噴水織機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

牛亭舒，陸梓曉，林 碩，呂亞男

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系 蘇州 江蘇 215100)

1 引言

為了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)噴水織機(jī)的高效工作，控制系統(tǒng)中對系統(tǒng)相應(yīng)速度、位置監(jiān)控、角度控制、送經(jīng)控制以及卷曲控制有較高的要求[2-3]。然而，目前我國的噴水織控制器多采取主從式多級控制或者集散控制[4]，無法滿足告訴織機(jī)的自動(dòng)化操作以及高精度要求。因此，本文設(shè)計(jì)一種噴水織機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，硬件方面采用高效的核心控制部件，提高系統(tǒng)的的整體性能，軟件方面通過完善編碼器算法、通信算法、采用代碼簡便的接口函數(shù)，完成電子送經(jīng)、卷取、剪刀以及絞邊等，以實(shí)現(xiàn)高精度控制，提高織物質(zhì)量。

2 噴水織機(jī)硬件設(shè)計(jì)

作為噴水織機(jī)的大腦，自動(dòng)化控制系統(tǒng)決定著織機(jī)的各項(xiàng)操作流程。通過主軸的角度的測試，將測量信號(hào)通過控制系統(tǒng)的算法分析來控制織機(jī)的送經(jīng)、卷取、夾紗、選緯、儲(chǔ)緯等。噴水織機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電子送經(jīng)、斷經(jīng)、自動(dòng)定位停車、電子卷取、自動(dòng)斷緯定位、點(diǎn)動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等功能。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，如圖1所示，主要硬件包括電池電源板，輸入輸出板以及伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O板、電源板基本配置。當(dāng)輸入輸出板獲取信號(hào)后，由主控分析處理，通過通訊傳輸?shù)捷斎胼敵霭澹倏刂迫缱冾l器等模塊。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 控制器

與以往的噴水織機(jī)控制通過控制器與伺服的共同作用不同，本設(shè)計(jì)選用伺服驅(qū)動(dòng)一體設(shè)備，具備噴水主控、電子送經(jīng)、電子卷取及花樣控制的功能。較以往的單機(jī)CPU控制，升級為32位高性能微處理器，直接進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)，并通過控制算法縮短了響應(yīng)時(shí)間，解決了多設(shè)備控制中，信號(hào)不匹配，產(chǎn)品不兼容，性能不穩(wěn)定的問題。該控制系統(tǒng)作用下，主控伺服主要通過CAN 通訊方式輸入和輸出信號(hào)。主軸編碼器發(fā)送的角度信號(hào)到達(dá)伺服控制處，經(jīng)內(nèi)部算法后輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電子送經(jīng)控制。

2.2 電機(jī)

伺服電機(jī)安裝前需要進(jìn)行防銹處理，且安裝過程中注意軸伸端的保護(hù)，以保證內(nèi)部編碼器的完好。與機(jī)械連接時(shí)，需要使用聯(lián)軸節(jié)，并使伺服電機(jī)的軸心與機(jī)械的軸心保持在一條直線上，且需符合定心精度要求。

2.3 面板及觸摸板

手操面板如圖2所示。各按鈕功能如下：預(yù)備代表吸水風(fēng)機(jī)電源，給入準(zhǔn)備信號(hào)；正轉(zhuǎn)命令是指按下按鈕，系統(tǒng)正向運(yùn)轉(zhuǎn)；按下停止按鈕時(shí)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)鎖定停止按鈕，逆時(shí)針選擇解除鎖定；反轉(zhuǎn)按鈕按下后，系統(tǒng)反向運(yùn)轉(zhuǎn)；剎車則是開關(guān)打到上方“ON”位置，剎車功能開啟，反之關(guān)閉。

圖2 手操面板

觸摸屏拓?fù)鋱D如圖3所示，觸摸屏具有擋車、機(jī)修、管理和說明功能。通過擋車功能，可以進(jìn)行落布、換經(jīng)、手動(dòng)操作。機(jī)修模塊涵蓋儲(chǔ)緯、引緯、探緯、檔子、花紋、多臂等。管理模塊可以進(jìn)行換班登記、日報(bào)表和周報(bào)表、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖3 觸摸屏拓?fù)鋱D

