噴水織機自動化控制系統的設計

牛亭舒，陸梓曉，林 碩，呂亞男

(蘇州工業職業技術學院機電系 蘇州 江蘇 215100)

1 引言

為了實現傳統噴水織機的高效工作，控制系統中對系統相應速度、位置監控、角度控制、送經控制以及卷曲控制有較高的要求[2-3]。然而，目前我國的噴水織控制器多采取主從式多級控制或者集散控制[4]，無法滿足告訴織機的自動化操作以及高精度要求。因此，本文設計一種噴水織機自動化控制系統，硬件方面采用高效的核心控制部件，提高系統的的整體性能，軟件方面通過完善編碼器算法、通信算法、采用代碼簡便的接口函數，完成電子送經、卷取、剪刀以及絞邊等，以實現高精度控制，提高織物質量。

2 噴水織機硬件設計

作為噴水織機的大腦，自動化控制系統決定著織機的各項操作流程。通過主軸的角度的測試，將測量信號通過控制系統的算法分析來控制織機的送經、卷取、夾紗、選緯、儲緯等。噴水織機的自動化控制系統設計能夠實現電子送經、斷經、自動定位停車、電子卷取、自動斷緯定位、點動、正轉、反轉等功能。

本文設計的控制系統，如圖1所示，主要硬件包括電池電源板，輸入輸出板以及伺服驅動器、I/O板、電源板基本配置。當輸入輸出板獲取信號后，由主控分析處理，通過通訊傳輸到輸入輸出板，再控制如變頻器等模塊。

圖1 系統拓撲圖

2.1 控制器

與以往的噴水織機控制通過控制器與伺服的共同作用不同，本設計選用伺服驅動一體設備，具備噴水主控、電子送經、電子卷取及花樣控制的功能。較以往的單機CPU控制，升級為32位高性能微處理器，直接進行伺服驅動，并通過控制算法縮短了響應時間，解決了多設備控制中，信號不匹配，產品不兼容，性能不穩定的問題。該控制系統作用下，主控伺服主要通過CAN 通訊方式輸入和輸出信號。主軸編碼器發送的角度信號到達伺服控制處，經內部算法后輸出控制信號實現電子送經控制。

2.2 電機

伺服電機安裝前需要進行防銹處理，且安裝過程中注意軸伸端的保護，以保證內部編碼器的完好。與機械連接時，需要使用聯軸節，并使伺服電機的軸心與機械的軸心保持在一條直線上，且需符合定心精度要求。

2.3 面板及觸摸板

手操面板如圖2所示。各按鈕功能如下：預備代表吸水風機電源，給入準備信號；正轉命令是指按下按鈕，系統正向運轉；按下停止按鈕時，順時針方向旋轉鎖定停止按鈕，逆時針選擇解除鎖定；反轉按鈕按下后，系統反向運轉；剎車則是開關打到上方“ON”位置，剎車功能開啟，反之關閉。

圖2 手操面板

觸摸屏拓撲圖如圖3所示，觸摸屏具有擋車、機修、管理和說明功能。通過擋車功能，可以進行落布、換經、手動操作。機修模塊涵蓋儲緯、引緯、探緯、檔子、花紋、多臂等。管理模塊可以進行換班登記、日報表和周報表、實現數據統計。

圖3 觸摸屏拓撲圖

2.4 定位停車

系統定位停車在噴水織機的操作流程中作用顯著，運動控制系統中的剎車定位決定著花樣花紋，如果剎車控制不精準，導致定位停車失誤，則會出現花色錯位或者停機等問題。本系統剎車控制采用雙線圈剎車，采用高低壓剎車控制方式，確保定位剎車準確，剎車控制電路采取反向消磁電路，降低了剎車盤磁化的可能性。

初中階段涉及的函數有一次函數、二次函數、正比例函數、反比例函數等，數學教師在教學過程中可以將初中階段所涉及不同函數的概念、解析式、圖像、性質等方面進行對比講解，學生在學習時，可以更好的區分不同函數的相同點和不同點。教師將相關函數知識聯系起來進行教學，可以更好的加深學生的記憶，有助于學生更好的掌握不同函數的相關知識，提高教學效率。

3 系統軟件設計

本文設計的噴水織機控制系統有通信模式、待機模式、引緯模式、關車模式等四個模式。設計規定每個模式完成任務后，則回到待機模式。通過圖4所示流程，匹配中斷和其中的優先選項。隨后匹配外置模塊，如串連接口等環節。最后通過導入對應函數，根據編碼設備提供的主軸角度，控制引緯。

圖4 系統軟件整體流程圖

3.1 通信模塊

為了杜絕通信模塊功能在生產現場容易因電門電源以及棉線花絮等造成的通信失敗，本設計軟件部分采用HostLink通信協議，該協議允許命令傳送給 HostLink命令系統的可編程控制器，用來分析指令并將數據重新上傳至上位機，能夠完善檢驗機制，精準關聯可編程控制器與微計算器。

通信過程完成后，會自動返回且關閉端口相關功能。只有轉變現有狀態，才能開辟新信息通道，通過導入到既定程序中，實現新一輪的通信。收到通信信號說明處理器收到可編程控制器的傳輸反饋。為了提高所用計算函數的可信度，在通信流程結束后，需要開展對應的數據分析。

3.2 編碼器模塊

噴水織機主要通過主軸的角度來控制工藝操作，主軸的角度由角度采集電路（圖5）進行數據獲取，并由編碼器傳送到控制主板。本設計中的角度采集采用了光電軸交互式轉動編碼器，可以有效保證編碼穩定性。該編碼器在織機主軸上輸出3個相位信號，經過隔離、濾波處理后，輸入到控制器中，實時跟蹤角度的變化。本文設計的編碼器外接置于電動機上方，需要保持編碼器與電動機的速度比例比為1:1。為了簡化程序，本設計采用STM32處理器的交互式接口，通過直接調用接口函數，簡化代碼，提高信號的可信度。通過STM32處理器與編碼器接口相結合，系統則可得出主軸角度。

