（机械设计及理论专业论文）面向网络的新型电子提花控制系统的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 纺织工业是我国国民经济的支柱产业之一。目前，国内主要纺织产品的产量 和生产能力均居世界首位，已经成为世界上最大的纺织品生产国。但长期以来， 我国的纺织生产存在设备陈旧、管理落后和生产效率低下等缺点，极大地限制了 纺织业的进一步发展。特别是在入世后，随着国际化市场竞争的进一步加剧，这 种同国外先进的生产方式的差距日趋明显。因此，努力提高国内纺织设备的制造 水平和应用水平具有十分重要的意义。 电子提花机是纺织设备的一种，它采用最新的电子、通讯和计算机技术实现 对提花龙头的控制，跟传统的采用纹板控制的机械式提花机相比具有操作方便、 可靠性高、生产成本低等特点，在国内外均是热门的研究和发展方向。本文叙述 的是一个面向网络的新型电子提花控制系统的研究与开发。主要工作包括以下几 个方面： 1 对国内纺织行业的生产管理的现状进行了调查，在分析了大量的生产实 际后，提出用基于b i t b u s 现场总线的网络来构筑纺织厂的生产管理自动化控制 系统，并给出了整个控制系统的模块组成图。 2 设计并实现了一个采用双c p u 的下位机子站控制系统，用于对提花机进 行现场控制。主从两个c p u 分工明确，各自完成部分功能模块。除了主控c p u 模块和从c p u 模块外，还有触摸屏模块、主从c p u 间的通讯缓冲器模块、花纹 数据输入输出模块和开关信号输入输出模块等模块，它们构成了一个完整的电子 提花机的控制系统。 3 应用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 可视化开发工具编制了运行于上位机的系统 控制软件，以实现对一个纺织厂的电子提花机网络中的所有下位机子站进行实时 监控和管理。系统控制软件包括总控模块、通讯模块、监控模块、数据库模块和 生产管理模块等模块。 4 设计了三套通讯协议，包括下位机子站中主从c p u 通过数据缓冲模块进 行数据交换的通讯协议；主控c p u 与触摸屏的通讯协议；下位机子站与上位机 的通讯协议。 5 对下位机子站控制系统和运行于上位机的系统控制软件进行了多方面的 测试，并分析测试结果，提出了改进的方向。 关键词：电子提花机单片机c p l d 触摸屏现场总线自动化 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e x t i l ei n d u s t r yi so n eo ft h ef u n d a m e n t a li n d u s t r yi nc h i n a t o d a yc h i n ah a s b e c o m et h ew o r l d sl a r g e s tp r o d u c e ro fs o f tg o o d s 、i mi t se n o r m o u sq u a n t i t ya n d p r o d u c f i v i t y b u t t h eo l df a c i l i t i e s o u t - t i m em a n a g e m e n ta n d i n e 伍c i e n c yi nt h i sf i e l d h a v el i m i t e di t sa d v a n c e m e n tw i t ht h em o r ea n dm o r ec o m p e t i t i o ni nt h ew o r l d s t e x t i l em a r k e te s p e c i a l l ya f t e rc h i n a sa c c e s st ow t 0 ，t h eg a pb e t w e e nc h i n aa n d o t h e rc o u n t r i e sw h i c ha d o p t e dt h ea d v a n c e dt e x t i l et e c h n o l o g yb e c o m em o r ee v i d e n t t h u si ti so fv i t a li m p o r t a n tt op r o m o t et h ec a p a b i l i t yt op r o d u c ea n da p p l yt h e h i g h - t e c ht e x t i l em a c h i n ei nc h i n a e l e c t r o n i cj a c q u a r di so n eo fh i 曲- t e c hw e a v i n gm a c h i n e s ，w h i c ha d o p t e dt h e l a t e s te l e c t r o r i l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ef a u c e t i th a s t l ea d v a n t a g e so f m o r ec o n v e n i e n t l yo p e r a t i o n