基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監控系統研究

王 書,吳小艷

(湖北理工學院 機電工程學院,湖北 黃石435003)

自1963年第1臺商業性劍桿織機發展到現在,目前其最高車速可達700 r/min,引緯率可達1 612 m/min,最大織造幅寬為4 600 mm,最多可織16色緯紗[1],但是現在使用的控制系統由于存在監控點位置死板和線路布局復雜等諸多不利因素,影響到了劍桿織機的實際生產過程。為了更好發揮劍桿織機高速化、智能化、高質量和高效率的優良性能,基于Twin-CAT平臺的監控系統有著比目前基于單片機或PLC控制系統明顯的優勢。

德國倍福公司生產的CX5020控制器,采用模塊化插槽設計,外型美觀小巧,其基于PC嵌入的Twin-CAT軟件平臺兼容了傳統PLC的所有功能、運動控制功能、Ether CAT總線功能和組態(HMI)功能,具有傳統PLC和單片機無法比擬的強大功能。Ether CAT總線是目前新型的以太網總線通信協議,能夠實現一網到底,直達控制系統的I/O層和覆蓋系統所有設備。TwinCAT軟件平臺在劍桿織機監控系統的應用可以優化劍桿織機監控系統的線路布局,減少復雜的現場總線數量和故障發生機率,提高劍桿織機的生產效率[2]。

1 劍桿織機的工作原理

劍桿織機作為一種利用劍桿進行引緯和以主軸旋轉的角度為時序,協調各執行部件有序運動的無梭織機。織機的主要組成部件包括機架、織機主軸、送經、開口、引緯、打緯、卷取、緯紗供給、自動尋緯、選緯、織邊、監控系統和潤滑系統等,其中織機的核心部件是由卷取運動、開口運動、打緯運動、送經運動和引緯運動組成的五大運動。

劍桿織機的工作過程以主軸轉動360°作為一個完整工作周期,控制系統的響應以設定的主軸轉動角度作為標準向各運動部件發送控制指令,織機初始化上電后,經停、緯停信號復位,35°設置卷取運動,80°斷開儲緯器、155°連接張力儲緯器,200°檢測雙緯,220°修改選色指針、多臂指針、發送選色信號,308°周期結束、檢測周期內有無斷經斷緯情況,310°緯紗計數。劍桿織機的工作原理如圖1所示[3]。

2 TwinCAT平臺控制原理

劍桿織機的監控系統主要用于協同控制其五大運動,即卷取運動、開口運動、打緯運動、送經運動和引緯運動[4],基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監控系統采用嵌入TwinCAT NC PTP軟件的CX5020控制器,8通道數字量輸入輸出模塊,4通道模擬量輸入輸出模塊,2通道PWM輸出模塊和電源模塊等組成,系統通過Ether CAT以太網總線協議進行上下位機之間通信。

TwinCAT平臺采用閉環控制的原理,CX5020控制器與PC(HMI)人機界面之間通過Ether CAT總線進行雙向通信,TwinCAT NC PTP中TwinCAT NC執行TwinCAT PLC編寫的運動控制程序,通過Ether CAT總線向驅動控制器下達控制指令,進而控制伺服馬達的運動,伺服馬達在運動過程中的電流、速度和位置信號通過反饋裝置上傳至TwinCAT PLC中,其他邏輯控制通過輸入輸出模塊與TwinCAT PLC實時通信[5]。TwinCAT平臺控制原理如圖2所示。

圖1 劍桿織機的工作原理

圖2 TwinCAT平臺控制原理

3 監控系統結構設計

基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監控系統采用模塊化設計,主要有運動控制部分和傳感器檢測部分,其中運動控制部分包括主軸運動、織軸運動、電子多臂、卷布棍運動和引劍劍輪運動等;傳感器檢測部分包括光電編碼位置信號、按鈕控制信號、經紗張力信號、緯紗張力信號、卷徑檢測信號、主軸轉速檢測信號、經紗線速度檢測信號和斷經、斷緯停車檢測信號等。

在劍桿織機的工作過程中,基于TwinCAT NC PTP軟件平臺的CX5020控制器利用EtherCAT總線通信協議通過TwinCAT NC執行TwinCAT PLC的運動控制程序來控制各軸的伺服驅動器,進而控制各軸的運動軌跡;運動過程中,通過編碼器、傳感器和I/O將光電編碼位置信號、按鈕控制信號、經紗張力信號、緯紗張力信號、卷徑檢測信號、主軸轉速檢測信號、經紗線速度檢測信號、斷經、斷緯停車檢測信號和產量、引緯率等參數實時反饋到TwinCAT PLC中,整個閉環控制過程通過EtherCAT總線與PC(HMI)人機界面進行實時通信。劍桿織機的各項工作參數通過CX5020控制器的2 G內存空間進行實時動態存儲,以豐富數據信息和方便調閱數據。基于TwinCAT&Ether CAT的劍桿織機監控系統結構設計如圖3所示。

圖3 基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監控系統結構設計

4 監控系統程序設計

基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監控系統可以利用VC語言來編寫一套人機交互界面,界面實行友好設計,能夠滿足劍桿織機實時數據的雙向監控和歷史數據的調閱。在劍桿織機的監控工作中,操作人員首先開啟PC界面和CX5020控制器,系統進入初始化狀態,人機界面打開,此時會出現圖標顯示Ether-CAT總線通信連接是否正常,界面進入待機狀態,這時操作人員不僅可以調出織機運行的歷史數據,也可以選定需要即將工作的織機并根據工作狀況設置參數[6],當所選織機不能正常工作時,操作人員可以下達指令檢測織機故障原因,當所選織機工作正常時,操作人員會下達控制指令來檢測選定織機的實時工作參數,對于在正常工作過程中織機出現斷經和斷緯時,織機會立即自動停車以防出現疵點。織機結束工作時,數據會自動保存到CX5020控制器系統中方便下次調閱[7]。基于TwinCAT&Ether CAT的劍桿織機監控系統程序設計如圖4所示。

圖4 基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監控系統程序設計圖

5 結語

利用TwinCAT軟件平臺設計的劍桿織機監控系統不僅改變了傳統的單片機或PLC控制模式,優化了整體控制格局,提高了劍桿織機的整體控制性能,而且控制點靈活方便,也便于控制點集中控制,不需要繁鎖的布線施工和調試,能很大程度上提高整個車間的生產效率、產品質量和故障診斷時間,實現了劍桿織機批量化、智能化的生產要求。基于TwinCAT&Ether-CAT的劍桿織機監控系統的成功應用,會大大降低企業的生產成本、管理成本和維修成本,從總體上提高企業的利潤空間和市場競爭力。