（测试计量技术及仪器专业论文）喷气织机嵌入式主控系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 喷气织机是集合多种电气控制、测试技术的自动化机织设备。它以独特的技 术特征、明显的经济效益和日益扩大的生产品种，在无梭织机领域中占有愈来愈 重要的地位，优势日益明显。 针对喷气织机的电控系统，通过分析喷气织机电控系统的工作原理和国内外 发展现状，本文提出由主控系统、电子送经卷取控制系统、人机界面所构成的 分布式控制系统，根据不同功能的需要独立设计相应的子系统，采用不同的c p t j ， 并通过c a n 总线实现c p u 间数据通讯。 本文详细阐述了喷气织机电控系统中主控系统的软硬件设计方案，系统采用 c o l df i r e 内核的m c f 5 2 1 6 ( 3 2 位) 高速工业微处理器作为控制器核心，与目前 国内普遍采用的8 位和1 6 位系统相比，系统整体运行速度大大加快，多处理器 协同工作，使控制速度和精度大幅度提高。以嵌入式实时操作系统uc o s - i i 作为系统操作平台，从而简化了应用软件设计，提高了系统的可靠性、实时性和 可移植性，为喷气织机电控系统软件设计提供了新思路。系统c p u 的i o 扩展采 用m a xi i 系列中的c p l d 芯片e p m 2 4 0 ，为整个系统的高速运行和系统升级提供了 有力支持。同时，采用通用的c a n 总线标准化接口及自定义通信协议，有效的实 现多级系统的信息通信。本文硬件部分完成了基于m c f 5 2 1 6 的c p u 核心电路、基 于e p m 2 4 0 c p l d 处理器电路以及其相应的支持和扩展电路的设计；软件部分完成 了基于uc o s i i 操作系统的控制软件设计，包括启动代码、底层驱动和应用 程序的设计。 在完成了相应的芯片和电路测试和系统移植代码的测试后，在设计车速 1 5 0 0 r m i n 、旋转角度9 。m s 、织机角度的控制精度2 。的要求下对主控系统进行 模拟仿真实验，测试喷气引纬时序，仿真结果显示系统可以达到设计要求。 关键词：喷气织机，电气控制，嵌入式，c o l df i r e ，c p l d 硕士学位论文 r e s e a r c ho na i r - j e tl o o mm a i nc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne mb e d d e d s y s t e m a b s t r a c t a i r - j e tl o o mi sak i n do fh i g h l ya u t o m a t e dl o o mm a c h i n e r y , w h i c hi n c l u d i n g m a n ye l e c t r o n i cc o n t r o l sa n dt e s t i n gt e c h n o l o g i e s i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n l o o mm a c h i n ei n d u s t r yf o ri t su n i q u et e c h n i q u e sa n do b v i o u sb e n e f i t s i t i sd e s i g n e de l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mo fa i r - j e tl o o m a n dan e wt y p eo f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fa i r - j e tl o o mi sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d em a i nc o n t r o l s y s t e m ，e l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u ps y s t e ma n dg u is y s t e m ，b ya n a l y z i n gm a i n t h e o r ya n dd e v e l o p m e n ta r o u n dw o r l do fa i r - j e tl o o m t h o s es u b s y s t e m sa r e d e s i g n e di n d e p e n d e n t l yf o rt h e i rd i f f e r e n tf u n c t i o n s e a c hs y s t e mi sc o n t r o l l e db y s p e c i a lm i c r o c o m p u t e r , a n d l e ya r ec o m m u n i c a t e db yc a nb u s i ti se x p a t i a t e do nh a r dw a r e sa n ds o f tw a r e so