h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dl o w e rc o s tw h e n c o m p a r e dw i t ht h ec a r dc o n t r o lm e c h a n i c a li a c q u a r d t h e r ei sah o tt r e n d t os t u d ya n d r e s e a r c ht h ee l e c t r o h i e i a c q u a r d a b r o a d 础s p a p e ri s a b o u tt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o ft h en e t - o r i e n t e dn e we l e c t r o n i c j a c q u a r d c o n t r 0 1 s y s t e m ，i t i s c o n s i s t e do f t h e f o l l o w i n gp a r t s ： 1 a f t e ra ni n v e s t i g a t i o no ft h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h ep r o d u c i n gm a n a g e m e n t o fc h i n a st e x t i l ei n d u s t r ya n da n a l y s i so fal o to fp r a c t i c e s 。t h ea u t h o r p r o v i d e af i e l d b u sn e tb a s e do nt h eb i t b u st oe s t a b l i s ha na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mf o rt h ep r o d u c i n gm a n a g e m e n to ft h ew e a v i n gf a c t o r y , a n da l s o p r o v i d eas t r u c t u r ec h a r to f t h em o d e lo f t h ew h o l e c o n t r 0 1s y s t e m 2 t h ea u t h o rd e s i g n e da n dr e a l i z e dad o u b l ec p us u b m a c h i n es t a t i o ns y r s t e m f o rt h ef i e l dc o n t r o lo ft h ee l e c t r o n i ci a c q u a r d n 坨r ei sc l e a rt a s kd i v i s i o n b e t w e e nt h ep r i n c i p a lc p ua n dt h es u b o r d i n a t ec p ut of i n i s he a c hf u n c t i o n a l m o d u l e n 坞r ea r eat o u c h s c r e e nm o d u l e ad a t ab u f f e r i n gm o d u l eb e t w e e n t h et w oc p u ，ad e c o r a t i v ep a r e md a t ai n p u t o u t p u tm o d u l e ，ao n o i ts t a t u s i n p u t o u t p u tm o d u l e ，e t c 。t h u sc o m e t ob e i n gaw h o l ee l e c t r o n i cj a c q u a r d 3 t or e a l i z et h er e a lt i m es u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n to fa l ls u b m a c h i n e s t h e r ei sas e r i e so f s y s t e mc o n t r o ls o f t w a r ew r i t t e nw i t ht h em i c r o s o f tv i s u a l b a s i ct o o lt or u ni nt 1 1 ep r i n c i p a lm a c h i n e 1 1 1 ec o n 廿o 】s y s t e mi n c l u d i n gt 1 1 e g e n e r a lc o n t r o lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s u p e r v i s i o nm o d u l e ，d a t a m o d u l ea n d p r o d u c i n gm a n a g e m e n t m o d u l ee t c 4 