基于上位機的層間角聯鎖織物用織機開口控制系統設計

陳小明， 李 皎， 張一帆， 謝軍波， 姚天磊， 陳 利

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387； 3. 天津工業大學 機械工程學院， 天津 300387)

層間角聯鎖織物增強復合材料具有優異的層間和面內性能，已在航空航天、國家防御和軌道交通等高技術領域得到廣泛應用[1]。針對層間角聯鎖織物的成形工藝，研制專用的、簡單和低成本的層間角聯鎖織機具有重要現實意義。

開口機構是織機關鍵核心機構，國內外研究人員開展了較為廣泛的研究。電磁提綜是提花織機常用的開口方法：王勇[2]公開了一種新型提花織機專利，其主要采用上下電磁組件提綜實現引緯開口；孫志宏等[3]發明了一種電磁控制的圓織機開口機構，可通過電磁鐵控制綜桿的升降；陳革等[4-5]提出了一種基于伺服控制電動機立體織機電子開口系統，簡化了結構，提高了開口的靈活性，但是成本較高。針對氣缸提綜也有不少相應研究：有研究發明了一種氣缸開口機構，通過氣缸伸縮運動帶動綜框上下運動實現引緯開口[6]；周駿彥等[7]提出了一種氣缸提升綜桿的圓織機提花機構，采用氣缸頂升綜桿，具有結構簡單、體積小和成本低的優勢。此外，已有研究開展了旋轉多臂開口機構運動規律建模[8]。陽凱[9]提出了基于電子提花-串聯氣缸的織機開口裝置，但其系統較為復雜。關于專用、簡單、低成本織造層間角聯鎖織物的織機開口系統開發尚處于初級階段，公開的研究報道還較少。

傳統的綜框提綜織機受綜框數量限制，難以實現組織結構較為復雜織物的織造。本文提出的氣缸提綜氣缸數量相對較多，且可單獨控制，以期滿足具有復雜紗線運動規律的織物編織成形；提出基于氣缸提綜的織機開口控制系統的實現方法，以期實現不同織造工藝參數的開口控制程序間的高效切換，可應用于小批量、多品種層間角聯鎖織物的成形制造。

1 系統總體設計

1.1 層間角聯鎖織物及其織造原理

典型的層間角聯鎖織物結構主要包含襯經紗、接結紗和緯紗，如圖1(a)所示。其織造過程包括：襯經紗和接結紗分層開口、引緯和打緯。本文提出了基于氣缸提綜的織機，重點研究襯經紗和接結紗開口控制系統，開口原理為：提綜氣缸牽引通絲，通絲帶動綜絲向上運動，從而帶動穿過綜眼的襯經紗和接結紗運動實現分層開口，如圖1(b)所示。圖中目板是用來保證通絲均勻分布，控制通絲排列順序和上機幅寬。

圖1 典型的層間角聯鎖織物組織結構 及其織造原理Fig.1 Typical interlayer angle interlocking fabric structure (a)and its weaving principle(b)

1.2 開口控制系統設計思路

不同的層間角聯鎖織物結構參數，需要對應不同的提綜氣缸的動作規律，準確控制提綜氣缸的運動是實現準確開口的關鍵。本文提出的基于上位機的織機控制系統組成如圖2所示。主要包括計算機輔助制造(CAM)軟件模塊、可編程控制器(PLC)上位機通信軟件、PLC硬件系統和PLC控制程序。首先，基于Python和QT Designer開發數據轉換CAM軟件模塊，實現氣缸動作信息(伸出或退回，即0或1)轉化成PLC可識別的數據格式；其次，基于Visual Basic編寫PLC上位機通信軟件，實現氣缸動作信息實時傳送給PLC，實時監控生產過程并生成生產日志；最后，采用CX-ONE軟件編寫PLC控制程序，接收氣缸的動作信息，實時控制各氣缸伸出或退回。上位機和PLC數據交換采用RS232通信協議。

1.3 上位機通信系統設計

上位機通信系統包括工藝信息數據格式轉換CAM軟件模塊和PLC上位機通信軟件。本文系統采用歐姆龍自動化(中國)有限公司PLC控制器，上位機采用廣州得麗瓏計算機有限公司工控一體機，系統版本為WIN7 32位，用于運行工藝數據轉換CAM軟件、PLC通信軟件和PLC編程軟件。

1.3.1 數據格式轉換CAM軟件模塊構建

歐姆龍PLC數據存儲(DM)區的數據格式采用 4位十六進制數表示1組數據，氣缸動作矩陣中的氣缸0、1狀態信息需轉換成4位十六進制的數據格式。本文提出基于Python語言和QT-Designer，開發數據轉換CAM軟件模塊，實現氣缸0、1動作信息的數據格式轉換。軟件通過打開“氣缸動作矩陣.xls”文件，計算Excel表格文件行、列數,并逐行逐單元格讀取Excel單元格的數據，且在每個數據前面補充“000”數據位，構成4位數據位，然后寫入到“PLC可識別的數據信息.txt”中，“氣缸動作矩陣.xls”的一行數據對應“PLC可識別的數據信息.txt”的一行，文本文檔每行的數據為每緯對應的360個氣缸伸出或者退回的動作信息。

1.3.2 PLC上位機通信軟件開發

本文基于VB6.0開發PLC上位機通信軟件，通過該軟件實現每緯氣缸動作信息的實時傳送和生產過程監控，軟件的運行流程如圖3所示。

具體運行流程為：1)啟動軟件，打開串口、設置通信參數，建立通信連接；2) 讀取PLC程序運行狀態、打緯計數、循環步數，打開“PLC可識別的數據信息.txt”文件；3)讀取引緯步數，讀取氣缸動作信息，計算校驗碼；4) 基于串口通信和網絡通信協議(FINS[10]) 發送指令的數據格式，將氣缸動作信息寫入PLC數據存儲(DM)區；5)進入下一次循環掃描。

