基于網絡的智能化劍桿織機設計

俞寶福 俞 凌 何勤奮 周 泓

（1.紹興紡織機械集團有限公司，浙江 紹興312065；2.紹興市職教中心，浙江 紹興312000；3.紹興縣永樂紡織機械有限公司，浙江 紹興312065；4.浙江大學儀器科學與工程學系，浙江 杭州310027）

1 劍桿織機的研發現狀

劍桿織機作為無梭織機中的一種，具有性價比高、適應性廣等特點，在生產高檔服裝面料等紡織品領域有獨特的優勢。在現代紡織工業中，劍桿織機已成為無梭織機中適用性最強、成本較低的一種織機，得到了廣泛的應用。

近幾年，國內織機生產廠家經過不斷努力，對劍桿織機的生產原理與工藝進行了提升，在消化吸收國外先進織機技術的基礎上改造和優化了自己的劍桿織機機構，使其性能趨于穩定可靠。雖然目前國產劍桿織機的自動化控制水平有了很大提高，但與國外先進織機相比，在網絡化、智能化方面還存在一定差距。因此，加強新技術應用，提高國產劍桿織機的智能化、高速化、自動化水平，對于劍桿織機研制和生產趕上世界先進水平具有十分重要的意義。

2 智能化高速劍桿織機的設計方案

2.1 電氣控制系統實施方案

劍桿織機是一種周期性循環工作的織造機械，每次工作循環中，開口、引緯、打緯、送經和卷取五大運動所對應的各個機構按規律循環動作一次。根據劍桿織機的控制要求，整個織機電氣控制系統按功能采用模塊化設計，將控制系統劃分為多個子系統，各子系統既需完成各自獨立的功能，又要相互配合與補充，以保證織機整體按要求運作，完成整個織造過程。本設計中將劍桿織機控制系統劃分為核心控制模塊、信號檢測模塊、電機及驅動電路模塊、人機交互模塊、網絡通信模塊和電源模塊等部分。

電氣控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 電氣控制系統結構框圖

本方案采用基于ARM的嵌入式電氣控制系統，核心控制模塊采用32位高速CPU控制芯片，首先通過對系統資源的分析為劍桿織機各部件分配系統資源；然后為劍桿織機自動控制的各種操作創建任務線程；通過傳感器采集的信號，對劍桿織機的工作情況進行實時監控；同時通過網絡接口實現織機信息資源的共享與統一管理。

本方案采用的智能化電氣控制系統具有以下功能：實時監控織機的運行情況和各項工藝參數，主要包括電子卷取、電子送經、電子選緯、電子提花、緯紗斷頭自動修補、儲緯器自動切換和緯紗張力自動控制等；實現織機故障的自我診斷，能方便維修人員快捷查找、發現并解決問題；能通過網絡化接口實現織機的聯網監控和管理。人機界面配備彩色液晶大顯示屏，功能鍵盤作為織機操作界面，能實時監控織機的運行情況和各項工藝參數，實現織機的高可靠性、智能化控制。

2.2 經紗張力控制技術的應用

所有織物均是由經紗和緯紗垂直交織而成的，在劍桿織機織造過程中經紗張力的波動是影響織物布面效果的重要因素，對經紗張力進行控制對于紡織品質量和生產效率的提高尤為重要。

經紗張力的大小主要受開口、打緯、緯密、經軸直徑、織機速度以及張力設定值等工藝參數的影響。此外，經紗的粗細、上漿質量、經紗密度、排列均勻度、經位置線、織物布面花型等因素均會對經紗張力產生影響。因此，整個織機經紗張力系統是一個非常復雜的多因子非線性時變系統，具有非線性、時變性以及模型不確定性等特點，將傳統的PID控制策略直接應用于經紗張力控制，效果并不理想。

本方案結合PID控制響應速度快、穩態誤差小和模糊控制器超調量小、調整時間短的優點，研發模糊PID控制器，可以較好地響應經紗張力變化，減小或消除經紗張力產生的靜態誤差，從而實現經紗張力穩定控制。