t h e r ea r et h r e ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t sd e s i g n e dh e r e ，w h i c hi n c l u d i n g t h ed a t ae x c h a n g ea g r e e m e n tb e t w e e nt h ep r i n c i p a lc p ua n dt h es u b o r d i n a t e c p u ，t h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h eg e n e r a lc o n t r o lc p ua n dt h et o u c h s c r e e n ， t h ea g r e e m e n tb e t w e e nt h ep r i n t i p a lm a c h i n ea n dt h es u b m a c h i n e 5 t h ea u t h o rd i dan u m b e ro ft e s t so ft h ec o n t r o ls y r s t e mo ft h es u b m a c h i n e a n dt h es o f t w a r er u nb yt h ep r i n c i p a lm a c h i n ei nm a n yw a y s ，a n a l y z e dt h e r e s u l t so f t h et e s t s a n dg a v et h ed i r e c t i o nf o ri m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i c j a c q u a r d , m c u ，c p l d ，t o u c h s c r e e n ，f i e l d b u s ，a u t o m a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 纺织工业是历史悠久的传统产业，从1 8 世纪工业革命开始至今，一直在产 业部门中占据十分重要的地位，并在国际贸易领域十分令人瞩目。中国是世界上 最大的纺织品生产国与出口国，纺织工业是中国国民经济的支柱产业之一，纺织 品的生产和出口对于我国的经济发展和外汇平衡来说至关重要，同时对世界纺织 品的供求平衡和贸易格局也是举足轻重的。改革开放以来，中国纺织工业以平均 年增长1 3 的速度高速发展，从根本上改变了纺织品供应长期紧缺的状态。中 国主要纺织产品产量和生产能力均居世界首位，中国已经成为名副其实的世界上 最大的纺织品生产国【1 2 】。 加入、t o ，给我国的纺织行业来了更大的机遇和挑战。由于我国劳动力资 源丰富，具有较强的市场竞争力，入世后能给纺织工业更好地利用国内外资源， 大力开拓国内外市场带来新的机遇，由此可以促进纺织品出口市场的多元化及贸 易的自由化，但同时，我们也应注意到纺织行业面临着强大的外来竞争。中国纺 织业要在竞争中求得进一步发展，不仅要在整体水平上有一个较大的提高，而且 要有长远的眼光，要为以后的发展奠定良好的基础。纺织工业必须坚持走持续、 稳定、协调、高效的发展道路，以经济效益为中心，以市场需求为导向，促进纺 织工业从数量增长型向质量效益型转变，实现中国从纺织大国到纺织强国的飞 跃。 1 2 纺织机械的发展状况 纺织机械是纺织行业中非常重要的一个领域，它要针对纺织科技进步的要 求，及时地为纺织工业提供相适应的技术装备。这个领域很具活力，经常能带动 整个纺织行业向前进步。它同纺织技术的发展具有相辅相成的关系，纺织技术的 提高促成了纺织机械的更新进步，而相应的纺织机械的进一步发展也能带来纺织 技术的革新。2 0 世纪的后4 0 年，全世界纺织工业通过大量的投入，进行一系列 技术改造，使纺织机械走上了高速度、自动化的发展道路，设备的单产水平高、 用工少、成本明显降低，增加了纺织企业的经济效益【3 】。 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 纺织机械的特点 纺织机械产品和一般产品不同。它具下述的特点【4 】： 1 专用性 纺织工业分为纺和织两部分，而根据加工的材料不同，又有棉、毛、麻、丝 和化纤等的区别。每种生产环节都必须有专用的生产机械，每一种机械都只能完 成特定的工序，因而纺织机械产品具有专用性。同时由于一种机械只能专用于某 一道工序，所以纺织机械产品类型多、结构差异大。 2 成套性 纺织工业成品的产出需要很多道工序连续完成。如从棉花纺成线再织成布， 要经过开清棉、梳棉、并条、纺纱、捻线、络筒、整经、浆纱、织造等许多道工 序，每一道工序都是前后相承、流水作业的，所需的纺织机械也是成套使用、缺 一不可的，因而具有成套性。 3 技术含量高 由于纺织机械往往有较多的工作点、零件数量多、易损件也多，这就需要零 件具有良好的互换性和较高的制造精度；又由于运转速度快、动作多、运动较复 杂，需要有较高的装配精度；再由于加工的对象是细长纤维类，需要有较高的光 洁度要求：还由于工作条件为多尘、潮湿、高温，所以在制造材料上有较高的技 术要求。 1 2 。2 我国纺织机械的发展水平和发展方向 我国的纺织机械工业是依赖于纺织工业的发展而发展的。