圖5 角度控制電路

當角度在0°到90°時壓水凸輪機構完成壓水動作，90°左右時儲緯器的指棒打開，然后夾紗器在100°左右松開，使壓水凸輪所產生的高速水流帶動緯紗向前噴出，在95°到120°之間儲緯器一直放緯，120°之后指棒和夾紗器同時關閉，儲緯器不再放紗，夾紗器把緯紗加緊使其繃直，放出的緯紗在水流的帶動下在250°左右的時候到達導板，接著開口機構的角度一直變大，使緯紗可以順利噴入織口，在270°到360°之間打緯機構將緯紗打入織口，然后15°到25°時上下手剪刀將緯紗定長剪斷，往復循環，實現織機自動化。

3.3 送經模塊

噴水織機中電子送經是重要步驟之一，送經的張力控制不到位會導致斷裂甚至全車停機。本設計中送經控制主要通過張力傳感器檢測到的模擬量信號輸出，由于干擾信號的存在，需要通過一定的算法進行濾波計算，得出正確的張力輸出值，根據計算好的張力設定值和張力監測值，得出張力偏差值。通過自整定算法計算出比例和積分參數等，再計算出送經速度，由伺服電機按照計算速度運行，保證送經質量。

圖6 送經控制流程

3.4 探緯模塊

該控制系統中，當PS探緯同步信號（探緯角度區間檢測與發送成功信號后指示燈亮），其中IN表示探緯成功信號，STOP表示探緯失敗信號。旋鈕中，SENS指靈敏度，PS-D表示探緯區間延時，PS-W表示探緯區間寬度。數字顯示中，0為正常，5表示探緯失敗。在探緯區間內，當探緯頭檢測到探緯信號時（IN燈亮起）將探緯成功信號發送給主控板，主控板發送探緯同步信號給探緯盒（PS燈亮起），探緯盒顯示數字0表示探緯成功。

3.5 管理模式

織機控制系統中管理模式可以進行人員換班設置、進行班報表、日報表、查詢送經記錄、換經記錄等。可以根據定制化要求設定每日總班次及對應工作時間，并生成自動換班表，報表內容包括時間、布長、緯數、效率、運轉時間、停臺次數及時間等。

4 系統調試

4.1 運行調試

系統調試一般包括空車調試和上機調試。

空車調試是指不加載物料時的機械設備運行調試，是設備安裝完畢、系統設計后的整體調試運行，如圖7所示。空車調試的特點是檢驗機械和系統本身的設計是否能夠正常運行，往往包括各部分單機手動點動運行調試和整機運行調試。其中整機運行調試包括慢速、中速和快速運行調試。

圖7 空車調試流程

空車調試過程中登陸系統后，進行系統和參數配置。通過角度對準，保證機械角度和電氣角度一致。確認電子送經方向，也就是保證送經方向和卷取方向與工藝方向一致。如不一致，則需進入送經設置或者卷取設置進行參數調整。

在點動運行時，點動織機，觀察碼盤角度方向是否增大，如果減小且用戶沒有使用變頻器或者尋緯變頻開關關閉，則將外部供電相序調換；如果用戶使用變頻器且尋緯變頻開關打開，則將外部變頻供電相序調換。確認后再次點動檢查，確認正點動，碼盤角度增大。快車運行時，按下正轉按鈕，無報警則空車調試結束，若有報警請按觸摸屏報警提示進行系統調整。

上機調試一般是帶料調試，確保機器設備或者系統運行正常，能夠按要求完成系統指定任務。對于噴水織機，上機調試的流程主要包括上軸、送經、儲緯設置、花樣板設置、運行、落布設置和探緯設置，如圖8所示。

圖8 上機調試流程

在上機調試過程中，將經軸安裝在織機上是第一步，俗稱上軸。分別按照調試需求設置電子送經的工藝參數、儲緯器的參數、花樣板調試等。其中儲緯器的設定包括放紗直徑、放紗長度、放紗圈數、儲紗圈數、旋轉方向、織機類型等。運行時，首先保證開機調整至機械穩定，在調試狀態中，系統不對外面操作響應。

4.2 故障排除

織機故障種類較多，包括電氣故障、工藝故障、伺服驅動器故障、變頻器故障以及系統設置參數故障。這里主要就系統設計相關故障進行說明和排除。針對觸摸屏不亮故障，需要首先確認插頭是否正常，以及外部電源供電是否正常，排除電源問題后可以更換觸摸屏或者程序重置。針對出布長度與實際出布長度不同的問題，需要根據計算織縮率，根據計算結果，修改參數設置。針對張力顯示報警問題，首先確認是否傳感器硬件接觸問題，排除接觸問題后，則為數據傳輸錯誤，通過系統中張力清零可以解決問題。

在調試運行中，比較嚴重的問題是空停和漏探。空停是指緯紗到達卻停車，漏探是緯紗未到達但是未停車。如果探緯靈敏度異常，則需提高判斷脈沖數，如果是空停，需要調整探緯的區間。

5 結語

隨著科技的不斷發展，傳統的噴水織機逐漸走向自動化、智能化。自動化控制的噴水織機不僅大大提高了生產效率，還使織品的質量得到了保障。本文設計的噴水織機自動化控制系統，能夠準確控制紡織機的壓水、放紗、夾紗、引紗、剪紗等流程，并執行各機構控制的相關命令，實時性和穩定性較高，達到了噴水織機的自動化、智能化的效果。