基于PLC的全自動三維平板織機控制系統研制

汪林俊，林富生，宋志峰，余聯慶

（1.武漢紡織大學機械工程與自動化學院，武漢 430200；2.三維紡織湖北省工程研究中心，武漢 430200；3.湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，武漢 430200）

0 引言

近年來，我國紡織行業的發展逐漸與國防軍工、航空航天行業發展相融合，需要研發特定織機對特殊纖維材料進行織造。紡織行業“科技、時尚、綠色”的發展理念，以科技創新為引領，以新思維增活力，以產業布局促發展，不斷整合軍、民優勢資源，精準對接現在需求和研究成果，積極推動軍民兩用技術成果轉化應用，不斷打造融合發展的軍民兩用產業新體系，紡織軍民兩用技術轉化工作正逐步走向全面、協調、可持續發展[1]。本文所述的三維平板織機裝備主要用來織造立體織物，但是國內目前極其缺少這方面的全自動化織機，即便存在小型二維織機，也存在以下問題。

（1）使用較多傳統繼電器、接觸器，織機織造過程復雜，使用較多低壓電器元件，織機走線復雜，存在接觸故障和元件故障，且無法觀察到織機控制系統故障，維修困難。

（2）行業對織物要求嚴格，并且常常存在多種織物，織造工藝無法改變，無法滿足較多織物的要求，研發投入巨大且效率低。

為解決以上問題，本文采用整體運動控制，包括主控制器、卷曲系統、引緯系統、打緯系統、人機界面系統、緯紗張力控制系統等。利用PLC 控制大大減少線束數量，檢修方便、抗干擾能力強，運行過程中按照既定的程序運行，保證了織機的穩定性[2-3]。

1 織機控制系統描述

1.1 總體功能設計

全自動三維平板織機的控制系統由以下幾部分構成。

（1）主控制器：合信PLC，CPU 型號H226IM，通過CANopen通信和I/O雙總線信號控制來協調各子系統的動作，組成一個自動化設備，實現織機的高效運轉。

（2）卷曲系統：增加位置傳感器，卷曲數據輸入的方式取代傳統機械傳動結構，對已織造的織物進行輸送。

（3）引緯系統：負責緯紗的位置驅動，對引緯系統引出的緯線進行松放，保證緯紗密度。

（4）打緯系統：對預制物的經密進行整合。

（5）人機界面系統：實現人機交互，方便操作員進行參數設定、機器操作和錯誤查看[4]。

1.2 織機傳動控制系統功能框圖

機械部分主要由筒子架、張力系統、籠紗系統、提縱引緯系統、打緯系統、卷曲系統六大系統組成[5]。控制部分由PLC、觸摸屏、電磁閥、傳感器、電機組成。整體功能如圖1所示。

圖1 控制系統整體功能框圖

2 織機總控制硬件系統設計

2.1 硬件選型

2.1.1 PLC型號選取

本文設計的全自動三維平板織機需要反應迅速、可操作性強、維護便捷，需要外接大量元件，對于控制器的程序和數據空間都有一定要求。在合信PLC 可編程邏輯控制器中，CTH200 系列16 小型CPU 模塊具備存儲空間大、處理速度快、運控和通信能力強、支持遠程操控等優點。本文所選CPU H226M 還支持2×20 kHz 的PTO/PWM輸出，方便程序編寫控制硬件動作[6]。

2.1.2 磁性開關

考慮到是對氣缸的磁環進行位置診斷，結合日常實驗和機械振動，最終選擇亞德客CMSG-020 雙線制感應開關，其產品規格如表1所示。

表1 磁性開關CMSG-020參數規格

2.1.3 觸摸屏

根據全自動三維平板織機的控制需求，實現人機交互，方便操作人員操作，控制執行元件或機構的運動參數，定制專屬觸摸屏盒子進行安裝。此外，在機器運轉過程中，為方便觀察與維修，將織機的步數顯、PLC 內部參數、織機動作、電機狀態等顯示在觸摸屏上，并且可以根據現場運行狀態修改觸摸屏上的PLC 設定參數。最后，選擇可操作性高、兼容性強、功能強大的約17.78 cm（7 英寸）MT8071IE 的威綸通觸摸屏[7]。觸摸屏以其便于操作、堅固耐用、反映迅速、節省空間等優點，在工業控制領域得到了廣泛應用[8-9]。