PLC采用的通信協議為Hostlink FINS[11]，包括發送指令和響應接收，該協議允許每次發送數據最大值為540字節。本系統共有360個氣缸，每次需要刷新360個氣缸的輸出(1)和輸入狀態(0)，需要傳送720字節，將分2次傳輸，分別寫至DM區的D1-D360。

1.4 PLC控制系統設計

1.4.1 控制系統硬件設計

采用的PLC型號為Omron CJ2M，CPU型號為CPU13，輸入和輸出擴展模塊分別為CJ1W-ID211(1單元)/CJ1W-OD211(24單元)，共計 16個輸入點，384個輸出點，PLC控制系統硬件組成如圖4所示。氣缸型號為SMC CJ2B32-40，電磁閥為AirTAC 4V210，開關電源為MEAN WELL S-1000-24。

圖4 PLC控制系統硬件組成Fig.4 Hardware composition of PLC control system

1.4.2 控制系統軟件設計

圖5 程序控制流程圖Fig.5 Running flow chart of program

控制系統實時讀取氣缸的動作信息，并存儲至PLC的D1-D360數據存儲區，D1-D360存儲的值同0或1進行比較，等于1表示氣缸輸出，等于0表示氣缸退回。采用歐姆龍CX-Programmer編寫PLC控制程序，程序控制流程圖如圖5所示，具體為：1)基于“數據格式轉換CAM軟件模塊”，將“氣缸動作矩陣.xls”轉換成為“PLC可識別的數據信息.txt”；2) PLC和上位機軟件通過RS232串口進行通信，實時傳送氣缸的動作信息(1或0)至PLC的D1-D360數據存儲區；3)進一步，PLC將D1-D360數據存儲區的值與“1”進行比較，如果相等則氣缸輸出，實現引緯開口，然后進入下一次循環的掃描；4)同時，PLC上位機通信軟件實時讀取“引緯步數”和“打緯計數”，并寫入“生產日志.txt”，方便生產管理。PLC具體的輸入/輸出(I/O)地址分配如表1所示。

表1 PLC I/O地址分配Tab.1 PLC I/O address assignment

2 實驗驗證

通過建立tihua.xls和tihua.txt文件進行控制系統可行性的實驗驗證，其中tihua.xls為氣缸動作矩陣文件，tihua.txt為格式轉換文件。氣缸動作矩陣文件tihua.xls格式如圖6所示。可知，運行數據格式轉換CAM軟件模塊成功實現數據格式轉換，把360個氣缸的“1”和“0”數據信息轉化成為四位數據位的“0001”和“0000”；同時，開啟PLC上位機通信軟件，如圖7所示，引緯步數為第8緯，目標是實現氣缸1～5輸出。從圖7中PLC的輸出點信號燈看到氣缸1～5已實現輸出，PLC的通信信號燈閃爍，上位機通信軟件成功實現對PLC的實時控制。

圖6 數據格式轉換CAM軟件驗證Fig.6 Verification of data format conversion of CAM software

圖7 PLC上位機通信軟件和PLC控制系統驗證Fig.7 Verification of PLC upper computer communication software and control system

實驗研究結果表明：本文開發的數據格式轉換CAM軟件模塊和上位機通信軟件可行，成功實現了氣缸動作信息數據格式轉換和對PLC的實時控制；同時，PLC上位機控制系統能夠實現生產過程的實時監控，生成生產日志，方便生產管理。基于層間角聯鎖織物的織造工藝，用戶只需要在Excel中建立氣缸動作矩陣，通過該系統可方便實現對織機的開口自動控制。通過Excel編輯氣缸動作矩陣文件，拷貝入上位機完成數據格式轉換，即可上機織造。

同時，設計了層間角聯鎖平紋織物、斜紋織物和緞紋織物3種組織結構，工藝參數如表2所示。

表2 織物工藝參數Tab.2 Fabric process parameters 根/cm

采用T800HXC-12K碳纖維，利用本文所述的織機開口控制系統進行織造，制備的層間角聯鎖織物如圖8所示。

圖8 不同組織結構的層間角聯鎖織物Fig.8 Interlayer angle interlocking fabrics of different structures. (a) Plain weave; (b) Twill; (c) Satin

織物幅寬為480 mm，厚度為21 mm，寬度分別為200、200和450 mm。研究結果表明，系統成功實現了平紋、斜紋和緞紋不同組織結構層間角聯鎖織物的織造，該開口控制系統可適應小批量、多品型層間角聯鎖織物的織造成型，具有通用性，靈活方便。

3 結 論

1)本文基于Python、QT-Designer和Visual Basic開發了基于上位機的織機開口控制系統，并通過實驗驗證了系統的可行性。研究發現本文開發的數據格式轉換計算機輔助制造(CAM) 軟件模塊、上位機通信軟件和可編輯控制器(PLC)控制系統可行，成功實現了氣缸動作信息數據格式轉換和對PLC的實時控制；同時，PLC上位機系統能夠實時監控生產過程，生成生產日志，方便生產管理。

2)基于層間角聯鎖織物的織造工藝，用戶只需要在Excel中建立氣缸動作矩陣，通過該系統可方便實現對層間角聯鎖織機的開口自動控制。

3)采用本文所述的層間角聯鎖織機開口控制系統成功織造了層間角聯鎖平紋、斜紋和緞紋3種不同組織結構的織物，該系統方便用于小批量、多品型層間角聯鎖纖維織物的制備，系統通用，靈活方便。