fm a i nc o n t r o ls y s t e mi ne l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e mo fa i r - j e tl o o mp a r t i c u l a r l y i tu s e sm c f 5 216w h i c hi s 3 2 一b i tc o l df i r e c o r ea st h ek e ym i c r op r o c e s s o r s t h ep l a t f o r mi sm o r ee f f i c i e n ta n dp o w e r f u l c o m p a r e d 、析t i l 8 - b i t 16 一b i t p l a t f o r m s i t u s e sm u l t i p l e p r o c e s s o r s t ow o r ki n c o o p e r a t i o nw h i c hi sp o w e r f u le n o u g ht oh a n d l ea l lt h ew o r ko fc o n t r o l l i n ga n d p r e c i s i o n m e a n w h i l e ，t h eu s eo fr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m pc o s i ip r o m i s e sh i g h s t a b i l i t ya n dr e a l - t i m ea b i l i t y i ta l s oc r e a t e san e wi d e af o rs o t l c w a r es y s t e mo fa i r - j e t l o o ma n dm a k e st h es o f t w a r es y s t e me a s yt od e s i g na n du p d a t e i ti su s e da c p l d e p m 2 4 0f o re x p a n d i n gs y s t e m si o i ti sa l s oap o w e r f u lb a c k u pf o rw h o l e s y s t e m t h ew h o l ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mu s e ss t a n d a r dc a nb u si n t e r f a c ea n d u s e r - d e f m e dc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s ，w h i c h a r e r e a l i z i n gc o m m u n i c a t i o no f m u l t i p l ep r o c e s s o r s t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi n c l u d e sc o r ec i r c u i tw h i c hi sb a s e do n m c f 5 2 16 ，e x p a n s i v ec i r c u i tw h i c hi sb a s e do ne p m 2 4 0a n ds oo n t h es o f t w a r e p l a t f o r mi n c l u d e sb o o tl o a d e r ，d e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e a l lo ft h i s s o f t w a r ei sb a s e do ni t c o s i ir e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 一堡主堂垡迨窒 t e s to ft h o s eh a r dw a l e sa n ds o f tw a r e si sf i n i s h e d a n ds i m u l a t i o np r o g r a mi s d e s i g n e dt of i tf o rt h er e q u i r e m e n to fm a i nc o n t r o ls y s t e m , w h i c hi s15 0 0 r m i n ，9 0 m s ， p r e c i s i o ni s 2 。