基于PLC 的全自動(dòng)三維織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭 好， 周 展

（武漢定達(dá)慧科技有限公司， 湖北 武漢 430000）

0 引言

近幾年國(guó)內(nèi)紡織工業(yè)增加值逐年增長(zhǎng)，紡織纖維加工總量、化纖產(chǎn)量、紡織服裝出口量均居全球首位。三維織物材料是近年來(lái)備受關(guān)注的材料，具有制備方法多樣、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[1]。與二維結(jié)構(gòu)材料相比，三維織物材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗沖擊性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)，是一種被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、軍工等領(lǐng)域的先進(jìn)材料，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

由于三維織物的生產(chǎn)投資高，回報(bào)較低，目前國(guó)內(nèi)三維織物主要采用手動(dòng)或者半自動(dòng)方式進(jìn)行織造，存在著織造效率低下、織物良品率低、織造流程不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。三維紡織設(shè)備領(lǐng)域存在大量空白，且三維紡織設(shè)備已經(jīng)成為制約三維紡織技術(shù)在特殊材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的瓶頸[3]。此外，對(duì)于當(dāng)前國(guó)內(nèi)的三維紡織設(shè)備，還存在以下問(wèn)題：

1）織機(jī)的控制系統(tǒng)所采用的硬件過(guò)多，接線復(fù)雜，容易存在機(jī)械故障或元件接觸故障，一方面運(yùn)行可靠性差，另一方面不能保證操作人員的自身安全。

2）織物存在多種工藝結(jié)構(gòu)，普通織機(jī)所織造的織物結(jié)構(gòu)有限。研制不同織物結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的織機(jī)耗時(shí)耗力。同時(shí)設(shè)備長(zhǎng)期工作還會(huì)存在磨損、浪費(fèi)電能的問(wèn)題。

為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的全自動(dòng)三維平板織機(jī)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)以PLC 為核心，由引緯、打緯、卷取、觸摸屏交互系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。該控制系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速、便于操作、系統(tǒng)穩(wěn)定、控制精確、多功能織造等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)全自動(dòng)三維織機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考意義。

1 三維織機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該全自動(dòng)三維平板織機(jī)的控制系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成。

1.1 主電路

主電路包括空氣開(kāi)關(guān)、接觸器、24V DC 電源等各種電器元件組成，它將所有的控制系統(tǒng)連接起來(lái)，通過(guò)傳遞信號(hào)使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

1.2 PLC

PLC（可編程邏輯控制器，Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）是一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。它使用可編程存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)指令、運(yùn)行邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)數(shù)字或模擬輸入輸出模塊，控制各種的機(jī)械工作程序。

1.3 提綜控制系統(tǒng)

提綜系統(tǒng)的作用是提起經(jīng)紗，使經(jīng)紗層形成開(kāi)口，便于緯紗與經(jīng)紗形成織物。該系統(tǒng)由20 個(gè)綜框、控制綜框移動(dòng)的氣缸及磁性開(kāi)關(guān)組成。在織造過(guò)程中可通過(guò)更改提綜順序改變織物工藝。

1.4 引緯控制系統(tǒng)

引緯系統(tǒng)的作用是引導(dǎo)緯紗位置，將緯紗由織機(jī)的一側(cè)引入經(jīng)紗層。該系統(tǒng)由引緯劍桿、垂針、水針、副垂針、控制劍桿與垂針移動(dòng)的氣缸及磁性開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)接收磁性開(kāi)關(guān)信號(hào)，結(jié)合PLC 的控制程序?qū)崿F(xiàn)引緯控制。

1.5 打緯控制系統(tǒng)

打緯系統(tǒng)的作用是把新引入的緯紗推向織口形成織物。該系統(tǒng)由打緯扣板、打緯氣缸及磁性開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)接收磁性開(kāi)關(guān)信號(hào)，結(jié)合PLC 的控制程序?qū)崿F(xiàn)打緯控制。

1.6 卷取控制系統(tǒng)

卷取系統(tǒng)的作用是將在織口處初步形成的織物引離織口，并進(jìn)行輸送。采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾持裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卷取功能。

1.7 觸摸屏交互系統(tǒng)

觸摸屏接入控制程序，采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、機(jī)器操作。全自動(dòng)三維織機(jī)的控制系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

