高速劍桿織機系統

杭州匯坤控制技術有限公司 陳忠農 葉遠雄/文

1 劍桿織機行業背景

織機作為紡織機械中機電一體化技術水平最高的典型紡織機械，在我國紡織行業中廣泛使用，在紡織生產中占有重要地位，因此它的研發工作具有重要的社會和經濟效益。

近幾年來，電氣技術、計算機技術和控制理論的迅猛發展與完善推動了織機進一步發展。織機的種類繁多，按不同的特征可分為不同的種類。如按引緯方式可分為有梭織機和無梭織機兩種。有梭織機即為有梭子引緯的常規織機，無梭織機包括噴氣織機、噴水織機、劍桿織機、片梭織機等。

在中國紡織工業聯合會《紡織工業“十二五”科技進步綱要》中已明確指出，針對紡織機械的研究重點，緊密圍繞紡織工業結構調整的需要，重點突破一批高新技術纖維專用裝備，提升傳統紡機技術水平和可靠性水平，加快紡機產品差異化、模塊化，研制高性能產業用紡織機械和節能減排型紡織機械，提高紡機專用件和配套件的技術水平，加強紡機企業的技術改造，提高“兩化”融合水平，促進紡機企業的工藝技術進步和機床數控化率。織造設備重點發展新型模塊化無梭織機、高速毛巾織機等差異化織機、特種織機，到2015 年完成產業化研發，并形成一定數量的市場銷售。織造設備重點推廣機電一體化噴氣織機、劍桿織機等，2015 年高檔無梭織機自主化率達到25%～35%。

在可以遇見的未來，織機發展的趨勢是向“四高”方向發展，即：高速度、高效率、高節能、高可靠性，具有這些相關特征的織機也常被稱為新型高速織機，同時隨著計算機控制技術和人工智能的發展，未來織機自動化水平將進一步發展，并且人性化和智能化也將進一步提高。

劍桿織機由開口、引緯、打緯、送經和卷取五大運動機構及相關的探緯、電子多臂、提花等輔助裝置組成。各運動機構中只有打緯和引緯運動可直接通過機械傳動實現，其他運動機構及輔助裝置均需采用電氣控制技術適應織機的高轉速。與此同時，織機的所有動作均與織機的角度密切相關，它對系統I／O信號的響應速度、處理時間、定位停車的位置、磁鐵的開關角度以及送經、卷取系統的控制性能都有非常高的要求。如何提高劍桿織機入緯率和可靠性，進行織機結構動力學優化設計適應高速運動的研究，解決高速劍桿引緯技術、電子送經與電子卷取高精度驅動技術、智能化電控系統技術、可靠性技術和送經張力補償等織造工藝技術都是實現高性能劍桿織機控制系統的基本條件。因此，劍桿織機的電控系統需要采用高性能處理器，且對控制網絡的實時性要求也較高。目前國內的劍桿織機生產廠家多采用單CPU或單PLC的主從式多級控制系統，或者基于RS-485的、由16位單片機組成的集散控制系統，存在功能簡單、自動化水平較低、控制精度較低、故障率較高的缺點，難以滿足高速織機對電氣控制系統的要求。

2 劍桿織機系統設計

鑒于上述產品及技術存在的不足，我們以工藝模塊化為思路，以多核的方式將工藝區隔，擬開發設計帶有劍桿工藝底層的主控制器，多臂控制器，電送電卷控制器等自成系統的模塊，并將變緯密、停撬、空緯、開停車補償、物聯網技術等新的需求融入各個模塊中，以適應劍桿織機提高轉速，生產高品質織物等技術性難題。且主控制器只負責簡單的邏輯控制，我們專門針對用戶個性化控制的需求開發一款帶PLC編程功能的軟件，并對主控部分進行2次修改，最終達到用戶個性化的定制需求。

該系統包含:主控PLC，引緯控制器，送經卷取伺服一體機，電子多臂控制器，探緯板，電源板，編碼器信號板，物聯網等模塊。

織機主軸編碼器信號先經過信號處理卡，把原來的1路信號轉化成4路信號，信號分別進入主控PLC，送經卷取，電子多臂等內置工藝的獨立控制模塊,具體控制工藝如圖1所示：

圖1 控制工藝

項目研究開發內容包括：

1）一款帶有劍桿基礎工藝的主控制器，并開發帶有PLC編程功能的軟件，提供給用戶進行2次開發，滿足客戶個性化的需求。除此之外，主控制系統還需集成物聯網擴展的功能。

主控PLC的設計包括：運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和提高處理速度，物聯網，并可用PLC軟件實現可編程，軟件各部分由上至下執行，直到主程序的所有網絡都掃描執行完畢，還有各定時器的刷新、例行的通訊等數據的處理后，系統程序將Y寄存器緩存區的變量狀態輸出到Y硬件端口中。

硬件原理圖如圖2所示：

圖2 主控制系統硬件原理圖

2）基于USB接口的高速電子多臂專用控制器的研究，實現高速數據交互、數據處理以及掉電時的數據保存，實現多花紋文件存儲和修改，并可獨立控制的自成系統的電子多臂專用器。