a f t e rt h et e s to ft i m i n gs e q u e n c eo fw e f ti n s e r t i o ns y s t e m ，m er e s u l t s h o w st h em a i nc o n t r o ls y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d ：a i r - j e t ，e l e c t r i cc o n t r o l ，e m b e d d e ds y s t e m ，c o l df i r e ，c p l d i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：2 卅年汐乡 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密v i，在 不保密。 学位论文作雩筝名：曹。敞 日期砷眵南7 菇 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：建馋鼬 日期：7 年 舳 浙江理f t 大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章绪论 喷气织机由开口、引纬、打纬、送经和卷取四大运动机构及相关的辅助装置 组成【l 】。各运动机构中只有打纬运动可直接通过机械传动实现，其他运动机构及 辅助装置都需采用电气控制技术来适应织机的高转速f 2 】。同时喷气织机的所有动 作均与织机的角度密切相关，它对系统i o 信号的响应速度、处理时间、定位停 车的位置、电磁阀的开关角度以及送经、卷取系统的控制都有非常高的要求。例 如，津田驹公司的z a x 9 1 0 0 系列中的1 9 0 机型在筘幅为1 9 0 c m 时，转速达至u 1 6 0 2 r m i n 。这就意味着其旋转角度是9 6 1 2 0 m s ，织机角度的控制精度要求2 0 ，同时 系统必须在l m s 内完成对储纬器、引纬主副电磁阀、打纬等信号的处理，还有主 机和伺服电机的高频编码器信号、张力传感器模拟量信号、探纬传感器信号等诸 多开关量和模拟量信号的处理【3 】。 目前，我国所使用的高档喷气织机大多从日本和欧洲进口。2 0 0 7 年l 至1 1 月份我国纺织机械进口额为3 3 4 2 亿美元，同比增长1 7 9 ，1 1 月进口额为3 2 8 亿美元。其中织物宽度超过3 0 厘米的喷气织机进口1 2 8 万台，增长1 4 ，进口 额4 8 9 亿美元，同比增长8 1 4 1 。 虽然，国产喷气织机制造近几年在我国有了长足的发展，但是由于喷气织机 在国内起步不久，许多企业正在由原来生产喷水织机改为生产喷气织机，电控系 统正处于研制、仿制阶段，而且国内企业生产的喷气织机在性能方面还远不能达 到国外同类产品的先进水平，与之配套的电控系统依然没有完全摆脱依赖进口， 这样就严重制约了喷气织机国产化的进程。从国内市场的需求看，目前，我国拥 有各类织机近一百万台，其中喷气织机的占有率仅为1 0 ，而全世界喷气织机的 平均占有率为3 0 ，发达国家喷气织机的占有率高达8 0 - - - - 9 0 。根据纺织工业 “十五”规划所提出的要求，2 0 0 5 年喷气织机的比例要由2 0 提高到4 0 ，每年 需新增加喷气织机2 万台左右，而国内现有喷气织机的制造能力仅为0 2 万台 年左右，尚有9 0 的缺v i 5 1 。市场对喷气织机的需求量十分巨大，配套电控产品 具有广阔市场。 浙江理工大学硕士学位论文 本文提出的基于嵌入式的主控系统拥有强大的实时处理能力，可以完成目前 喷气织机的各种功能要求和技术指标，为从根本上解决国内喷气织机控制精度差 这一技术难题开拓出一条道路。嵌入式实时操作系统的使用也保证了系统整体具 有较高的稳定性和可靠性，使得整个电控系统的运行周期大大延长，从而提高织 物的生产效率，实现产业化开发生产和推广应用。 1 2 国内外研究现状及发展动态 1 2 1 国内研究现状 国内研制生产喷气织机由于开发起步较晚，电子电控器件质量稳定性及可靠 性和国外相比尚有一定差距，故高档喷气织机由于进口组件多，特别是电控部件， 制造成本较高，无销售优势。从目前市场情况看，我国高档无梭织机电控系统 9 5 以上依靠进口。其中喷气织机主要来自日本津田驹、丰田，比利时p i c a n o l ， 意大利s o m e t ，瑞士s u l z e r ，德国d o r n i e r 等厂商。 据不完全统计，近十年，我国进口的机种份额发生了很大变化，目前喷气织 机排第一。在上世纪9 0 喷气织机电控系统设计年代期间，我国从国外进口的高 档无梭织机年平均为5 0 0 0 台左右，其中喷气织机约占5 0 6 0 。从进口地区看， 遍布2 9 个省市。进入2 1 世纪以来，我国喷气织机的市场需求量快速增大。目前 国产喷气织机能够形成成熟产品在市场销售的仅有上个世纪9 0 年代通过引进技 术发展起来的浙江日发纺织机械有限公司、上海中纺机和经纬( 沈阳) 等几家。其 中，作为喷气织机的控制核心，织机电控系统与国外差距较大，产品可靠性有待 进一步提高 6 1 。 1 2 2 国外研究现状及发展趋势 近几年全球知名制造商在扩大喷气织机织造范围、提高织物品质、降低能耗、 提高速度等方面投入了研发，使之能织造无捻纱、强捻纱、弹力纱、网络丝、花 式纱、异纱异号织物等。国外喷气织机的主要代表包括：必佳乐( p i c a n 0 1 ) o m n i 型及d e l t a 一1 9 0 型：丰田( t o y o t a ) j a - t 6 1 0 系列和j a 2 s 2 8 0 型；津田驹 ( t s u d a k o m a ) z a x 9 1 0 0 型( 见图1 1 ) 、z a 2 0 3 2 8 0 型和z a x 3 6 0 型等。