圖1 控制系統(tǒng)

2 三維織機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 的選取

全自動(dòng)三維平板織機(jī)需要進(jìn)行需要實(shí)時(shí)的信號(hào)采集，并實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的信號(hào)帶動(dòng)各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)。各個(gè)系統(tǒng)外接大量元件，這需要PLC 具有迅速的計(jì)算能力[4]。穿紗后需要對(duì)織機(jī)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)試，這需要PLC 具有維護(hù)便捷的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選擇了西門(mén)子S7-200 型PLC 及對(duì)應(yīng)拓展模塊。該型號(hào)PLC 工作電壓為24 V，與本織機(jī)的工作環(huán)境契合。S7-200 型PLC的用戶(hù)程序中包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制目的[5]。本控制系統(tǒng)采用PROFIBUS 協(xié)議，通過(guò)DP 通訊模塊EM277 進(jìn)行通信。

2.2 感應(yīng)元件的選取

由于全自動(dòng)三維平板織機(jī)采用電信號(hào)控制氣動(dòng)的方案，為保證織機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，需要對(duì)氣缸進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。最終確定使用Sqeldt 的CS1-U磁性開(kāi)關(guān)（見(jiàn)表1）。該開(kāi)關(guān)為有觸點(diǎn)兩線式開(kāi)關(guān)，具有開(kāi)關(guān)壽命長(zhǎng)、耐高壓、動(dòng)作范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

表1 磁性開(kāi)關(guān)參數(shù)

2.3 觸摸屏的選取

使用觸摸屏可降低全自動(dòng)三維平板織機(jī)的操作與調(diào)試難度。觸摸屏上可顯示機(jī)器參數(shù)、監(jiān)控機(jī)器狀態(tài)，大大降低了機(jī)器的操作難度。本設(shè)計(jì)使用kinco的MT4500T 觸摸屏（見(jiàn)表2）。

表2 觸摸屏參數(shù)

2.4 主電路的設(shè)計(jì)

為連接所有電氣元件，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的主電路（見(jiàn)圖2）。通過(guò)主電路可以完成信號(hào)的傳輸與織機(jī)的全自動(dòng)運(yùn)行。其中，QF 為空氣開(kāi)關(guān)，K 為接觸器，H 為指示燈，X 為接線端子，V 為24 V 直流電源。

圖2 主電路設(shè)計(jì)

3 三維織機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC 硬件I/O 設(shè)備地址

全自動(dòng)三維平板織機(jī)的運(yùn)行需要檢測(cè)當(dāng)前機(jī)器的狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)PLC 上的I/O 口進(jìn)行定義（見(jiàn)表3）。

表3 PLC 控制的I/O 地址

3.2 程序流程設(shè)計(jì)

由于全自動(dòng)三維平板織機(jī)選用的是S7-200 系列PLC，故采用STEP7 MICRO WIN 編寫(xiě)PLC 的程序。采用STL 語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易懂，方便調(diào)試修改。

一個(gè)周期由多次梭數(shù)組成。每一梭數(shù)的循環(huán)內(nèi)，都將執(zhí)行一次流程（見(jiàn)圖3）。

圖3 織造程序流程

一個(gè)完整周期分為上半周期與下半周期。此外，在每半周期之間進(jìn)行一次打緯并卷取。在每一梭數(shù)內(nèi)打緯前，都改變一次綜框分布，通過(guò)這種方式更改織物的織造工藝。當(dāng)織造完成時(shí)，重新點(diǎn)擊控制關(guān)、開(kāi)按鈕，復(fù)位機(jī)器，以此結(jié)束一個(gè)周期。本設(shè)備在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用的是淺交彎聯(lián)織物工藝。

全自動(dòng)三維平板織機(jī)有三種工作模式，分別是全自動(dòng)模式、單步模式、點(diǎn)動(dòng)模式。三種模式的切換由操作人機(jī)交互界面中的觸摸屏與按鈕完成。無(wú)論在何種模式，都需要打開(kāi)控制開(kāi)按鈕操作。