2.2 電路設計

為滿足三維平板織機可以實現全自動運行的的功能需求，需增加PLC 從站來滿足所有外部輸入和輸出的接入，使整個機構運動流暢，另外，還需保證產品的美觀[10]。整個機器的電氣控制系統硬件接線如圖2所示。

圖2 控制柜主電源接線圖

3 織機總控制軟件系統設計

3.1 PLC軟件

3.1.1 PLC的I/O地址分配

根據全自動三維平板織機的動作要求，對PLC 上的I/O 點進行設計，共需要96個I點、48個Q 點，同類型簡略錄入，如表2所示。

表2 PLC控制的I/O地址分配表

3.1.2 程序流程

全自動三維平板織機的軟件系統設計主要采用PLC梯形圖編程基本原則，使用MagicWorks PLC V2.22 進行編程，如圖3～4 所示。使用MagicWorks Tuner V1.61 對卷曲系統中所使用的電機進行初始值設定，如圖5所示。使用EasyBuilder Pro 對威綸通觸摸屏進行設置和編譯，如圖6所示。

圖3 全自動三維平板織機PLC程序塊

圖4 全自動三維織機按鈕梯形圖

圖5 卷曲電機參數設置

圖6 觸摸屏主界面

如圖3 所示，PLC 程序設計共包含1 個主程序和7 個子程序。

（1）組織模塊OB：OB1 是程序順序運行的總調度，也稱主程序，包含循環程序或通過調用其他塊來組織程序。

（2）功能模塊FC0：程序的底層塊，不修改。

（3）外設按鈕模塊FC1：固定觸摸屏的機盒增加了8個按鈕，方便對機器進行簡單控制操作，可進行織機的手動與自動運行模式切換，機器的急停與啟動。

（4）卷曲系統模塊FC2：在織機運行完成一個織物工序之后觸發條件進行卷曲，將已經織好的織物進行傳送。

（5）系統內部控制序塊FC3：對程序的工藝周期進行讀取計數，對程序運行前的參數進行初始化設定，設定一個專用區進行程序調用。

（6）指示燈程序塊FC4：程序在正常運轉時為綠閃，程序存在故障時為紅燈，程序正常暫停時為綠燈。

（7）織機運行程序塊FC10：在此編寫程序的引緯、提縱、打緯等一系列織機運行的過程。

（8）程序塊FC100：實現本織機各程序塊之間的調用，程序的跳轉指令等，使之成為一個全自動設備[11]。

其中，需要對卷曲系統電機進行電子齒輪比計算，設定織物的經密為2 mm，則每次鏈輪行走的距離為2 mm，所使用的編碼器為總線式絕對值編碼器，其分辨率為131 072[12]，每轉所需脈沖數乘以P86或P87再除以P88等于編碼器分辨率。其中，P86（指令脈沖倍頻的第1分子）或P87（指令脈沖倍頻的第2分子）的參數值為0時，P88（指令脈沖分倍頻分母）的參數值即為每轉所需脈沖數。

根據齒輪比選型，鏈輪與卷曲伺服電機之間行程關系為：電機轉1 圈，鏈輪行走2 mm，根據上述可設定P86 為0，P88 參數設定大小在范圍內即可滿足織物的經密保持在2 mm左右。

3.2 組態

全自動三維平板織機配備電控柜3 個，主控柜1 個，引緯、邊線、打緯控制柜1 個，提綜控制柜1 個。其中，需要對卷曲系統電機和提綜控制柜的從站進行組態，這部分是在MagicWorks PLC V2.22中完成的，如圖7所示。

