基于車(chē)間聯(lián)網(wǎng)的化纖加彈機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)

王劍浪，黃培軍，周青青，陳志偉

（浙江精功科技股份有限公司，浙江 紹興 312030）

1 控制系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)該車(chē)間總共擁有N臺(tái)加彈機(jī)，車(chē)間的監(jiān)控平臺(tái)由以太網(wǎng)的端口與車(chē)間內(nèi)部的每臺(tái)加彈機(jī)相連，企業(yè)的總監(jiān)控中心工作人員可以輸入相應(yīng)的IP地址，訪問(wèn)生產(chǎn)車(chē)間網(wǎng)站，觀察每臺(tái)化纖加彈機(jī)的運(yùn)行情況，同時(shí)，可在上位機(jī)中對(duì)機(jī)器運(yùn)行的相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置或調(diào)節(jié)，向下位機(jī)發(fā)出相關(guān)的指令。然后，下位機(jī)接收指令以后，立即執(zhí)行任務(wù)。具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)下圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)化可編程控制器

第一，該系統(tǒng)主要采用PEC4900的可編程式控制設(shè)備。這是當(dāng)前一種先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，融合了以太網(wǎng)、MB+高速總線、Profibus總線、ZigBee通信技術(shù)。主要具有以下優(yōu)勢(shì)：其一，具有良好的開(kāi)放性，支持EPA標(biāo)準(zhǔn)的高速以太網(wǎng)，還支持Modbus TCP/UDP的協(xié)議，可以兼容各類(lèi)軟件。其二，具有極快的網(wǎng)絡(luò)通信速度極快。其三，支持RS485標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，并且和第三方設(shè)備相連。其四，EPA，MB+Modbus、Profibus、ZigBee幾種網(wǎng)絡(luò)之間可以隨意組合，輕松達(dá)到無(wú)限點(diǎn)的自由組態(tài)。其五，可以最大化地確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其六，編程軟件PLC支持功能模塊，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)際情況，統(tǒng)一編程，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分布式的控制。其七，通過(guò)模塊化的控制模式，每個(gè)模塊既能夠獨(dú)自完成工作，又能夠利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，形成一個(gè)控制系統(tǒng)，帶有級(jí)大的靈活性。第二，本系統(tǒng)主要采用了PEC4900控制器，能夠有效地對(duì)機(jī)器運(yùn)行的狀態(tài)加以控制，并且可以準(zhǔn)確地算出所有的參數(shù)，便于快速讀取數(shù)據(jù)，例如溫度、轉(zhuǎn)速。此外，還能夠準(zhǔn)確地讀寫(xiě)設(shè)備中所有電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。同時(shí)，對(duì)于絲線的卷繞成型，也可以較好地控制重復(fù)，實(shí)現(xiàn)順利退繞。綜上所述，在以太網(wǎng)作用下，將控制器與上位機(jī)有機(jī)地連接起來(lái)，達(dá)到良好的通信效果，將采集的信息經(jīng)以太網(wǎng)的端口，傳入上位機(jī)里。上位機(jī)發(fā)出的指命也由以太網(wǎng)傳進(jìn)控制器中，控制器會(huì)按照相應(yīng)的操作指令，控制車(chē)間中所有機(jī)器的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的主要控制功能