2.4 定位停車

系統(tǒng)定位停車在噴水織機(jī)的操作流程中作用顯著，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的剎車定位決定著花樣花紋，如果剎車控制不精準(zhǔn)，導(dǎo)致定位停車失誤，則會(huì)出現(xiàn)花色錯(cuò)位或者停機(jī)等問題。本系統(tǒng)剎車控制采用雙線圈剎車，采用高低壓剎車控制方式，確保定位剎車準(zhǔn)確，剎車控制電路采取反向消磁電路，降低了剎車盤磁化的可能性。

初中階段涉及的函數(shù)有一次函數(shù)、二次函數(shù)、正比例函數(shù)、反比例函數(shù)等，數(shù)學(xué)教師在教學(xué)過程中可以將初中階段所涉及不同函數(shù)的概念、解析式、圖像、性質(zhì)等方面進(jìn)行對比講解，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，可以更好的區(qū)分不同函數(shù)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。教師將相關(guān)函數(shù)知識(shí)聯(lián)系起來進(jìn)行教學(xué)，可以更好的加深學(xué)生的記憶，有助于學(xué)生更好的掌握不同函數(shù)的相關(guān)知識(shí)，提高教學(xué)效率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的噴水織機(jī)控制系統(tǒng)有通信模式、待機(jī)模式、引緯模式、關(guān)車模式等四個(gè)模式。設(shè)計(jì)規(guī)定每個(gè)模式完成任務(wù)后，則回到待機(jī)模式。通過圖4所示流程，匹配中斷和其中的優(yōu)先選項(xiàng)。隨后匹配外置模塊，如串連接口等環(huán)節(jié)。最后通過導(dǎo)入對應(yīng)函數(shù)，根據(jù)編碼設(shè)備提供的主軸角度，控制引緯。

圖4 系統(tǒng)軟件整體流程圖

3.1 通信模塊

為了杜絕通信模塊功能在生產(chǎn)現(xiàn)場容易因電門電源以及棉線花絮等造成的通信失敗，本設(shè)計(jì)軟件部分采用HostLink通信協(xié)議，該協(xié)議允許命令傳送給 HostLink命令系統(tǒng)的可編程控制器，用來分析指令并將數(shù)據(jù)重新上傳至上位機(jī)，能夠完善檢驗(yàn)機(jī)制，精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)可編程控制器與微計(jì)算器。

通信過程完成后，會(huì)自動(dòng)返回且關(guān)閉端口相關(guān)功能。只有轉(zhuǎn)變現(xiàn)有狀態(tài)，才能開辟新信息通道，通過導(dǎo)入到既定程序中，實(shí)現(xiàn)新一輪的通信。收到通信信號(hào)說明處理器收到可編程控制器的傳輸反饋。為了提高所用計(jì)算函數(shù)的可信度，在通信流程結(jié)束后，需要開展對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。

3.2 編碼器模塊

噴水織機(jī)主要通過主軸的角度來控制工藝操作，主軸的角度由角度采集電路（圖5）進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，并由編碼器傳送到控制主板。本設(shè)計(jì)中的角度采集采用了光電軸交互式轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器，可以有效保證編碼穩(wěn)定性。該編碼器在織機(jī)主軸上輸出3個(gè)相位信號(hào)，經(jīng)過隔離、濾波處理后，輸入到控制器中，實(shí)時(shí)跟蹤角度的變化。本文設(shè)計(jì)的編碼器外接置于電動(dòng)機(jī)上方，需要保持編碼器與電動(dòng)機(jī)的速度比例比為1:1。為了簡化程序，本設(shè)計(jì)采用STM32處理器的交互式接口，通過直接調(diào)用接口函數(shù)，簡化代碼，提高信號(hào)的可信度。通過STM32處理器與編碼器接口相結(jié)合，系統(tǒng)則可得出主軸角度。