其中， 日本喷气织机主要以消极凸轮开口为主，欧洲以电子多臂开口为主。普罗马泰克 2 浙江理丁大学硕+ 学位论文 ( p r o m a t e c h ) 、必佳乐、丰田等产品突出了机械结构设讣的整体性和减震效集， 通过改进机架基础部件和连接件的结构，提商机架的整体性和刚性，采取短动程 打纬机构和轻质化设计，提升织机的稳定性，织机因此可以直接安放在防震蚺块 上，地脚不需要有螺栓或粘接固定。喷气织机的喷嘴已发展为2 、4 或更多喷嘴 生产速度进一步提高。喷嘴喷射气流的动作经过电子计算机控制电磁阀的开闭运 动完成气流压力脉冲稳定，因而实现超高速的稳定引纬。引纬主喷嘴压力可以 根椐纱号设定，辅助喷嘴的压力可以按高低两段切换，生产出纬纱纱号差异达 1 2 倍的织物。 吲11 汁i t l 驹z a x 9 1 0 0 删喷7 佛l 机1 i 赢i j 在国际上，关键的主控制系统普遍采用3 2 位计算机控制，对主喷、辅喷、 延伸喷嘴和电磁阀等形成的织机气流控制系统、电子送经系统、电子卷取系统、 开口系统、电子绞边、电子剪刀等能进行有效控制，能够采集、监测、设定、调 整各种工艺参数，具有故障诊断功能，可以通过因特网、i l k 以太瑚和现场总线 实现织机联网控制、诊断和管理。普遍采用不同形式的电机直接传动织机的主轴 技术：开口系统采用优质的积极式凸轮、电子多臂和电子提花装置：电子送经机 构、电子卷取机构、自动寻纬机构已经成为标准配嗣：采用电子绞边装置，电予 剪刀装置等；不断优化设计气流通道各部件的结构，配用高性能的配套件等，达 到实现喷气织机高速、节能、高效的目的。 国外织机控制技术的堆新进展是以微处理器为核心的高性能嵌入式控制和 新型驱动技术的结合，以及各种新型传感器在织机上的应用使喷气织机实现了 自动化和智能化；应用的主要体现是在织机髓拧、运动机构电气化、生产管理数 字化三方面l ”。 1 ) 织机监控 渤os妊、 浙江理工大学硕士学位论文 织机应用微处理机监控，可对设备的运行情况和各项工艺参数进行监测和显 示，并可实行双向通讯。采用r s 4 8 5 总线或c a n b u s 现场总线技术，提高通 讯功能和可靠性。 2 ) 运动机构数字化控制 对织机主电机进行数字化控制，使织机主传动纳入控制系统的控制范畴。采 用的技术主要有：开关磁阻电机、同步可变磁阻电机、独立交频电机、交流伺服 电机等各种变速电机。 3 ) 生产管理数字化 智能织造系统的应用。以往的无梭织机控制系统都支持存储卡将设定好的参 数复制到另外的机台上，控制系统存储着多种织物的经验性工艺参数，调试时只 要输入参数，系统会自动生成工艺参数以供参考。近年一些喷气织机的智能织造 系统、控制系统存储着许多种织物的经验性的工艺参数，当调试人员输入织物种 类时，系统会自动生成工艺参数供参考，调试人员修改参数后还能把新参数存储 起来以丰富该系统。这种技术大大方便了用户使用，提高了工作效率。 工业网络、总线技术是喷气织机计算机技术应用的更高一个层次，国外的高 端无梭织机绝大部分都具备网络和织造管理功能。以太网、c a n 总线、甚至光 纤通讯等组成局域网，可以实现喷气织机群控，管理人员能够方便地查询各种织 造生产数据、织机运行状态；织机之间能互传工艺数据；对发生故障的织机进行 远程诊断、处理问题；通过i n t e m e t 可以实现远程通信。这些技术在国外的喷气 织机上已经具备。 机电一体化和信息化提升了喷气织机的整体水平，由于对织机实现了实时息 控制，为设备的监控提供了更精确的数据信息，织机的控制更方便，织机性能更 优越，结构更简单。 1 4 本论文研究的重点、难点和关键问题 1 ) 通过对传统喷气织机工艺流程的了解，在现有的机械结构基础上，认识 并掌握具体的控制对象，了解喷气织机的具体操作流程，从而确立研究对象。主 要将整个工艺流程数字化，确定电气控制的对象； 2 ) 结合前人的设计经验，总结国内外先进的电气控制技术，提出基于嵌入 4 浙江理工大学硕士学位论文 式系统的硬件设计方案，并建立整个硬件系统。其中包括：主c p u 的选型，外 围电路的设计，扩展芯片的选型，主控电路板的设计，通信接口的设计等； 3 ) 基于以上硬件实现相应的嵌入式系统l x c o s i i 在c o l df i r e 内核处理器上 的移植及合理运用； 1 5 本论文主要创新点 1 ) 采用f r e es c a l e 公司的m c f 5 2 1 6 3 2 位高速工业微处理器作为控制器核 心，与目前国内普遍采用的8 位和1 6 位系统相比，系统整体运行速度大大加快， 多处理器协同工作，使控制精度大幅度提高。 2 ) 以嵌入式实时操作系统l x c o s i i 作为系统软件核心，从而简化了系统软件 设计，提高了系统的可靠性、实时性和可移植性，为喷气织机电控系统软件设计 提供了新思路。 3 ) 采用c p l d 作为c p u 的i o 扩展，使用的芯片为a l t e r a 公司m a x i i 系 列中的e p m 2 4 0 ，为整个系统的高速运行和系统升级提供了有力支持。 4 ) 采用通用的c a n 总线标准化接口及自定义通信协议，有效的实现多级系 统的信息通信。 