2.1 溫度控制

在化纖加彈機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)中，溫度控制是一項(xiàng)重要控制技術(shù)。對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫度進(jìn)行有效地控制，可以確保紡絲的質(zhì)量。對(duì)于系統(tǒng)的溫度控制，主要通過(guò)AI05000模塊完成。第一，控制模塊的硬件連接。AI05000模塊總共有8路輸入與輸出的模擬量。這些模擬量輸入時(shí)需要連接鉑電阻的模塊，而輸出需要接到PEC4900。該模塊利用RS-485、PEC4900網(wǎng)絡(luò)化可編程控制器相連，將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇EC4900里。例如：每臺(tái)加彈機(jī)總共有十二節(jié)車(chē)，每節(jié)車(chē)皆設(shè)有單獨(dú)的熱箱，對(duì)本節(jié)車(chē)進(jìn)行溫控。在每個(gè)熱箱中選擇兩點(diǎn)，做為控溫、測(cè)溫的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)需要裝設(shè)一個(gè)鉑電阻的模塊，測(cè)量溫度。這樣，一節(jié)車(chē)總共需要采集兩個(gè)輸入點(diǎn)溫度。則A側(cè)應(yīng)當(dāng)需要采集二十四次輸入點(diǎn)的溫度，總共要設(shè)置三個(gè)AI05000的溫控模塊。根據(jù)多點(diǎn)控溫的相關(guān)原理，可以對(duì)每節(jié)車(chē)運(yùn)行中的溫度進(jìn)行獨(dú)立控制，保持較高的溫控精度，進(jìn)而達(dá)到均勻加熱絲線的目的。第二，溫度控制的計(jì)算方法分析。基于AI05000的PID溫控流程，既控制精度較高，又可以確保系統(tǒng)具有適宜的溫度。采用PID算法，完成多路控溫，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)固體繼電器進(jìn)行有效地控制，更好地控制熱箱的工作狀態(tài)，達(dá)到精確控制溫度的目的。此外，PID控制器還可以調(diào)節(jié)輸出，保證沒(méi)有偏差，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。所謂的偏差，就是給定值和過(guò)程變量之差。依據(jù)PID的相關(guān)理論：關(guān)于輸出Mn的計(jì)算，主要通過(guò)微分項(xiàng)、比例項(xiàng)、積分項(xiàng)的函數(shù)關(guān)系式。其中，Mn代表第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值；MPn代表對(duì)應(yīng)的比例項(xiàng)；Min、MDn分別代表相對(duì)的積分項(xiàng)、微分項(xiàng)。這里的比例項(xiàng)為增益與偏差的乘積。CPU求比例項(xiàng)的公式為：（Ei－Ei-1），MPn代表對(duì)應(yīng)的比例項(xiàng)值；P代表增益；Ei代表對(duì)應(yīng)的偏差值；Ei-1代表偏差值。積分項(xiàng)Min是增益K與偏差的乘積；K決定對(duì)偏差的靈活程度；偏差是定值和過(guò)程變量之差。CPU求積分的計(jì)算公式如下：（SPn－PVn），其中，Min為積分項(xiàng)；K為增益；SPn為給定值；PVn為過(guò)程變量。MDn與增益值和偏差變化成正相關(guān)。CPU求微分項(xiàng)的公式為（Ei－ 2Ei-1＋Ei-2），其中，MDn代表對(duì)應(yīng)的微分項(xiàng)值；K代表增益；Ei代表對(duì)應(yīng)的偏差值；Ei-1代表前一次的偏差值；Ei-2代表前二次產(chǎn)生的偏差。

借助PID理論對(duì)溫度的調(diào)節(jié)，可得到相應(yīng)的溫度變化曲線圖，最終使得溫度恢復(fù)到初始設(shè)定值，見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)的溫度變化曲線圖

該系統(tǒng)的溫控功能，能夠?qū)崟r(shí)性地對(duì)設(shè)備的運(yùn)行溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制。若溫度超時(shí)報(bào)警，則在電器柜上，會(huì)閃爍報(bào)警的紅燈。同時(shí)，人機(jī)界面屏也能夠觀察到溫度異常的熱箱。此外，溫控系統(tǒng)還能夠進(jìn)行人工補(bǔ)償，讓實(shí)際工作中，所有熱箱的溫度值等于顯示值，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 速度控制

該系統(tǒng)主要采用FC360變頻器與永磁電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，讓機(jī)械設(shè)備處于恒定速度的拉絲狀態(tài)。這種變頻器具有良好的性能，一般能夠適合多種控制原理。如UIf電動(dòng)機(jī)模式等。通常情況下，化纖加彈機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)；其一，保證機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中絲線具有恒定不變的張力，就是指每臺(tái)電機(jī)具有穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。其二，關(guān)于絲線的卷繞成型，工作人員需要對(duì)動(dòng)程進(jìn)行修正，防止絲線的重疊，以實(shí)現(xiàn)順利退繞?；w加彈機(jī)嵌入式的控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用了先進(jìn)的FC360變頻設(shè)備，以及永磁同步電機(jī)技術(shù)，確保電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、絲餅卷繞方面皆可達(dá)到規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 切絲斷絲控制