圖7 控制系統硬件組態

3.3 控制流程

此部分根據織物的織造工藝不同而有所改變，主要是改變引緯劍桿、綜框、邊線劍桿的動作方式。本文所織織物為角聯鎖織物，要求其織物長度在120 mm及以上。

在PLC 上電后，需要對數據進行初始化設置。選擇模式之后，按下啟動按鈕，則會進入各子程序。當PLC接收到來自上位機的自動控制模式信號時，則可點擊運行按鈕，一直進行半自動模式（按一下運行按鈕織機動作一次），也可進入HMI 對各個部分進行單獨控制；當接收到自動控制模式信號時，則進入自動模式。在自動模式下，設備將會按照圖8所示進行運轉。從第1個綜框的第1級開始動作，到第1個綜框的第2級和第15個綜框第1級被提起，再到第1個綜框的第2級被放下為一個周期的上半周期，每一個周期分為上下兩個半周期，一個周期織機進行卷曲2 次，理想狀況共需要30 個周期，為達到織物要求，預留2 個周期的長度，共進行32 個周期運轉。當32 個周期運行完成，織機恢復初始狀態，如需繼續，在自動模式下按下啟動按鈕[13]。

圖8 系統控制流程

3.4 監控狀態

通過EasyBuilder Pro 在PLC 和HMI 之間建立通信，實現觸摸屏和PLC 之間數據互傳，達到人界交互。在運行過程中，點擊觸摸屏可以寫入數據到觸摸屏的地址里，從而控制機械動作，并且可通過不斷檢查機械的動作狀態匹配掃描的程序指令，當二者相吻合，則機器可以正常運行下一步，當二者狀態不同時，報警燈和觸摸屏都會處于報錯狀態，而通過外接報警燈和操作屏上的參數監控（錯誤類型）可以直觀地看出設備存在的問題[14]，如圖9所示。

圖9 HMI監控界面

3.5 系統調試和結果分析

系統運行調試是對PLC 程序和組態監控系統功能是否達到控制要求的檢驗。在MagicWorks PLC V2.22 中將梯形圖下載到主站PLC 中，在EasyBuilder Pro 中將程序下載到觸摸屏上，將各個部分的系統進行連接，檢查通信無誤后，先進行單元調試，對出現的傳感器松動情況進行上緊無誤后，再進行整體調試，對調試過程中出現的問題一一排查之后，不斷完善[15]。本系統已投入小規模定做生產，運行狀態良好，織造織物如圖10 所示。結果表明，角聯鎖結構織物表面光滑無瑕疵，邊角料廢棄率在5%～10%之間，織機效率達到150 mm/h，滿足生產需求。

圖10 成品織物

4 結束語

本文研制了一款基于PLC 的全自動三維平板織機控制系統，通過對各個單元結構進行測試，完成整臺設備的聯動，不斷進行測試和實驗，結果表明系統實現了預期的要求。

（1）使用智能和軟繼電器、接觸器代替傳統繼電器、接觸器，織機織造過程直觀明了，低壓電器元件使用量大大縮少，織機走線規范，未存在接觸故障和元件故障，可以觀察到織機控制系統故障，維護量小。

（2）使用對織物要求嚴格的行業條件，織造工藝更改方便，可滿足較多織物的要求，研發投入的回報可觀、響應快。

角聯鎖結構織物表面光滑無瑕疵，邊角料廢棄率為5%～10%，織機效率達到150 mm/h，滿足生產需求。

綜上，基于PLC自動控制的系統對于我國工業發展具有重要的意義，可以有效優化生產過程，提高生產效率，其設計過程必須予以重視[16]。而在此基礎上設計的本控制系統運行穩定可靠、響應快、操作方便、監控直觀，維護量小。