1 6 本论文主要研究内容和论文结构 1 6 1 本论文的主要研究内容 本论文针对喷气织机的电控系统，提出由主控系统、电子送经卷取控制系 统、人机界面所构成的分布式控制方式，根据不同功能的需要独立设计相应的子 系统，采用不同的c p u ，c p u 间通过c a n 总线实现数据通讯。 本论文详尽的叙述了基于嵌入式的喷气织机主控系统的研究、设计和开发过 程。文中分析了国内外同类产品的研究现状和发展趋势，总结了前人的开发经验， 提出一套新的解决方案，以3 2 位处理器和c p l d 所组成的硬件平台，搭载嵌入 式实时操作系统。 本论文阐述了喷气织机电控系统的设计思想和目标，详细地介绍了基于 m c f 5 2 1 6 和e p m 2 4 0 的硬件平台，以及基于p c o s i i 实时操作系统的软件平台， 包括c a n 总线通讯的实现和自定义的通讯协议。 5 浙江理工大学硕+ 学位论文 1 6 2 本论文的主体结构 第一部分为绪论，阐述本论文提出的背景和国内外研究状况和发展动态，本 文的研究重点、难点和关键问题，本文的创新点、研究内容和论文框架； 第二部分阐述织机工艺流程，系统的说明了喷气织机电控系统的工作原理； 第三部分提出本论文的研究对象一喷气织机主控系统的整体方案设计： 第四部分基于3 2 位c o l df i r e 处理器和c p l d 的喷气织机主控系统硬件设计； 第五部分介绍基于嵌入式操作系统i 上c o s i i 的喷气织机电控系统软件设计； 第六部分系统调试； 第七部分总结和展望。 6 浙江理上大学硕士学位论文 第二章喷气织机电控系统工作原理 2 1 织机织造工艺流程 在织机上生产的织物称为机纵物。机织物是由相互垂直的两组纱线交织而成 的，沿织物长度方向的一组纱线称为经纱，沿织物宽度方向的一组纱线称为纬纱。 根据织物组织的要求，经纬纱上f 交织，可以生产 h 各种品种的织物。 织机种类很多，但丁作原理都是相近或相同的。织前经纱经过准备工序被平 行地卷绕在织轴上，并逐根穿入停经片、综丝的孔眼及钢箱的箱齿中。纬纱则平 行卷绕在纬管上，装入梭予内。经纬准备完毕后，便可在织机上织造织物。织物 形成的工艺过程见图21 。 1 经纱2 - 绒轴3 衍粱4 停经片s _ 综蝗孔毗6 综魁7 制辅8 纵l j9 棱r i o 胸檠1 1 刺毛靴1 2 一导布辊1 3 一卷布辊1 4 一) f i 】凸轮f 0 一舳柄 阿2 1 织机i 艺流祥i j f i 织轴2 位于织机的后部，经纱l 从织轴上引出后，绕过后粱3 ，穿过停经片 4 、综丝孔眼5 以及钢箱7 ，与纬纱交织后，在织口8 处形成织物。织物绕过胸 梁1 0 、刺毛辊1 1 、导布辊1 2 ，最终卷绕到卷布辊1 3 卜。 织物的形成过程如下。由于丌口凸轮1 4 的作用，使综框6 上下升降，穿在 综丝眼内的经纱随之分为上下两层，形成梭1 3 。由于投梭机构的作用，使载有纬 浙江理上大学硕士学位论文 纱的梭子9 飞越梭口，并在棱口中留下一根纬纱。曲柄巧回转，使钢箱7 随箱座 一起向机前摆动，并将新纳入的纬纱推向织口。与此同时，综框6 上下交替位置， 经纱夹持新引入的这根纬纱，并形成一个新梭口，做好引入f 一根纬纱的准备。 刺毛辊1 1 回转，可以将形成的织物引离织口，并卷在眷布辊上。送经机构则使 织轴定时送出适量经纱。织物的形成是连续进行的。 如上所述，织物的形成是由开口、引纬、打纬、送经及卷取五个运动来实现 的，习惯称之为五火运动。任何织机都包含有这五大运动，尽管完成五大运动的 机构有区别，但工作原理是相同的。此外，织机还包括启动、制动装置及传动机 构。山此可见，织机是由许多不同的机构与装置组成的。所有机构和装置即分别 完成各自的工艺动作，又相互协调配合使织机形成一个有机的整体，以完成织物 的织造。 为了便于理解，人们常以织机主轴旋转角度为时问单元，来分析织机各运动 的配台情况。图2 2 所示的时问配置图又可称为曲柄_ t 作圆圈或织机工作圆图， 在图中表示了织造平纹织物时各主要运动的相互关系。在图中将日口死一i i , 定为0 0 h 2 2g g l 运动时m 的配t ) ：= 系削 ( 1 ) 综平时间( 即综框平齐，所有经纱汇合成一片时曲柄的位_ 葺：) 通常在上心附 近，它与打纬运动、投梭运动有密切关系。综平时n 应处在打纬运动之前，这样 在打纬时，援口已丌放到一定程度，使经纱紧紧地央持住纬纱，减少纬纱的反拨。 浙江理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 梭子应该在箱座处于后方位置阶段通过梭口，这样可以充分利用梭口的 高度，而且由于箱座运动引起的梭子的切向惯性力指向钢箱，有利于梭子紧贴箱 面的安全飞行。投梭时间一般在7 5 0 左右，梭子在1 1 5 0 1 2 0 0 进入梭口，在2 4 0 0 左右出梭口。投梭时间与投梭力应保证梭子在预定时间进入梭口，并在预定时间 出梭口。如果投梭时间较迟，为使梭子顺利通过梭口，应适当加大投梭力。 ( 3 ) 曲柄转过上心之后，从钢箱与纬纱接触开始到前死心打纬结束，这段时 间称为打纬时间，一般为3 3 0 0 3 6 0 0 ，在织机上，打纬时间一般是不能调节的。 ( 4 ) 由于机构连接处的间隙，送经运动要从2 0 0 才开始，直至后死心结束。在 此阶段，弯轴凸轮推开制动杆转子，使经纱调节机构工作。此时梭口基本上处于 满开静止阶段，可以使调节机构工作平稳。 ( 5 ) 由于传动机构间的间隙，卷取运动从2 3 0 0 左右开始，至前死心结束。