該系統(tǒng)內(nèi)部安裝了單錠計(jì)長(zhǎng)的裝置，用來(lái)對(duì)紡絲生產(chǎn)進(jìn)行規(guī)劃與控制。在人機(jī)界面上設(shè)置分特?cái)?shù)、卷繞重量、定重后切絲的延長(zhǎng)時(shí)間等參數(shù)，界面屏上會(huì)顯示當(dāng)前每錠紡絲的實(shí)際重量。在單錠生頭的時(shí)候，需要開(kāi)啟機(jī)器的定時(shí)開(kāi)關(guān)，若絲線達(dá)到事先設(shè)定的長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)亮起相應(yīng)的落絲指示燈；如果過(guò)了一段時(shí)間，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)落絲，則通過(guò)切絲器切斷原絲。若在紡絲期間產(chǎn)生了斷絲，切絲器會(huì)進(jìn)行切斷。同時(shí)，確保定重的寄存器處于歸零狀態(tài)。

3 系統(tǒng)的通信監(jiān)控技術(shù)

第一，聯(lián)網(wǎng)的化纖加彈機(jī)控制系統(tǒng)，采用主從式的通信構(gòu)造，通過(guò)一臺(tái)PC機(jī)，控制很多嵌入的控制系統(tǒng)，PC機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)布控制指令或信息請(qǐng)求?？刂葡到y(tǒng)會(huì)接收上位機(jī)的信息并予以回應(yīng)，按照具體要求返回指定信息。每個(gè)系統(tǒng)皆安裝和加彈機(jī)相匹配的設(shè)備ID，PC機(jī)與控制系統(tǒng)發(fā)布的信息皆帶有設(shè)備的ID信息，利用設(shè)備ID，可以辨別信息的來(lái)源與接收人。第二，嵌入式的人機(jī)界面，經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)端口，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的有效通信，界面由以太網(wǎng)和可編程控制器相連，由RS-485、NCC2000計(jì)長(zhǎng)板相連，采集運(yùn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)。通過(guò)DHMI界面的組態(tài)軟件，對(duì)系統(tǒng)的信息進(jìn)行采集，并且形成報(bào)表，儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。這樣，客戶或企業(yè)的管理者可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)時(shí)訪問(wèn)監(jiān)控的界面，進(jìn)而掌握運(yùn)行設(shè)備的實(shí)際狀況。由于ITC 1015共設(shè)三個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，其中兩個(gè)連PEC4900，另一個(gè)連監(jiān)控器。如果IP地址發(fā)生了沖突，可設(shè)置網(wǎng)橋加以解決。此外，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可以將設(shè)備的產(chǎn)量、效率、班產(chǎn)量等信息儲(chǔ)存于人機(jī)界面，客戶在監(jiān)控設(shè)備中，直接調(diào)取機(jī)器的工作報(bào)表，同時(shí)，依據(jù)其中內(nèi)容，合理判斷機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了車(chē)間的信息化管理。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加彈機(jī)的功能不斷增多，未來(lái)化纖加彈機(jī)還會(huì)朝著智能化方向發(fā)展。在日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，唯有順利時(shí)代潮流的加彈機(jī)產(chǎn)品，才會(huì)占有較好的市場(chǎng)份額。本文的化纖加彈機(jī)，應(yīng)用了嵌入式的控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用表明：機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，各項(xiàng)控制性能良好，無(wú)論采集數(shù)據(jù)還是各類(lèi)的生產(chǎn)報(bào)表，其測(cè)試的準(zhǔn)確率皆達(dá)到100%。依據(jù)報(bào)表中對(duì)原絲與紡絲工藝的記錄展開(kāi)分析，有效地解決了紡絲中的實(shí)際問(wèn)題，取得了預(yù)期目標(biāo)。