新型網絡化噴氣織機控制系統設計

，

(1.山東日發紡織機械有限公司，山東聊城 252000;2.山東大學機械工程學院，濟南 250061)

目前，國產紡織行業發展迅速，各種新型織機被先后推出。然而，現存織機控制系統多采用整體設計或部分模塊化設計的方式完成[1-5]，在功能擴展方面，多存在明顯缺陷，部分控制系統[2]雖然能夠依靠硬件卡槽的方式進行功能擴展，但是這種方式需要提前預留各種硬件卡槽，靈活性存在不足，限制了系統的維護升級和功能擴展。現行采用模塊化設計的織機控制系統各模塊間多采用并口或傳統現場總線通訊[6-8]，隨著織機智能化、高速化程度越來越高，系統各功能模塊的數據交換量不斷增加，并口和傳統現場總線逐漸成為限制織機控制系統發展的短板。另外，現存織機系統在開發過程中多聚焦于控制系統的研發，而忽視了車間網絡化支持，使得織機車間網絡化程度明顯偏低。針對這些現存問題，本文設計了一套新型網絡化噴氣織機控制系統。系統采用完全的模塊化設計，通過標準以太網總線完成信息交互，單一模塊的升級對其他模塊影響較小，為系統的升級維護提供很大便利。系統引入了聯網子系統，實現了車間網絡化，降低了生產的人工成本。

1 系統整體架構

如圖1所示，該系統可分為下位控制模塊、上位主控模塊和遠程聯網子系統。下位控制模塊是指電器柜中的各種相關控制板卡，上位主控模塊是一個運行有上位機系統軟件的嵌入式觸摸ARM控制器。下位控制模塊通過EtherMAC總線與上位主控模塊進行信息交互。傳感器將檢測信息反饋給下位控制模塊，由其直接處理或上傳給上位主控模塊處理。車間操作人員通過上位主控模塊的人機交互界面與織機控制系統交互。上位主控模塊與遠程聯網子系統相聯接，實現控制系統與遠程服務器的數據交互。聯網子系統負責將生產車間與遠程客戶端聯接在一起，實現車間網絡化。

圖1 噴氣織機控制系統整體框架

EtherMAC總線是山東大學控制技術研究中心自主研發的實時工業以太網，總線通訊速率為100Mbps，主控制器基于標準以太網卡，無需專用網卡和硬實時操作系統，可獲得實時控制性能，使得主控制器不依賴于特定的供應商。該總線支持兩種工作模式，即內部周期性時間觸發型和外部事件觸發型。內部周期性時間觸發型按時間周期性工作，如送經卷取、張力控制、電子多臂和一般的I/O處理等，控制周期可為1～4ms[9]。外部事件觸發型由外部觸發事件決定，事件觸發后，系統立即發起通訊并控制相應的動作，如設定的主軸編碼器角度，當主軸到達設定的角度時，系統對事件觸發能作出快速響應。在噴氣織機工作過程中，織機主軸轉動一圈，織機相應的從動件跟隨主軸運動一個循環。而對于引緯運動來說，織機主軸角度的變化需要即刻得到響應才能保證引緯運動正常。因此，引緯運動跟隨設定的主軸角度做快速響應動作。

2 下位控制模塊

如圖2所示，下位控制模塊是不同功能子模塊的集合，主要包括多功能模塊、IO模塊、多臂模塊、送經卷取模塊、引緯模塊和電子剪刀模塊等。上位主控模塊與多功能模塊、IO模塊、多臂模塊以及送經卷取模塊通過內部周期性時間觸發型總線通信。上位主控模塊作為EtherMAC總線的主站直接與多功能模塊相連，然后多功能模塊逐級級聯IO模塊、多臂模塊和送經卷取模塊。多功能模塊與引緯模塊及電子剪刀模塊共同構成引緯子系統，引緯子系統內部模塊間通過外部事件觸發型EtherMAC總線通信。此過程多功能模塊作為主站存在，引緯模塊和電子剪刀模塊作為從站與多功能模塊通信。主軸編碼器反饋主軸角度給多功能模塊，編碼器角度變化觸發多功能模塊與引緯模塊、電子剪刀模塊完成信息交互。張力傳感器檢測布面張力，并將檢測信號反饋給多功能模塊，由其處理后上傳給上位主控模塊進行PID調節。