在 织机上，一般卷取运动的时间是不能调节的。 ( 6 ) 耳形滑板与转子的接触时间，是从投梭时开始一直到上心左右才结束， 这就保证了梭子飞行期间钢箱的稳定性。 ( 7 ) 换梭过程是从2 6 0 0 左右开始，一直到前死心时结束，需用时间1 0 0 0 左右。 ( 8 ) 在制织平纹织物时，后梁的摆动应与开口运动和打纬运动相配合。梭口 满开时，后梁位置降低，综平时抬高后梁。在打纬过程中后梁位置不宜下降太多， 以保持一定的经纱张力，便于打紧纬纱。 上述各机构的配合原理，对各类型织机基本上都是适用的。织物品种不同， 织机速度的变化，织物幅宽的大小都会对有关运动的时间配合提出不同的要求， 在实际工作中对具体问题要具体分析，以期获得最佳的时间配合效果。 2 2 喷气织机电气工艺控制流程 喷气织机和上述织机的工作原理基本相同，其最大的不同之处就是引纬方式 的不同。喷气织机使用的是一种新型的引纬方式即气流喷射引纬，气流引纬以空 气为引纬载体，利用空气的流动和喷射成束的特性，将纬纱牵引到织口，所以气 流引纬又称为喷气引纬。由于喷气引纬可用于各种纤维，使用范围很广，所以在 织造业中取得了令人瞩目的进展，己成为喷射引纬的主流 h i 0 1 。 9 浙江理t 人学颂七学化论文 削2 3 上辅喷珊垌l 拌n 筘川 # 自l 构酗 当今的喷气织机的主要引纬方式是采用以主、辅喷嘴接力引纬用异型筘引 导气流和纬纱的引纬机构，见图23 。这种引纬方式又称m o 方式( m u i i o n o z z l e o p e n - a i r g u i d e s y s t e m ) 。辛喷嘴的喷口对准箱槽筘座上同装的许多辅助喷嘴以 适当的间隔排列，形成接应主喷气流和互相接应的接力型高速气流。辅助喷嘴数 萤与排列宽度舣掘筘幅的不同而增减。此种引纬机构可用曲柄连杆打纬，速度高 动力消耗小，噪音低，有利于织制高密厚重织物。纬纱被引导在空问币大的筘槽 内飞行，减小了经纱阻碍引纬的机会，凼此叮允许上下层经纱张力不样，这将 有利于改善织物风格。m o 方式的不足之处是耗气量较大，更换品种时钢筘投资 大因此适合高品质，大批量仁产。m o 方式的纱线种类通用性广，纱线特数u r 山细至粗，能适用于短纤和长缝。同时，m o 方式车速高，幅宽阔，是当今喷气 纵机的主要引纬方式l ”州l 。 2 3 电挣系统主要功能 喷气织机电控系统需要实现的功能可以概括为以下四个方面，包括： 1 ) 基木动作控制，包括织机的启动、远行、停止并在运行过程中检测织帆 的各种工艺故障和设备故障，根据工艺要求发出相关指令，控制织机的动作。 2 ) 引纬过程控制，主要指对织机的主喷嘴电磁闽、辅助喷嘴电磁阀及挡纱 浙江理t 大学硕士学位论文 销的协调控制。 3 ) 电子送经卷取的闭环控制，根据织机工艺要求设定参数，计算送经卷取 量和送经卷取补偿量以及送经，卷取速度，从而控制相应的伺服电机，实现精确 送经卷取，有效防止停车档。 4 ) 参数设置、故障报警提示及生产管理统计，详细、准确提供故障、报警 信息，监察织机工作状态，汇集生产管理方面所需信息。 可以看出，在喷气织机的电控系统中，主要控制内容是引纬和电子送经卷 取两个部分，本论文的设计重点是针对喷气织机电控系统中的主控系统，主控系 统主要负责控制引纬环节，电子送经，卷取控制部分由相应的电子送经卷取控制 系统来完成。 2 3 1 引纬部分 引纬电气控制的关键是通过微处理器精确控制储纬器、主喷和辅喷的开关时 间。设定的引纬工艺参数是通过键盘输入到微处理器的，探纬器则将纬纱到达捕 纬侧的时间信息输入到微处理器，经程序计算，向引纬执行机构储纬器和主辅喷 嘴发出指令，使纬纱到达时间稳定在规定范围之内1 5 1 。引纬系统示意图如下 2 0 i - “3 l l 一纬纱筒子2 一导纱器3 储纬器4 - 电子剪刀孓第一探纬器6 主喷阀 7 辅喷阀孓辅喷嘴9 - 主喷嘴1 0 异形筘1 1 第二二探纬器1 2 气包1 3 纱线 图2 4 喷气织机引纬系统简图 浙江理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章详尽的阐述了织机织造的工艺过程，喷气织机在工艺过程上没有做巨大 的改动，不同的是喷气织机使用的是气流喷射引纬的引纬方式。整个电气控制系 统中最重要的控制部分就是引纬和送经卷取，由于本文针对的设计核心是主控 系统，而主控系统的主要功能是引纬控制，因此，在本章详细的介绍了喷气织机 的引纬过程。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 3 1 电控系统选型 第三章喷气织机电控系统整体设计 当前，喷气织机电气控制系统所使用的主要类型有： ( 1 ) 单片机控制系统 单片机或嵌入式控制器。它是将8 位或1 6 位的中央处理器( c p l 0 、存储器 ( r a m 、r o m ) 、定时计数器及丰富的i o 设备集成在一个芯片上，形成一个片 上微型计算机系统，集成度很高。多数无法运行操作系统，采用汇编或c 语言 进行程序设计，通过编译器烧写到片内存储器完成控制过程。 单片机控制系统具有以下特点： 1 ) 体积小，重量轻，价格便宜； 2 ) 根据工业环境要求设计，可靠性高，抗干扰能力强； 3 ) 指令丰富，运算速度快，控制功能强； 4 ) 片内i o 丰富，如a d c d a c ，定时器计数器，中断系统，串行通讯等。 