圖5 角度控制電路

當(dāng)角度在0°到90°時(shí)壓水凸輪機(jī)構(gòu)完成壓水動(dòng)作，90°左右時(shí)儲(chǔ)緯器的指棒打開，然后夾紗器在100°左右松開，使壓水凸輪所產(chǎn)生的高速水流帶動(dòng)緯紗向前噴出，在95°到120°之間儲(chǔ)緯器一直放緯，120°之后指棒和夾紗器同時(shí)關(guān)閉，儲(chǔ)緯器不再放紗，夾紗器把緯紗加緊使其繃直，放出的緯紗在水流的帶動(dòng)下在250°左右的時(shí)候到達(dá)導(dǎo)板，接著開口機(jī)構(gòu)的角度一直變大，使緯紗可以順利噴入織口，在270°到360°之間打緯機(jī)構(gòu)將緯紗打入織口，然后15°到25°時(shí)上下手剪刀將緯紗定長剪斷，往復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)織機(jī)自動(dòng)化。

3.3 送經(jīng)模塊

噴水織機(jī)中電子送經(jīng)是重要步驟之一，送經(jīng)的張力控制不到位會(huì)導(dǎo)致斷裂甚至全車停機(jī)。本設(shè)計(jì)中送經(jīng)控制主要通過張力傳感器檢測到的模擬量信號(hào)輸出，由于干擾信號(hào)的存在，需要通過一定的算法進(jìn)行濾波計(jì)算，得出正確的張力輸出值，根據(jù)計(jì)算好的張力設(shè)定值和張力監(jiān)測值，得出張力偏差值。通過自整定算法計(jì)算出比例和積分參數(shù)等，再計(jì)算出送經(jīng)速度，由伺服電機(jī)按照計(jì)算速度運(yùn)行，保證送經(jīng)質(zhì)量。

圖6 送經(jīng)控制流程

3.4 探緯模塊

該控制系統(tǒng)中，當(dāng)PS探緯同步信號(hào)（探緯角度區(qū)間檢測與發(fā)送成功信號(hào)后指示燈亮），其中IN表示探緯成功信號(hào)，STOP表示探緯失敗信號(hào)。旋鈕中，SENS指靈敏度，PS-D表示探緯區(qū)間延時(shí)，PS-W表示探緯區(qū)間寬度。數(shù)字顯示中，0為正常，5表示探緯失敗。在探緯區(qū)間內(nèi)，當(dāng)探緯頭檢測到探緯信號(hào)時(shí)（IN燈亮起）將探緯成功信號(hào)發(fā)送給主控板，主控板發(fā)送探緯同步信號(hào)給探緯盒（PS燈亮起），探緯盒顯示數(shù)字0表示探緯成功。

3.5 管理模式

織機(jī)控制系統(tǒng)中管理模式可以進(jìn)行人員換班設(shè)置、進(jìn)行班報(bào)表、日報(bào)表、查詢送經(jīng)記錄、換經(jīng)記錄等。可以根據(jù)定制化要求設(shè)定每日總班次及對應(yīng)工作時(shí)間，并生成自動(dòng)換班表，報(bào)表內(nèi)容包括時(shí)間、布長、緯數(shù)、效率、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、停臺(tái)次數(shù)及時(shí)間等。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 運(yùn)行調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試一般包括空車調(diào)試和上機(jī)調(diào)試。

空車調(diào)試是指不加載物料時(shí)的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，是設(shè)備安裝完畢、系統(tǒng)設(shè)計(jì)后的整體調(diào)試運(yùn)行，如圖7所示?？哲囌{(diào)試的特點(diǎn)是檢驗(yàn)機(jī)械和系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)是否能夠正常運(yùn)行，往往包括各部分單機(jī)手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行調(diào)試和整機(jī)運(yùn)行調(diào)試。其中整機(jī)運(yùn)行調(diào)試包括慢速、中速和快速運(yùn)行調(diào)試。