圖2 下位控制模塊框架

IO模塊負責采集和控制對響應速度要求較低的信號，如開車、急停、主軸電機啟動信號、報警四色燈等。IO模塊通過內部周期性時間觸發型總線與其他模塊進行數據交互。

多臂模塊是采用電子多臂機實現開口運動的系統特有的功能模塊。用戶輸入布面組織圖后，布面組織信息通過總線下發給多臂模塊，多臂模塊將符合EtherMAC總線協議的布面組織數據包解析成多臂機的微機控制系統能夠識別的數據格式，然后發送給多臂機的微機控制系統，進而控制多臂機運動。

送經卷取模塊用作總線與伺服驅動器的通信協議轉換器，主要負責從EtherMAC總線數據包中讀取伺服控制指令，并將其轉為伺服驅動器能夠識別的數據包格式，進而分別下發給送經/卷取伺服電機的伺服驅動器，從而控制送經/卷取運動。

3 上位主控模塊

上位主控模塊主要完成以下功能：與下位控制模塊板卡通信，完成板卡參數配置，進行織機狀態切換和張力控制；提供人機交互接口，與操作人員完成信息交互；提供聯網接口，與遠程聯網子系統相連，實現系統網絡化。如圖3所示，上位主控模塊主要包括人機交互模塊、聯網模塊、通訊控制模塊、張力控制模塊和網卡驅動等子模塊。人機交互模塊、聯網模塊以及通訊控制模塊通過共享內存進行數據交互，聯網模塊負責將聯網子系統與上位主控模塊聯接起來，實現數據互傳。

圖3 上位主控模塊框架

3.1 人機交互模塊

人機交互模塊(HMI)運行在前文所述的嵌入式觸摸ARM控制器中，是噴氣織機控制系統為普通用戶預留的信息交互接口。如圖4所示，人機交互模塊主要包括狀態顯示、參數配置、報警記錄、報表統計等功能。用戶可以通過HMI模塊獲知噴氣織機實時運行信息，配置噴氣織機運行參數。HMI模塊通過共享內存與通訊控制模塊進行信息交互。系統啟動時，HMI模塊首先讀取XML、INI等配置文件，處理后寫入共享內存供通訊控制模塊讀取，完成控制系統的初始化配置過程?？棛C正常運行過程中，HMI模塊從共享內存中讀取通訊控制模塊反饋的織機轉速、張力、編碼器角度、報警信息等數據，將信息顯示在人機交互界面上供用戶查看，并將報警信息保存到嵌入式數據庫中，便于后期故障診斷。HMI模塊能夠統計當前班次的效率、產量、經停次數、緯停次數等信息，并將信息存儲到嵌入式數據庫中，方便用戶查閱，進而有針對性的進行工藝優化和生產規劃。若需要修改織機參數，可直接在人機交互界面上進行修改，修改完成后，點擊保存，修改后的參數首先保存在配置文件中，然后將被寫入共享內存由通訊控制模塊下發給下位控制模塊板卡，完成織機參數的修改。

圖4 人機交互模塊功能項

3.2 通訊控制模塊

通訊控制模塊是上位主控模塊中至關重要的子模塊，其主要實現3個功能：

a)通過共享內存與HMI模塊進行實時數據交互，讀取HMI模塊寫入共享內存的配置參數，將下位控制模塊反饋的信息寫入共享內存，由上位主控模塊其他子模塊讀取。

b)通過EtherMAC總線與下位控制模塊進行實時數據交互，將從共享內存中讀取的配置參數下發給下位控制模塊，完成參數配置，計算、下發控制指令，接收下位控制模塊反饋的信息。

c)統計布面張力，調用張力控制接口，通過PID調節計算得到送經/卷取伺服脈沖量。

通訊控制模塊需按照EtherMAC總線協議[10]運行。先后經過加載配置信息、打開網卡驅動、枚舉、配置后進入周期通信狀態。在周期通信過程中，通訊控制模塊主要根據下位控制模塊反饋的信息進行張力控制和報警處理。如圖5所示，織機運行過程中主要有5種狀態：正常運行狀態、經停狀態、緯停狀態、急停狀態和正常停車狀態。正常周期通信過程中，通訊控制模塊會根據底層反饋數據包中報警信息和上層下發的控制指令進行織機狀態的切換?？棛C正常運行狀態下，通訊控制模塊會將反饋的布面張力傳入張力控制接口。張力控制內部函數將實測張力與目標張力作對比，采取PID調節的方式，計算出伺服電機控制指令。通訊控制模塊得到電機控制指令后下發給伺服控制模塊，控制送經/卷取電機的運動，保證布面張力穩定。