外设扩展少； 5 ) 性能价格比高，易于推广使用。在自动化装置、智能仪器仪表、过程控 制、通讯、家电等许多领域得到了日益广泛的应用【1 6 1 。 由于单片机在硬件结构、v o 口构成和其灵活的指令，使其具有非常有效的 控制功能。所以单片机不仅具有一般微机的特点，还有很强的过程控制能力。但 是，在研究过程中发现，针对喷气织机采用由多个8 位或1 6 位单片机系统完成 整个织机系统的动作控制和数据运算，系统修改比较烦琐，系统的稳定性比较差， 在实时性和计算的效率上很难取得令人满意的效果。 ( 2 ) 可编程序控制器p l c p l c 是针对顺序控制的应用而设计的微型计算机控制装置。它比计算机具有 更强的与控制过程相连的接口和更适合控制的编程语言。织机电气控制系统中的 执行部件可直接接在p l c 的输出口上进行控制。可编程序控制器 ( p l c p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是在继电器控制和计算机控制的基础上开发 出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技 术融为一体的新型工业自动控制装置。随着微电子技术、计算机技术的发展和通 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 讯技术的推进，p l c 技术己逐渐取代了传统的逻辑控制装置，成为当前工业生产 自动化的三大支柱( p l c 、机器人、c 胱心d 之首。它在机电一体化产品中的 应用范围极广，例如：汽车制造、化工、食品、能源、造纸、冶金、原材料处理、 动力、纺织等行业中有着广泛的应用。 p l c 具有通用性好、可靠性高、环境适应性好，抗干扰能力强；编程简单， 使用方便：体积小，重量轻，功耗低等一系列优点。p l c 最大的特点之一是可与 工业现场信号直接连接，即针对不同现场信号( 如直流和交流、开关量与模拟量、 电压或电流，脉冲或电位、强电或弱电) 有相应的输入输出模块与工业现场的器 件( 如按钮、行程开关、传感器、变送器、电磁阀、控制阀等) 直接连接。 p l c 主要有中央处理器( c p 功、存储器、i o 接口、编程器等组成。p l c 是 采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。其扫描工作过程可分为输入采样、 程序执行和输出刷新三个阶段。在输入采样阶段，p l c 以扫描方式按顺序将所有 输入端的输入信号状态( 开或关、即o n 或o f f 、“l ”或0 ) 读入到输入映像寄存 器中寄存起来，称为对输入信号的采样，或称输入刷新。接着转入程序执行阶段。 在程序执行期间，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入 状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。在程序执行阶 段，p l c 对程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或其 它元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，而将执行结果写 入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存 的内容，会随程序执行的进程而变化。当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此 时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动 用户输出设备( 负载) ，这就是p l c 的实际输出【1 7 j 。 正是由于p l c 采用这种循环扫描的工作方式，它的响应时间就相对较长， 对于喷气织机这种实时性要求极高的系统就无法满足。 ( 3 ) 可编程计算机控制器控制系统p c c 可编程计算机控$ 1 j 器( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ，简称p c c ) ，作为 一个全新的概念于9 0 年代中期是由奥地利的b & r 公司在工控界提出的。 p c c 是一种面向运动控制、过程控制和网络控制的专用控制系统，是集标 准p l c 、数控系统和工业计算机的性能特点于一体的智能控制器。其模块化的硬 1 4 浙江理工大学硕+ 学位论文 件和软件结构，可以根据设计者的控制需要组合成具有厂家应用特点的专用控制 系统，并具有灵活的联网和扩展能力。其所有模块( 包括运动模块等智能模块) 与 p c c 通过系统总线进行连接通讯，中间没有接口。p c c 的系统软件采用分时多 任务机制构筑其应用软件的运行平台，使应用程序的运行周期与程序长短无关， 而由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周 期区别开来，满足了真正实现实时控制的要求。p c c 技术，在世界上以奥地利 的b & r 公司作为代表，在其产品中成功应用。 