因此，入世将给纺 织机械工业带来新的机遇和更为猛烈的冲击。与国外先进的纺织机械设备相比， 目前我国纺织机械工业有以下不足【3 6 】： 1 产品技术水平较低； 2 机电一体化程度不高，特别是新型纺织机械的开发生产才刚刚起步； 3 产品的内在质量和可靠性与国外同类型产品相比仍有一定的差距； 4 国外大部分的产品有知识产权保护，仿造在产品开发中将越来越困难。 但也应看到，我国纺机产品水平不高、技术含量低的一个重要原因是投入不 多，采用先进加工技术和先进加工设备的力度不大。在今后，我们要更多地利用 国际投资，为我国纺机工业注入新的活力。 值得一提的是，我国的中低档纺织机械产品在发展中国家仍有一定的竞争优 势。1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年，我国纺织机械出口东南亚、非洲、澳洲等地势头很好，随 2 激江大掌舔士掌链论文 麓技术改革投资力度的加大、产品结构的调熬，我国纺织机械产品的质量、水平、 档次将会有较大幅度的提高，这一优势必斑会大有可为【7 】。 前几年，由于国家对纺织生产实行了聪缩总量和控制规模的“压锭”措旖， 这对凰内的纺织枫械众妲造成了一定的困娥，除此以外，我国还面临黄国外纺织 凝壤零l 造篷豹攘藏，这爨更秀严竣嚣阂感。毽“压锭”毽会绘我鏊豹纺织掇壤行 池带来一个薪的发展契梳。中国纺织机械纾渡协会指出：串嚣纺织机械行业今嚣 的发展不是数量的延伸，而是质量的提高；不是增量的投入，而是存量的调整； 不悬低水平的重复，而魑高新技术的增效。在目前的形势下，我国的纺织机械行 业威该以产业升级为麟标，以市场需求为动力，大力推动技术进步，加强新产品 懿溪发。要震现钱藏耱按零来改逢筵统鼓零，疆毒产暴熬技零食蠢，妻羹浃对弓l 避 免滋设备的漕纯蔽牧，热逮实现重太设舔瓣鏊产纯【7 】。 近来，纺织企业“聪锭”改造己大体究成，经营机制也进行了的改革，纺织 行业已摆脱了全行业弩损的局面。国内纺织市场需求转旺，国际纺织品市场回暖， 企般开始加快技术改选，以期提高产品档次，增强企业的市场巍争力，从而对纺 织机械产燕的需求蠢魄犬增。 预毒手在纺织工效授零改逵投资孛，避蕊设备鹣毙餐虿黪占爨4 0 激主，嚣 内供应的约占6 0 ，按此比例计算，我国纺织机械制造能力将放空约2 0 【8 】。 所以提高技术创新能力，增大新产品开发资众的投入，在消化、吸收的同时，结 合圈情进行二次开发，不断推出具有创新水平、价格性能比适中、能满足纺织厂 工麓器要的薪产品，楚爨裁大部分纺织机械厂应立即着手做的。攥报导，国外纺 穰众鼗鼹磷麓秀发掰产灏戆投入亮这全零镶售葭入赘1 0 戮上 8 j ，像臻戆 s t a u b l i 、英国静b o n a s 簿国际往的大纺织橇械公司正是对研袭工作作了充分重税 并不断地推陈出新才能在市场上保持良好的销售势头，立于不败之地。 l 。3 纺织厂生产警理宣动化的发展 长期以来纺织工娥由于生产连续性较麓，自动化水平低，人们都将它视为 势幼力密集型生产过獠的典型。特别是在我国，由于纺织生产设铸总体上比较落 后凰工人的工资水平较低，很多纺织厂宁愿多用一个劳动力而不去引用相应的新 机器、新设备。既使程沿海比较发达的省份这种情况也比较常觅 9 1 。这样就瞧 璐了赫设备戆筵广嚣绣织厂蕙终生产警蘧囊劲纯东乎羲建毫。毽是，蠹手国甄纯 大艇产的发震帮竞争静曩趋激烈，我国纺缓懿较藏廉侩劳动成本参与营际市场豹 崩丽巳难以持久，如不及早采取措施，必将影响纺织品和服装出口的增长。 进入2 l 世纪后，纺织工业必须加快用高新技术改造落后的工艺和装备。实 现产业的升级。据预测，以占重要地位的棉纺织工业为例：到2 0 0 5 年精梳纱的 浙江大学硕士学位论文 比重将由目前的1 8 提高到2 5 ，到2 0 1 0 年提高到3 5 ( 发达国家占5 0 以上) ： 无结纱的比重将由目前的4 1 8 ，到2 0 0 5 年提高到5 5 ，到2 0 1 0 年提高到7 0 ( 发达国家1 0 0 ) ：无梭布的比重将由目前的1 9 ，到2 0 0 5 年提高到4 0 ， 到2 0 1 0 年提高到6 0 ( 发达国家9 8 ) 。棉纺织业的装备将注重采用具有高速、 高效、高技术含量( 简称“三高”) 特点的清梳联、精梳联、自动络简机、细络联、 精细络联和各类高档无梭织机。但从目前看，无论是主机还是器材，国内约有三 分之二的产品不能适应纺织工业产业升级的要求【l o 】。因此，推广新技术、新 工艺，提高纺织厂的生产管理的自动化水平势在必行。 我们可以从以下几个方面着手来提高纺织厂的生产管理水平： 1 进一步提高电控系统的档次和水平。除继续和扩大应用可编程序控制器、 变频器和显示器等传统工控设备外，还需结合使用要求进一步开发计算机应用系 统、伺服系统和网络系统，提高纺织机械的智能化水平。 2 提高纺织机械的自动化程度，为纺织厂提高劳动生产率创造条件。纺织 机械的自动化水平得到提高后，可以减少人为误差，能体现工艺在运行中的要求， 可以以自动操作代替人工，降低生产用工和减轻劳动强度，从而大幅度降低生产 成本。 3 采用合适的方法，将纺织厂的所有纺织机械联接成网络。这里要分两种 情况：有一些比较新型的纺织机械自身带有网络接口：而其它还有一些纺织机械 在出厂时没有集成网络联接的功能，这就需要通过改造，在原机器的基础上加入 信号采集处理装置与网络通讯模块，使之能联入厂内的监控网络。