硬件原理如圖3所示：

圖3 高速電子多臂專用控制器硬件原理圖

研究方向采用的32位工業級嵌入式ARM微處理器，能夠在織機轉速為2000轉/分鐘的情況下，將誤差控制為±2度的控制精度。采用多樣的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的組合，滿足不同數據的需求，從而達到高速、穩定、大存儲量的運行系統，通關軟件工藝實現上百個文件存儲，并支持實時的編輯。設計編碼器、傳感器通用輸入電路滿足用戶的使用需求；設計使用國產USB芯片，實現USB接口的雙向數據交互。設計易用性軟件：包括PC環境下的用戶電子多臂花紋編輯系統，電子多臂信號輸出端口功能用戶自定義，選色端口功能用戶自定義來滿足用戶需求；通過接入編碼器信號（也可以是傳感器信號）以及織機控制的按鈕信號后，自成獨立的控制系統。

3）項目研發了基于送經卷取工藝與伺服驅動技術相結合的專用送經卷取控制伺服驅動一體機。

在我們的劍桿織機方案中，電子送經和電子卷取伺服接收必要的外部信號，伺服驅動器內部執行工藝控制計算，并控制經軸和卷布輥運動。因而，電子送經的控制也由電子送經伺服內部實現，在織造過程中，送經主要的職能為控制送紗線的張力恒定，卷取的主要職能為控制卷布的速度與主軸速度同步，進而保證緯密恒定。

變緯密是一項緯密在織造狀態下根據花紋需要實時變更的技術。關鍵技術和難點在于，對于送經伺服，如何處理由緯密突變、卷布速度突變造成的張力突變；對于卷取伺服，如何處理變緯密前后位置指令濾波問題。我們擬采用比例、積分系數快速自整定技術和張力濾波算法技術來解決上述問題。

4）項目的電源控制模塊

硬件原理如圖4所示：

圖4 電源控制模塊硬件原理圖

基于模塊設計的思路和理念，將高壓強電部分的控制單獨設計，通過光耦隔離的方案，實現雙壓切換。通過繼電器隔離控制接觸器。針對高壓制動部分設計安全可靠的電壓泄放電路。

3 高速劍桿織機系統特色

創新的電子多臂控制技術，解決了傳統的手持終端輸入花紋以及花紋數據存儲容量小，只能存儲一個可編輯花紋文件的問題，實現USB，RS485等多種數據交互方式，實現大容量存儲功能，并能自成系統獨立運行。

軟件著作權：電子多臂控制系統軟件

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隨著電氣技術的不斷發展，國內紡織領域的自動化進程速度加快，對于織物的品種、質量和織造效率的要求也越來越高，電子多臂技術正是基于這些需求而發展形成的一種高速、高效、花紋多樣、自動化控制的開口裝置。因此，設計一種高效、穩定、人性化的控制系統是決定電子多臂性能的關鍵。

該技術的控制實現原理如圖5所示：

圖5 技術控制實現原理圖

電子選緯和電子多臂控制流程：在織機每打一緯之前都要將多臂綜框的升降數據和選緯數據發送到控制綜框和選緯的電磁閥。控制主要依據是：主軸編碼器轉角和織機運行方式。控制的流程如圖5所示，分快車、慢車正轉和慢車反轉三種情況，需要注意當快車時，主軸角度超出160。-270。范圍時，要將平綜控制信息輸出到綜框控制電磁鐵，以保證多臂綜框不受損壞。

該項目的專用電子多臂控制技術創新點主要體現在五方面：

1）以往的控制系統采用芯片自帶的FLASH存儲花紋數據，僅能保存一個最大25000緯的花紋數據，而項目中的控制系統則在此基礎上設計采用多樣的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的組合，滿足不同數據的需求，從而達到高速、穩定、大存儲量的運行系統，最多支持65535緯的8位選色，8位變緯密、空停、停撬功能，支持20片多臂綜框，以及上百個文件的存儲和修改。

2）以往的控制系統大都通過通信接口、USB接口直接與PC交換數據，或者通過手持式編程器，以達到寫入數據的目的；該項目則在傳統控制方案的基礎上，增加了USB主從接口電路設計和USB文件系統的軟件設計，用戶可以使用U盤等移動設備復制、拷貝花紋文件，使得整個操作過程更加人性化，便于用戶導入、導出花紋數據。

3）以往控制系統只能支持傳感器讀取電子多臂的角度信號。該項目則在此基礎上，增加傳感器和編碼器兼容的接口電路，用于讀取電子多臂的角度信號，提高了控制的精度，也能兼容傳感器控制方式。

4）以往控制系統僅能滿足單一織機機種的需求，而該項目設計了能夠滿足劍桿、噴氣、噴水通用的選緯電路。滿足任何機種的使用。

5）以往控制系統操作欠人性化。該項目技術在此基礎上，增加了滿足用戶的人性化操作：可以隨意調整電子多臂信號輸出端口功能和選緯控制信號輸出端口功能的順序；可以隨意關閉無需輸出的電子多臂信號和選緯控制信號；針對花紋的讀取寫入，提供了通過人機交互模塊和無需使用外接人機交互模塊兩種模式；增加了開關電源及起檢測保護電路，對于短接、反接外部連線起到保護作用。

4 結語

該系統可以選配電子多臂模塊，創新的電子多臂控制技術，解決了傳統的手持終端輸入花紋以及花紋數據存儲容量小，只能存儲一個可編輯花紋文件的問題，實現USB，RS485等多種數據交互方式，實現大容量存儲功能，并能自成系統獨立運行；同時本系統還可以支持雙送一卷、電送電卷以及伺服機外卷的方案，最大化滿足客戶的需求。