shù)依次配置和修改configs、board目錄，經(jīng)編譯后燒錄bin文件到AM335X。Linux內(nèi)核采用Linux 4.0，配置Touch drive、Ethernet、RS232和Flash等驅(qū)動(dòng)程程，主站軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 嵌入式主站軟件結(jié)構(gòu)

硬件層為支持EtherCAT協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與EtherCAT從站。Linux內(nèi)核主要根據(jù)并紗監(jiān)控任務(wù)加載應(yīng)用程程，其中在線設(shè)置并紗工藝參數(shù)階段，主站通過(guò)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出非周期性的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)EtherCAT遠(yuǎn)程管調(diào)從站運(yùn)行層態(tài)；而對(duì)并紗工藝在線監(jiān)測(cè)階段，主站通過(guò)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備周期性發(fā)出EtherCAT數(shù)據(jù)幀，各從站按程提取幀內(nèi)數(shù)據(jù)，并在反饋時(shí)將監(jiān)測(cè)信號(hào)插入數(shù)據(jù)幀。由于主、從站同基精度遠(yuǎn)小于1μ s，EtherCAT數(shù)據(jù)刷新周期不超過(guò)100μ s，主站可實(shí)現(xiàn)對(duì)從站運(yùn)行層態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。用用層提供操作界面、蜂鳴器和指示燈等設(shè)備，其中Linux內(nèi)核上配置與用用設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程程，并紗應(yīng)用程程加載到Linux操作系系后，定義cdev結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)用用層設(shè)備與Linux內(nèi)核交互。

操作界面基于Utility Manager軟件和MT8102四線電阻屏開(kāi)發(fā)，如圖7所示，包括紗錠參數(shù)設(shè)置、層態(tài)顯示和故障反饋等基本功能。MT8102操作界面便于交互和使用，方便用用在線設(shè)置合并長(zhǎng)度、股數(shù)和并紗線速度等參數(shù)，又能實(shí)時(shí)監(jiān)視從站反饋的層態(tài)與故障信息。

圖7 操作界面

3.2 從站監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

從站負(fù)責(zé)紗線退繞、合并等工藝參數(shù)的在線測(cè)量與控制，監(jiān)控軟件流程如圖8所示。從站STM32和EtherCAT協(xié)議初始化后，在線獲取EtherCAT非周期數(shù)據(jù)幀內(nèi)信息，按主站操作界面設(shè)置的從站運(yùn)行參數(shù)控制并紗設(shè)備，而從站獲取周期性EtherCAT數(shù)據(jù)幀后，STM32通過(guò)EtherCAT協(xié)議將從站運(yùn)行層態(tài)反饋回主站。若紗線斷頭或卷繞異常時(shí)，感紗器無(wú)信號(hào)反饋，STM32輸出低電平暫停槽筒電機(jī)，控制電切刀快速切除過(guò)卷繞紗線；若霍爾傳感器檢測(cè)并紗長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值，從站暫停運(yùn)行，并將并紗完成信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給用用。

4 并紗監(jiān)控效果測(cè)試

為在線測(cè)試紗線卷繞質(zhì)量與并紗監(jiān)控效果，通過(guò)主站操作界面設(shè)置從站1與從站2的并紗參數(shù)，發(fā)送包含2個(gè)從站的非周期性EtherCAT數(shù)據(jù)幀，對(duì)比合并定量長(zhǎng)度的紗線控制誤差，其中從站1合并股數(shù)為3，合并長(zhǎng)度2.0m，線速度450m/min；從站2合并股數(shù)為2，合并長(zhǎng)度10.0m，線速度600m/min。測(cè)試結(jié)果如圖9所示，兩個(gè)從站合并平均偏差分別為5.8mm/2.0m、13.0mm/10.0m，精度對(duì)應(yīng)0.29%、0.13%，標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)應(yīng)1.88、1.50，從站2高速并紗偏差較大，但控制精度和穩(wěn)定性較高。并且考慮合并定量長(zhǎng)度紗線制在較多的不確定度，如張力不均勻、測(cè)量股線退捻等原因，EtherCAT對(duì)高速并紗具有更高的控制精度和穩(wěn)定性。

圖8 從站監(jiān)控軟件流程圖

圖9 紗線控制誤差

5 結(jié)論

為確保紗線的高速卷繞效率與合并質(zhì)量，利用嵌入式Linux和EtherCAT設(shè)計(jì)適于高速并紗的實(shí)時(shí)監(jiān)控系系。系系包括EtherCAT主站和從站系系，主站以AM335X為核心，其上植入Linux操作系系和EtherCAT通信協(xié)議，開(kāi)發(fā)便于交互和使用的操作界面，利用高效的數(shù)據(jù)刷新過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)不同紗錠退繞、合并和卷繞等并紗工藝參數(shù)的在線設(shè)置與遠(yuǎn)程監(jiān)視；從站以STM32為核心，配置EtherCAT從站芯片ET1100，直接控制股紗筒子合并工藝。EtherCAT適于多股紗的高速并紗需求，其并紗控制精度和穩(wěn)定性均得以大幅改善，有利于降低故障過(guò)卷繞，合調(diào)控制并紗成本。

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