在软件方面，p c c 采用通用的p c 机作为在线编程开发工具，编程软件为一 个多窗口界面的集成开发环境，程序结构设计采用一种g d m ( g r a p h i ed e s i g n m e t h o d ) 的图形设计方法进行模块设计。它将整个项目( 应用程序) 划分为项目、 处理器和任务等不同层面，各个层面上均采用g d m 图形设计方法设计各模块之 间的结构关系。g d m 为编程者对项目总体的把握上提供了一个强大有力的工具。 p c c 的编程语言可以采用常规p l c 的梯形图( l a d ) 和指令表( s t l ) ，这两种 是广为p l c 开发人员熟悉的低级语言；p c c 还设计了一套基于文本的面向控制的 结构化高级语言p g 2 0 0 0 ，使得程序设计者对复杂过程的描述变得非常直观、简 练。上述三种语言，再加上p g 2 0 0 0 的各种功能函数块( f b k ) ，在项目开发时， 可以根据自己的特点而自由选用。 在硬件结构方面，p c c 的特点也很显著。主要表现在两个方面：第一，p c c 在其核心的运算模块内部，为c p u 配备了数倍于常规p l c 的大容量存储单元 ( 1 0 0 k 1 6 m ) ，这无疑为强大的系统和应用软件提供了监视的硬件基础。第二， p c c 为工业现场的各种信号设计了许多专用的接口模块，如高频脉冲、增量式 编码器、温度、称重信号及超声波信号接口模块等。它们将各种形式的现场信号 十分方便地联入以p c c 为核心的数字控制系统中，用户可按需要对应用系统的 硬件u o 通道以单路、十余路或数十路为单位模块，进行数十点至数百点、上千 点的扩展与联网。在机械行业，p c c 以专用模块的方式对高精度运动控制功能 如高速编码计数、速度和位置补偿、电子齿轮传动、电子凸轮进行了集成，在大 大提高控制精度的同时，使编程更加方便。喷气织机p c c 控制新概念基于以上 的优点，b & r 把p c c 用于喷气织机的电气控制，做出了当今世界最新理念的主 控制系统，实现完美的织机控制功能。但是，由于p c c 价格十分昂贵，在我国 1 5 浙江理工大学硕十学位论文 难以推广应用【1 8 j 。 ( 4 ) 工业控制用计算机控制系统 工控机即工业控制计算机，也叫做工业个人计算机。它是专门为适应工业现 场恶劣环境( 粉尘、振动、高温、电磁干扰) 而设计的专用计算机。 工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业 环境中可靠运行。由于其性能可靠，软件丰富，目前己广泛应用于通讯、工业控 制现场、路桥收费、医疗、环保及人们生活的方方面面。 工业控制机可以对工业生产过程及其机电设备、工业装备进行测量与控制。 它由计算机基本系统和过程i o 系统组成，计算机基本系统由系统总线、主机模 板、存储器板、人机接口板与c r t 、磁盘机、打印机等通用外设组成。过程i o 系统由输入信号调理板和a d 转换器，将现场传感器测量的物理信号转变为电信 号，模拟量经模数转换( a d 转换器) ，变成数字量输入计算机，计算机输出信号 经数模( d a 转换器) 转换和输出调制( 隔离放大) 成执行机构的功率驱动信号驱动 执行机构。 硬件系统一般有运行操作台，控制计算机、c r t 、外设、主机柜、i o 机柜( 机 箱、电源、接线端子板、接地保护装置等) 等。 软件系统由实时操作系统、实时数据库及应用软件、数据采集与处理软件、 各类控制软件( p i d ) 直接数字控制、先进控制软件组成。 与商用及个人计算机比较，工业控制机的特点是强大的过程输入输出能力， 高可靠性与实时性。 但是工业控制计算机也存在以下缺点： 1 ) 工业计算机有较长的装置访问时间。 2 ) 工业计算机的i o 控制点数不能随意扩展。 3 ) 扩展板卡成本高，体积大【1 9 1 。 ( 5 ) 嵌入式控制系统 嵌入式系统是由硬件和软件两大部分组成。前者是整个系统的物理基础，它 提供软件运行平台、扩展模块、通信接口等；后者实际控制系统的运行，多数情 况根据实际的需要移植相应的操作系统。 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为中心，由存储器、i o 设备、通信模 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 块以及电源等必要的辅助接口组成。嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，采 用c o l df i r e 、a r m 、d s p 、c p l d f p g a 等嵌入式芯片。随着计算机技术的发展 以及纳米芯片加工工艺技术的发展，以微处理器为核心的集成多种功能的s o e ( 片 上系统) 系统芯片己经成为嵌入式系统的核心。在嵌入式系统设计中，要尽可能 地选择能满足系统功能接口的s o c 芯片。这些s o c 集成了大量的外围u s b 、 u 6 唧、以太网、肭a 、c a n 等模块。 在设计一个简单的应用程序时，可以不使用操作系统，但在设计较复杂的程 序时，可能就需要一个操作系统来管理和控制内存、多进程、周边资源等。依据 系统提供的程序界面来编写应用程序，可大大减轻程序员的负担。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包括4 个层 面：实时操作系统r t o s 、设备驱动