全自動(dòng)模式下，織機(jī)按照?qǐng)D3 所示的織造流程循環(huán)進(jìn)行織造。通過(guò)每次打緯計(jì)算梭數(shù)，再通過(guò)判斷梭數(shù)執(zhí)行上半或下半周期。當(dāng)一周期結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，執(zhí)行下一個(gè)周期。此模式的功能是進(jìn)行三維織物的全自動(dòng)織造。當(dāng)暫停織機(jī)的運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)自動(dòng)/單步旋鈕，此時(shí)織機(jī)切換為單步模式。

單步模式下，按下點(diǎn)動(dòng)按鈕，織機(jī)會(huì)按照全自動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)方式一步步運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)步驟間的切換由點(diǎn)動(dòng)按鈕完成。此模式的功能是三維織物織造的檢測(cè)，通過(guò)單步運(yùn)動(dòng)判斷提綜、引緯、打緯系統(tǒng)能否在織機(jī)穿紗后穩(wěn)定運(yùn)行。調(diào)試穩(wěn)定后，即可旋轉(zhuǎn)自動(dòng)/單步旋鈕進(jìn)入全自動(dòng)模式。

點(diǎn)動(dòng)模式由人機(jī)交互界面的觸摸屏進(jìn)入。該模式下可以控制每一個(gè)可運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。此模式的功能是調(diào)試機(jī)器，織機(jī)運(yùn)行一旦出現(xiàn)故障，可以進(jìn)入該模式進(jìn)行詳細(xì)調(diào)試，排除故障。此外還可以通過(guò)觸摸屏給予卷取系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)可調(diào)整脈沖量，使卷取系統(tǒng)工作，可增加紗線張力并實(shí)現(xiàn)被動(dòng)送經(jīng)。

3.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互頁(yè)面由按鈕、指示燈、觸摸屏三個(gè)部分構(gòu)成。按鈕部分由急停按鈕、開(kāi)關(guān)旋鈕、控制開(kāi)按鈕、控制關(guān)按鈕、自動(dòng)/單步模式旋鈕、開(kāi)始/點(diǎn)動(dòng)按鈕構(gòu)成。指示燈部分由自動(dòng)/單步指示燈、運(yùn)行指示燈、停止指示燈構(gòu)成。

觸摸屏部分選用的是kinco 的MT4500T 觸摸屏。選用HMI 組態(tài)編輯軟件HMIWare v2.5 進(jìn)行交互界面設(shè)計(jì)。通過(guò)該軟件可實(shí)現(xiàn)PLC 與觸摸屏的數(shù)據(jù)傳輸。在點(diǎn)動(dòng)模式下，通過(guò)操作觸摸屏進(jìn)行控制調(diào)試，編寫(xiě)了部分界面（見(jiàn)圖4）。

圖4 觸摸屏調(diào)試界面

點(diǎn)擊電機(jī)設(shè)定參數(shù)，進(jìn)入卷取電機(jī)調(diào)試頁(yè)面（見(jiàn)圖5）。

圖5 觸摸屏卷取電機(jī)調(diào)試界面

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

現(xiàn)對(duì)已完成的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試所用的織物材料為石英纖維。連接所有控制系統(tǒng)，將程序下載進(jìn)PLC 與觸摸屏中，再將所有磁性開(kāi)關(guān)放置就位。接入電源，打開(kāi)控制開(kāi)按鈕，在單步模式與點(diǎn)動(dòng)模式下調(diào)試好織機(jī)，切換至全自動(dòng)模式，設(shè)定好所有參數(shù)，即可開(kāi)始織造。本系統(tǒng)現(xiàn)可穩(wěn)定運(yùn)行，織造織物（見(jiàn)圖6）優(yōu)化后制造速度可達(dá)到120 mm/h。

圖6 成品織物

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，已經(jīng)證明本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)織機(jī)的需求：

1）通過(guò)在控制系統(tǒng)使用PLC，解決了電器元件多與接線復(fù)雜的問(wèn)題，大幅簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，集成度高，提高了運(yùn)行可靠性與安全性。

2）基于PLC 的控制程序使得更改提綜順序快速高效，通過(guò)更改周期內(nèi)的提綜順序可以織造多種織物結(jié)構(gòu)[6]。同時(shí)PLC 的工作電壓為24V，具有功耗低、使用環(huán)境安全的優(yōu)點(diǎn)。

基于PLC 的全自動(dòng)三維平板織機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維織物的全自動(dòng)織造，為將來(lái)的三維織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。