圖5 織機運行狀態切換

4 遠程聯網子系統

遠程聯網子系統需要將車間各織機運行狀態及配置參數采集上傳到遠程服務器中，由遠程客戶訪問服務器查看，遠程客戶并不局限于局域網內部用戶，其他用戶同樣可以訪問。用戶可以通過遠程監控客戶端向車間中織機發送加密/解密指令，實現對織機的遠程加密/解密。典型的遠程監控系統主要有B/S、C/S兩種模型。相比較C/S模型，B/S模型以其開發簡單、易于維護、無需特定客戶端的優勢被越來越多用戶所選擇。車間織機與遠程服務器之間的通信有兩種方式：有線連接方式和無線連接方式?？紤]到織機車間復雜的生產環境，有線連接方式布線較復雜，且一般適用于內部局域網，無線連接方式則無此限制。因此，本系統的遠程聯網子系統采用B/S模型設計，通過無線連接方式通信。

如圖6所示，噴氣織機遠程聯網子系統在硬件方面需要以下設備：通用RS232/485串口、串口轉WIFI模塊(該模塊能夠實現串口RS232/485與WIFI的雙向透明傳輸)、工業路由器、服務器(本系統選擇的是云服務器)。噴氣織機控制系統上位主控模塊中留有聯網模塊接口，遠程聯網子系統通過該接口與車間織機交換信息。系統通過串口將織機信息發送給串口轉wifi模塊，該模塊相當于socket通信的客戶端，織機信息進而上傳到云服務器中的socket服務器端軟件，即數據采集模塊。數據采集模塊解析數據包，處理后將數據存儲到數據庫服務模塊，從而完成將織機數據從車間上傳到云服務器的工作。當遠程瀏覽器客戶端向Web服務器發送HTTP請求時，Web服務模塊根據請求與數據庫服務模塊交互數據，并對遠程瀏覽器客戶端作出響應。遠程客戶端與Web服務器的通信不需要專用硬件設備，只要用戶能夠訪問互聯網網頁，即可實現此過程。當用戶需要進行遠程加密或解密時，可直接通過遠程瀏覽器客戶端登陸相應權限頁面，向指定織機發送加密/解密指令。加密/解密指令通過HTTP請求被發送給Web服務模塊，進而被存儲到數據庫服務模塊，數據采集模塊定時檢測數據庫中的加密/解密指令變化，并將讀取該指令，進而通過socket通信的方式將加密/解密指令下發給車間織機控制系統，車間織機控制系統根據加密/解密指令信息，完成加密/解密工作。

圖6 遠程聯網子系統框架

5 結 語

本文設計了一種基于EtherMAC總線的新型網絡化噴氣織機控制系統，模塊化設計使得系統具備更好的靈活性和可擴展性。引緯子系統單獨使用外部事件觸發型總線通信，使系統不僅滿足了新型系統對高速化的要求，同時降低了處理器的運行壓力。聯網子系統的引入，實現了織機生產車間的網絡化。用戶可以遠程實時查看織機運行信息，并且可以遠程加密/解密，降低了車間生產管理的人工成本。該系統現運行于山東日發紡織機械有限公司研發的RFJA30新型噴氣織機，經用戶反饋，系統運行穩定，具有很大的推廣價值。

[1] 胡兵,張淳.噴氣織機原理及PLC控制系統的研究[J].微計算機信息.2007,23(10):39-41.

[2] 何佳鋒,范延濱.基于STM32的噴氣織機引緯控制系統硬件設計與分析[J].青島大學學報(工程技術版),2012(3):74-78.

[3] 王均波.基于STM32噴氣織機引緯控制系統模塊化設計與實現[D].青島:青島大學,2012.

[4] 于瑞紅,王全勝,李加波.基于FPGA+DSP的噴氣織機新型引緯控制系統的設計.微型機與應用,2011(12):77-80.

[5] 何佳鋒.噴氣織機引緯控制系統的優化設計[D].青島:青島大學,2013.

[6] 金玉珍,吳震宇,武傳宇,等.基于CAN總線噴氣織機控制系統的研制[J].紡織學報,2009,30(2):117-120.

[7] 鄧玉文.基于CAN總線和Web技術的智能噴氣織機網絡管控系統的研發[D].青島:青島大學，2014.

[8] 徐巧,梅順齊,肖佩,等.現場總線技術及其在紡織機械上的應用[J].武漢紡織大學學報,2005,18(5):33-36.

[9] 彭程.基于EtherMAC的噴氣織機控制系統設計[D].濟南:山東大學,2015.

[10] 靳東,張承瑞,胡天亮,等.實時以太網EtherMAC與ModbusRTU協議通[J].組合機床與自動化加工技術,2013(9):62-65.