早期用的多机 控制系统是集散控制系统，又称分布式控制系统( d c s ) ，它利用计算机技术对生 产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，是融合了4 c ( 控制、计算机、通 信及c g t ) 技术的精粹【1 1 】。现在在国际上用的比较多的则是现场总线技术，它 把具有通信能力的智能现场设备作为网络节点，连接成开放式、数字化、多点通 信的底层网络，现场总线是当前自动化领域技术发展的热点，这是一项以智能传 感器、控制、计算机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。 4 建立一个纺织企业内部的计算机网络管理系统，即一个联接车间、分厂、 管理科室、决策层等企业内部生产和经营管理部门的局域网，实现企业内部各类 数据的采集、输入、传输与分析处理，为管理层和决策层提供快速准确的管理决 策信息。在此基础上建立一个面向国内外市场的、能促进企业快速有效适应市场 的联接i n t e m e t 的广域网，实现市场预测、产品设计、生产销售的有机结合，最 终建立一个具有较高水平的优化型生产管理系统。 近年来，由于国际上对纺织产品的生产周期和性能质量的要求的提高以及纺 织类机械成本的降低，国内的一些纺织厂( 包括一些中小型的股份制厂) 开始采用 一些性能比较优良的纺织机械来装配生产车间。但这还仅仅是开始阶段，在纺织 4 浙江大学硕士学位论文 业比较发达的浙江省萧山、绍兴一带的织布厂里，我们就经常可以看到好几种织 机在同时运转，其中既有我国在七八十年代自行生产的“老机器”，也有刚刚从 国外引进的最新机型【9 ，1 2 1 4 1 。可以预测，在不久的将来，只有那些具有较 高的生产管理自动化水平的纺织厂才能适应市场的要求，才能在激烈的国内国际 竞争中赢得自己的一席之地。 1 4 电子提花系统的发展历史与现状 1 4 1 电子提花系统的发晨历史 提花机是一种织机的开口机构，它的主要特点是用综线而不用综框控制每根 经纱，可以使每根经纱独立地上下运动，可用于织造复杂的花纹组织。 提花织物的生产从纯手- r n 机械式提花机，发展到今天的电子提花机，经历 了一个漫长曲折的过程。几个世纪以来，织造提花织物都是由人工以手提脚踏的 方式来完成的，不但工作辛苦，而且效率又低。1 8 0 5 年，法国人约瑟夫研制了 首台可控制的提花机，采用可更换的打孔纹板储存提花的花纹信息，控制经丝的 提升。1 8 8 4 年，另一位法国人韦多尔研制了读取装置，用较薄和轻的纸板来替 代纹板，使设计更节省空间，这种精巧的纸板直至今天仍在传统的提花机上广泛 应用【1 5 】。 随着电子技术的发展，计算机控制在纺织领域中得到了普遍应用。在提花织 物的设计与织造过程中已逐步开始利用计算机系统取代传统的手工作业，花型的 设计及生产周期大幅度缩短，生产效率得到了很大提高。1 9 8 3 年，在米兰国际 纺织业联合会上，英国b o n a s 公司推出了世界上第一台电子提花机，织制速度最 高达到每分钟1 3 0 0 梭。1 9 8 5 年，法国s t a u b l i 公司着手研究和开发了新型的电子 提花机c x 8 6 0 ，这是一次提花机的革命，电磁化的设计，使提花机占用的空间 更少，对织造程序管理更趋容易【1 5 1 8 】。 电子提花机采用电子计算机代替原有的花筒、纹板等装置，控制每根经纱的 升降顺序，因此节省了制作纹板的大量劳动，大大缩短了调换更新品种所需的时 间，最新的电子提花开口机构更是按全新的概念设计，使结构大为简化，显著提 高了提花织机的车速，是提花开口机构今后的发展方向。电子控制开口机构是提 花开口技术的重大发展，它开拓了一条织物花纹设计与c a d 工作站相结合的道 路，可将织物花纹图案通过扫描转换成数据存入e p r o m ( 只读存储器) 或计算机 软盘，代替庞大的穿孔纹板，它能储存所有的图案数据，节省了空间，并通过计 算机可以便利、快速地对所存储的花纹图案信息作改动或修正，非常方便。电子 浙江大学硕士学位论文 提花机开口融合了现代微电子技术和电磁、光电技术，在纺织c a d 系统和新型 机械机构的配合下，实现了高速无纹板提花，大大提高了劳动生产率和纺织产品 的质量。 目前，世界上电子提花机的型号很多。它们共同的特征是转速高、运转平稳、 各道监察和操作全电脑控制，它使产品有了质量保证，其最大优势是改换品种快 捷方便，纹样经纹织c a d 编辑后，立即就能织出纹织物。特别适合小批量、多 品种、要求快速交货的现代纺织品市场。电子提花机没有通常意义上的纹针，机 上排列着许多电磁阀，每个电磁阀下都有一个挂钩，可挂一个通丝把，控制经线 提升。根据行业习惯，我们也可把一副电磁阀和相应的挂钩称为一枚电子纹针。 由纹织c a d 系统编制好的电子纹板数据可以通过软盘或网络传送至提花机，用 电子信号控制每一枚电子纹针，进而控制每一根经丝的升降运动，从而编织出丰 富的花纹图案【1 9 2 1 】。 1 4 。2 国外几种典型的电子提花系统的发展情况 国外电子提花机的应用从8 0 年代初就开始普及。到目前已形成品种齐全的 纺织设备门类，电子提花机品种繁多，性能各异，比较具代表性的有：德国g r o s s e 公司、英国b o n a s 公司、法国s t a u b l i 公司，下面分别予以简要介绍： 1 德国g r o s s e 公司 早在8 0 年代，我国引进的高档无梭织机中就有德国g r o s s e 公司的多臂机和 提花装置1 2 1 】。