圖7 空車調(diào)試流程

空車調(diào)試過程中登陸系統(tǒng)后，進(jìn)行系統(tǒng)和參數(shù)配置。通過角度對準(zhǔn)，保證機(jī)械角度和電氣角度一致。確認(rèn)電子送經(jīng)方向，也就是保證送經(jīng)方向和卷取方向與工藝方向一致。如不一致，則需進(jìn)入送經(jīng)設(shè)置或者卷取設(shè)置進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

在點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)動(dòng)織機(jī)，觀察碼盤角度方向是否增大，如果減小且用戶沒有使用變頻器或者尋緯變頻開關(guān)關(guān)閉，則將外部供電相序調(diào)換；如果用戶使用變頻器且尋緯變頻開關(guān)打開，則將外部變頻供電相序調(diào)換。確認(rèn)后再次點(diǎn)動(dòng)檢查，確認(rèn)正點(diǎn)動(dòng)，碼盤角度增大?？燔囘\(yùn)行時(shí)，按下正轉(zhuǎn)按鈕，無報(bào)警則空車調(diào)試結(jié)束，若有報(bào)警請按觸摸屏報(bào)警提示進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。

上機(jī)調(diào)試一般是帶料調(diào)試，確保機(jī)器設(shè)備或者系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠按要求完成系統(tǒng)指定任務(wù)。對于噴水織機(jī)，上機(jī)調(diào)試的流程主要包括上軸、送經(jīng)、儲(chǔ)緯設(shè)置、花樣板設(shè)置、運(yùn)行、落布設(shè)置和探緯設(shè)置，如圖8所示。

圖8 上機(jī)調(diào)試流程

在上機(jī)調(diào)試過程中，將經(jīng)軸安裝在織機(jī)上是第一步，俗稱上軸。分別按照調(diào)試需求設(shè)置電子送經(jīng)的工藝參數(shù)、儲(chǔ)緯器的參數(shù)、花樣板調(diào)試等。其中儲(chǔ)緯器的設(shè)定包括放紗直徑、放紗長度、放紗圈數(shù)、儲(chǔ)紗圈數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、織機(jī)類型等。運(yùn)行時(shí)，首先保證開機(jī)調(diào)整至機(jī)械穩(wěn)定，在調(diào)試狀態(tài)中，系統(tǒng)不對外面操作響應(yīng)。

4.2 故障排除

織機(jī)故障種類較多，包括電氣故障、工藝故障、伺服驅(qū)動(dòng)器故障、變頻器故障以及系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)故障。這里主要就系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)故障進(jìn)行說明和排除。針對觸摸屏不亮故障，需要首先確認(rèn)插頭是否正常，以及外部電源供電是否正常，排除電源問題后可以更換觸摸屏或者程序重置。針對出布長度與實(shí)際出布長度不同的問題，需要根據(jù)計(jì)算織縮率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，修改參數(shù)設(shè)置。針對張力顯示報(bào)警問題，首先確認(rèn)是否傳感器硬件接觸問題，排除接觸問題后，則為數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，通過系統(tǒng)中張力清零可以解決問題。

在調(diào)試運(yùn)行中，比較嚴(yán)重的問題是空停和漏探。空停是指緯紗到達(dá)卻停車，漏探是緯紗未到達(dá)但是未停車。如果探緯靈敏度異常，則需提高判斷脈沖數(shù)，如果是空停，需要調(diào)整探緯的區(qū)間。

5 結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的噴水織機(jī)逐漸走向自動(dòng)化、智能化。自動(dòng)化控制的噴水織機(jī)不僅大大提高了生產(chǎn)效率，還使織品的質(zhì)量得到了保障。本文設(shè)計(jì)的噴水織機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確控制紡織機(jī)的壓水、放紗、夾紗、引紗、剪紗等流程，并執(zhí)行各機(jī)構(gòu)控制的相關(guān)命令，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性較高，達(dá)到了噴水織機(jī)的自動(dòng)化、智能化的效果。