2.3 基于專家知識和數據挖掘技術，建立過程參數在線監測、故障診斷和優化控制系統

以歷史生產數據（包括正常工況數據和故障數據）為基礎，結合統計學習理論，建立過程參數的實時監控和故障診斷系統，提前預報可能出現的過程故障，輔助制定相應的檢修方案，減少維修時間。

為了快速排除設備故障，提高劍桿織機運行的可靠性，本設計根據劍桿織機工藝要求，研發基于多模塊合成的智能故障診斷系統，利用多傳感器信息融合技術，先對劍桿織機每一關鍵部件建立故障診斷模型，然后根據加工過程中每道工序之間信息傳遞的層次性和相關性，增加一個融合診斷網絡，構成一個完整的故障診斷系統，從而確保故障診斷的準確性。

2.4 網絡接口設計

一個紡織企業通過企業內部網絡可對所屬的所有織機進行集中監控，可通過網絡下達生產任務，并采集實時生產數據繪制成報表。一旦紡機出現故障，將通過網絡實時報警并進行故障自動記錄。該故障信息還可通過企業外網直接提供給織機制造企業，實現遠程診斷或提供技術支持等。圖2展示了基于物聯網的劍桿織機網絡圖。

圖2 基于物聯網的劍桿織機網絡圖

系統網絡模塊主要由3部分組成：有線網絡、WiFi網絡和3G網絡。有線網絡主要是為了方便開發調試使用，WiFi網絡是為了給用戶提供WiFi熱點，3G網絡能真正實現信息系統的網絡接入。采用DM9000作為有線網絡控制器，DM9000為100M以太網網絡控制器，廣泛應用于移動平臺；無線網絡控制器采用 WM－G－MR－09；3G模塊采用 MF210。其中，將DM9000映射到系統內存空間，通過地址直接讀寫該模塊實現收發數據；WiFi模塊通過SDIO與CPU連接；3G模塊采用USB控制器與CPU連接。

3 智能化高速劍桿織機的設計特點

本智能化高速劍桿織機具有以下設計特點：

（1）研發基于嵌入式系統的電氣控制系統，實現織機的高度智能化控制。采用32位高速CPU控制芯片實現模塊化控制，采用彩色液晶圖像顯示屏，功能鍵盤作為織機操作界面，能實時監控織機的運行情況和各項工藝參數，實現電子卷取、電子送經、電子選緯、電子絞邊、電子多臂、電子提花、緯紗斷頭自動修補、儲緯器自動切換、自動對織口、自動防開車檔和緯紗張力自動控制等功能，并實現織機故障的自我診斷，從而方便維修人員快捷查找、發現并解決問題。

（2）研究劍桿織機關鍵機構的動力學模型，優化設計，提高其高速適應性。采用動態模擬軟件建立劍桿織機虛擬樣機，根據實際工況對劍桿織機關鍵機構進行全面的仿真試驗，研究不同轉速和各種運行工況下劍桿織機的動態性能，獲得劍桿織機在各種運行工況和不同結構尺寸下的大量動態仿真數據，通過對劍桿織機各高速旋轉部件進行動態模擬分析，消除不合理的設計及加工缺陷，提高零件的加工精度，從而進一步提升劍桿織機高速運行的品質。

（3）研究經紗張力的智能模糊PID雙模控制技術。在主軸回轉周期內多次檢測經紗張力，并在分析經紗張力影響因素的基礎上，采用模糊控制算法和PID控制算法并聯對送經電機轉速進行調整，通過引進補償系數，消除經紗張力靜態誤差，以保持經紗張力的穩定。

（4）研發劍桿織機物聯網接口功能，實現織機信息資源的共享與網絡化管理。通過局域網絡接口，實現一個應用現場多臺織機的聯網工作，實現任務集中調度與網絡下傳以及多臺織機的工作狀況與故障信息上傳；通過廣域網絡接口，實現織機生產廠家對應用于各個紡織企業的織機的遠程維護。

4 結語

在本企業研究院牽頭下，設計與開發了本文所述智能化高速劍桿織機，融合了流動理論、織機原理、控制理論、機構設計、嵌入式系統等。到目前為止，研發工作已全部完成，樣機已得到了實際測試與應用，達到了預期的設計目標，實現了很好的經濟效益與社會效益。

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