该公司生产的提花机具有很高的可靠性，具有代表性的机型是 g r o s s ee j p 2 型电子提花机。这种提花机同样继承了该公司一惯结构坚固的特点， 尤其是在重磅提花织物的织造中e j p 2 型电子提花机尽显风采。e j p - 2 型电子提 花机的电磁选针机构中最具特点的是其竖针( 竖钩) ，它是由碳素纤维浇铸而成， 衔铁铸在竖钩上坚固耐用，单钩负重几千克，其电磁铁排列于控制电路板下方。 维修电路或电磁铁时只需抽出电路板即可，非常方便。在运行过程中刀片运动到 竖钩附近时将竖钩推向电磁铁，因而电磁铁只需很小的电能便可将竖钩吸住，大 大减小了电源容量。这个特点可使得e j p 2 型电子提花机的总针数很高，而且无 需太大的供电容量。优异的性能使e j p 2 型提花机受到用户的高度评价。但由于 g r o s s e 在我国的知名度不高，因此市场还不大。 2 英国b o n a s 公司 自从b o n a s 机器制造公司于2 0 世纪5 0 年代末建立之后，它在提花织物织造 机械行业的领先地位令世人瞩目，世界上第一台电子提花机即由该公司推出。 1 9 9 2 年在北京国际纺织机械展上b o n a s 向中国用户展示了该公司生产的v a r i t c x 系列提花机。b o n a s 的提花龙头以其机械传动的简便实用引起了业内人士的注意。 6 浙江大学硕士学位论文 它采用简单的四连杆机构，四个摆臂由一根轴上的四个凸轮控制上下摆动，所形 成的v 型开口正好与织机的开口对应，它的这种传动机构是所有电子提花机中 最简单的。电磁选针装置也设计得非常简单实用，电磁铁巧妙地安装在一个橄榄 形的长塑料阀体上，阀体之间加上一个小隔片，形成夹缝，正好是作为衔铁的片 状竖针运动轨道。在整个电磁选针机构中，片状竖针是惟一的运动部件，竖针可 以受电磁铁的控制静止挂在阀体的钩上，或者跟随提刀做上下运动。由于电磁阀 是靠螺丝一个个组合起来的，因此更换起来特别方便。 巧妙的构思和简单的运动机构是b o n a s 电子提花机成功的一个重要因素，在 英国本土获得了很高的荣誉，在世界各国也得到了广泛应用。由于其构造简单， 因而运行平稳，尤其在高速运行中更加显示出其优越性，能以大大超过1 0 0 0 纬 每分钟的速度运行。该公司生产的电子提花机在我国目前拥有很大的用户群 2 1 2 3 】。 3 法国s t a u b l i 公司 以c x 8 6 0 型为代表，s t a u b l i 公司生产了多种系列的高性能电子提花机，供 各种场合使用。c x 系列提花机最小的只有7 2 针，最大的组合多达1 2 2 8 8 针， 为目前世界上最大的机种 2 3 】。独特的电子选针机构一c x 组件体现出该公司 精湛的设计与制造技术。c x 组件由8 个机电选针单元组成，每个选针单元控制 一组组织相同的经纱，采用这种组合结构使电子提花机内部的布置非常灵巧。另 外，采用固定电磁阀结构，使能量消耗特别低，只有3 5 w 个。c x 组件采用密 封式永久性润滑设计，非常可靠【2 3 】。整个龙头由多个这样的组件集合形成， 因而针数组合非常方便。更为称道的是配置在c x 8 7 0 、c x 8 8 0 等系列提花机上 的j c 系列控制箱，它是整个提花机的控制中心。以j c 5 为例，它集成了一个触 摸屏、一个新型的3 2 位微处理器、一个2 g 的硬盘、一个3 5 英寸的软盘驱动器 及其它一些外围器件。除了能单机控制外，j c 5 还可以控制相联的两台电子提花 机【2 4 2 5 】。 以上三种风格各异的电子提花机代表了当今世界上电子提花机的生产和应 用水平，它们大大地推动了提花织物生产过程自动化的发展。 1 4 3 国内电子提花系统的发展情况 目前配置在国内中高档剑杆织机上的电子提花机大部分是从国外高价引进 的，而国产的一般仅配置在低速的机械式提花机。我国虽然早在1 2 世纪初就有 制织大花纹织物的大型拉花机，但由于我国在电子提花机方面的研究和生产起步 较晚，提花机的发展研制速度还远落后于国外【2 6 2 8 】。 随着电予、机械工业的发展以及纺织工业新型原料的开发应用，近几年来世 浙江大学硕士学位论文 界范围内的电子提花机技术发展得很快。我国需加紧跟上发展的步伐，国内电子 提花机的推广使用应着重考虑以下的几个方面的因素： 1 随着生活水平的不断提高，人们对生活环境的要求也将越来越高、今后 环境装饰、居室美化以及衣着用料等将逐步由素织物向花织物过渡，因而提花织 物的比重必然会提高； 2 由于电子、机械工业的飞速发展，可以逐步推广电子提花、织造编程系 统，以便成倍提高工作效率； 3 为提高产品自动化水平和适应新型织机高速运转的性能要求，应着手将 国内的提花机朝先进化、电子化和高速化方向发展，目前国内生产的低转速的机 械式提花机，无论从质量还是效率看，都无法适应市场的需要： 4 生产的电子提花机应优先考虑我国的国情，考虑国内的生产实际与用户 的需要，实用是根本，其次还要兼顾与国际接轨，能够走出国门，与国外的厂家 进行竞争： 5 电子提花机应能提供网络接口，以便于纺织厂在日后组建生产管理自动 化网络用，实现整个工厂生产管理的自动化。 目前在国内，经过大量的技术人员的努力，已经开发出了几种类型的提花系 统：西安德高电子有限公司研制成功了最高转速达1 0 0 0 r m 以上的高速电子提花 龙头 2 0 1 ；常熟纺织机械有限公司研制成功了最高转速达6 5 0 r m ，最宽门幅达 4 3 0 0 m m 的g t 5 1 1 型电子提花机【2 9 】。 1 5 本课题的研究意义 提高国产电子提花机的制造水平，以产顶进，建立国内特有电子提花装置生 产基地，引进和开发制造各种新型电子提花机已成为我国纺织机械企业争取市场 竞争优势，满足市场需求的主攻目标。作为电子提花机的“灵魂”的控制系统自 然是重中之重，一套可靠、强健、实用的电子提花控制系统能大大地促进整机的 运行效率和工厂生产管理的自动化水平。 、 1 6 本课墨研究开发的主要内容 本课题涉及纺织厂生产管理的自动化、电子提花机的控制理论、电子提花机 的网络化监控等内容，主要进行的工作如下： 1 分析国内外纺织厂生产管理自动化的发展情况： 2 研究适合于国内纺织厂实际的生产管理自动化模式； 浙江大学硕士学位论文 3 设计电子提花机控制系统的下位机子站的组成模块； 4 设计下位机子站的控制电路并制作控制电路板； 5 编制下位机子站的主控c p u 和从c p u 的控制程序： 6 设计下位机子站中主控c p u 和从c p u 之间进行通讯的协议； 7 设计下位机子站中c p l d 的程序； 8 设计下位机子站的用户触摸屏的界面： 9 设计下位机子站中触摸屏同控制电路板之间进行通讯的接口和协议 l o 编制上位机系统控制软件； 1 1 设计下位机子站与上位机之间进行通讯的接口和协议； 1 2 对整个控制系统的下位机子站和上位机进行测试： 1 3 分析测试结果，提出系统改进方向。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章纺织厂生产管理自动化系统的研究 【本章摘要】本章首先分析了国内纺织厂生产管理的现状，阐明实行生产管理自动化的必要 性；然后对基于集散型控制和现场总线式控制的控制系统进行了说明比较，并讨论了国内纺 织厂使用现场总线进行生产管理的经验及今后的进一步发展的方向；最后提出了种基于 b i t b u s 现场总线的纺织厂生产管理自动化系统，给出了系统组成的模块图，并对各模块的功 用及模块间的联系都作了详细的说明。 2 1 国内纺织厂生产管理现状的分析与研究 2 1 1 国内纺织厂生产管理的现状 我国纺织行业是一个庞大的产业，近十年来我国纺织品出口量始终处于世界 首位。但从总体上来说我国纺织企业的生产管理基本上还属于粗放型、劳动密集 型的模式，产品的科技含量、生产的集约化程度都还处于较低水平。 加入w t o 大大拓展了我国纺织企业的市场空间。但在世界经济由短缺经济 转变为相对过剩经济的大环境下，要使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地， 必须增加新产品的开发，提高产品的质量，讲究经营、管理、决策的科学性，及 时准确地获取外部市场信息，并在企业内部形成市场快速反应机制。 我国的纺织企业从大到几千人的大中型企业至小到不满1 0 0 人的小厂，所采 用的管理方法、管理手段并没有质的差别，大多数企业的生产经营管理仍停留在 较原始的水平：大部分厂内外的信息收集、传递、下达仍以表、卡、单的方式， 有的靠口头交办与联络，其速度、准确性均无法保证：数据的分类、统计大多依 靠手工进行，速度慢、效率低，浪费人力且易出差错，更难于快速实现信息的查 询和反馈；生产各环节的资源、设备、人员的配置及管理主要依据管理者的经验， 缺乏科学性【3 0 3 2 】。 2 1 2 纺织厂组建生产管理自动化系统的必要性 借助于生产管理的自动化网络，进行生产经营管理，可以根据客户订单、销 售合同和企业的生产能力，由计算机快速进行成本核算，科学地制定生产计划和 i o 渐辽大掌硕士学位论文 采购计划，弗迅速传递到相关部门进行核准和实施：管理层在办公室内利用计算 机系统，可以随时对车间的生产情况进行查询、统计、分析，动凑地掌握各工序 鹃皇产滚态，馒子及嚣满控生产销售专专麓豹羲露，确保产品懿燕瀵器按麓交黛。 这样，可使纺织企业摆脱落后的管理观念、管理方法和管理手段，提高管理的自 动化程度和工作效率，提高产品的质鬣，降低成本和原料的消耗。增强企业猩国 际市场上的竞争能力。 簸鑫动纯麓霜度羲，纺织成品铡潦迄程翡每一莎糟计算辊傣憨集成技零联羧 起来，不仪慧味着产品质量、生产效率的提高，而鼠它将给我们带来全新的工作 模式和生产方式。 2 2 两种自动化控制系统的分析与比较 在现技羔监控毒l 镬域，控刳系统豹筑残主要鸯掰耱方式，嚣集数控割系绞 ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s e m d e s ) 和瑷场总线式掩案系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m - - f c s ) 。下面就分别对这两种控制系统的结构与性能作以分析，并进行 比较。 2 2 集散型控制蒹统的结构与性能分析 它裁稻诗算极技零对釜产过程遴移集孛整程、掇律、警理移分鼗控裁，箕技 术内涵融合了4 c ( c o n t r o l 、c o m p m e r 、c o m m u n i c a t i o n 及c r t ) 技术的精粹。d c s 的一个显著特点是各工艺现场出现场控制站进行分散控制，各个分散控制得到的 信息由管理熬集中警理，溺辩根据生产王艺豹要求繁灌站薅荟理场控翻站送雩亍集 中控制，繇信患_ 和操作繁壤集中纯丽撩制分散他，也就是集中怒搔管理、搡佟、 监视三方谢，分散是指功能分散、负荷分散 3 3 3 4 。 d c s 自7 0 年代中期闯世以来，很多公司各自攘出了多种不髑设计、风格备 异弱控裁系绕，毽它稻熬核心绪褥帮纂零主是一致鹣，我喾3 霹激麓攀这将英羟纳 为“三点一线”式的结构。“一线”鼹指d c s 的骨架计算机网络。“三点”则楚 指连接在网络上的三种不同类型的节点。用于d c s 的计算机网络不同于一般的 计算捉鄹终，它是一个实孵控糕网终，信息豹转输蘩求在确定鹃辩羧内完成。三 穗不同类登的节点是：瑟囱被控过程瑰场鲍现场i o 控制站，它患簧用于完成辩 过程现场i o 处理并实现童接数字控制( d d c ) ；面向操作人员的操作站，用予 处理一切与逛行操作有必的人机界面( o i ，o p e r a t o ri n t e r f a c e ) 娥( m v i i ，m a n m a c h i n ei n f t e r f a c e ) 豹麓戆；瑟自d c s 薤警警理入爨藜工程努懿，瘸予对d c s 浙江大学硕士学位论文 进行离线配置、组态工作和在线的系统监督、控制和维护 3 5 】。 d c s 的结构是一个分布式、分支树状结构。按系统结构进行垂直分解，它 可分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每 一级又可水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级实现不同 的功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等；横向分级则意味着同级设备 具有类似功能。d c s 采用标准化、模块化和系列化的设计，以通讯网络为纽带， 将生产管理中的各级结构组成一个操作管理集中而控制相对分散、配置灵活、组 态方便、具有高可靠性的实用系统。 2 2 2 现场总线式控制系统的结构与性能分析 现场总线是在8 0 年代末、9 0 年代初发展起来的，用于过程自动化、制造自 动化和楼宇自动化等领域的现场智能设备和互联通信网络。根据国际电工委员会 i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线的节点是现场设备 或现场仪表，如传感器、变送器、执行器和编程器等，但不是传统的只有简单功 能的设备和仪表，而是具有综合功能的智能设备和智能仪表。现场设备具有互换 性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。 以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称为现场总线控制系统 ( f c s ) 。它是继集散控制系统d c s 后的新一代控制系统。它既是一个开放的通信 网络，又是一种全分布式的控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总 线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实 现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、优化及控管一体化的综合自动 化功能。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的 综合技术。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制 室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现 场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而只需通过都处于现 场的变送器、执行器之间的连接，便可在现场构成完整的基本控制系统，实现彻 底的分散控制。当然这种控制系统还可以与别的系统或控制室的计算机进行信息 交换，构成各种高性能的控制系统【3 6 3 8 】。 2 2 3d c s 与f c s 的比较 塑婆查兰堕主兰堡笙壅 现场总线控制系统f c s 在控制系统的体系结构上与d c s 有很大的不同，如 图2 2 1 所示： 图2 2 1 ：f c s 与d c s 的比较 由于f c s 采用现场总线网络结构，控制系统具有全数字、网络化、全分布 的体系结构，形成了从测控设备到控制计算机的全数字通信网络，企业综合自动 化系统实现从最高决策层( 管理层) 到最低设备层( 现场层) 的综合管理与控制 【3 9 】。 下面主要从四个方面对d c s 和f c s 作比较： 1 数字化 d c s 只达到了半数字化，在传统的d c s 系统里，温度和压力变送器须将它 们测到的原始数字信号在送入d c s 前转换成4 2 0 m a 的模拟信号，在模拟系统 中，噪音及异常信号扭曲都无法被检测。 f c s 则实现了全数字化，纯数字的通信使过程控制具有更高的可靠性。在 f c s 中，从传感器、变送器到调节器，一直是数字信号，这就使得更复杂、更精 确的信号处理得以实现。普通的噪音很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号。 数字通信的查错功能可检测出传输中的误码。 2 可