（系统分析与集成专业论文）基于多处理器的剑杆织机控制系统.pdf

摘要 目前国内针对高档剑杆织机的控制系统尚无成功的商业应用实例，开发高 档织机控制系统已是当前纺织机械行业的迫切需求。 课题研发一个基于多处理器的剑杆织机控制系统，控制剑杆织机的各个机 构协同动作，实现织造功能。控制系统采用一个上位机、五个下位机的系统结 构，中间以现场总线r s 4 8 5 连接。上位机运行织机操作软件，实现人机交互 功能；五个下位分别控制织机各运动机构，实现织机动作的实时、协同控制。 论文分别介绍了上位机及各个下位机的结构，实现的工艺功能以具体的电 路设计方法；研究了织造过程中经纱张力的控制方法，提出了较为实用的 基于模糊- - p i 并联控制的经纱张力控制算法，并成功应用；同时介绍了r s 4 8 5 总线的应用细节和一些微机系统抗干扰的实用方法。 本课题受浙江省重点自然科学基金( 项目编号z 1 0 9 0 4 2 3 ) 资助，研发的控 制系统为高档剑杆织机的配套产品。课题的成功实施可填补国内技术空白，提 高剑杆织机的自动化和智能化水平，促进我国纺织工业技术水平的提高与产业 的转型升级。 关键词：多处理器，剑杆织机，控制系统，经纱张力，模糊- - p i 并联控制 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ei sn os u c c e s s f u lc o m m e r c i a la p p l i c a t i o no fac o n t r o ls y s t e m f o rh i g h g r a d er a p i e rl o o mi nc h i n a a n dt h e r ei sa l lu r g e n tn e e do fh i g h g r a d el o o m c o n t r o ls y s t e mi nt e x t i l em a c h i n e r yi n d u s t r y t h ep r o j e c tf o c u s e so nr e s e a r c ho far a p i e rl o o mc o n t r o ls y s t e mb a s e do n m u l t i p r o c e s s o r ，w h i c hc o n t r o l sv a r i o u sm e c h a n i s mo fl o o mt om o v ec o n c e r t e d l ya n d a c h i e v ew e a v i n gf u n c t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mh a ss i xp r o c e s s o r s ，o n ei sh o s t ，a n d t h eo t h e rf i v ea r es l a v e r s f i e l db u sr s 4 8 5i su s e dt oc o n n e c th o s ta n ds l a v e r s t i l e h o s tr u n sl o o mo p e r a t i n gs o f t w a r e ，p r o v i d i n gh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni n t e r f a c e a n dt h ef i v es l a v e r se x e c u t er e a l - t i m ea n dc o o p e r a t i v ec o n t r o lf o rv a r i o u s m e c h a n i s mo fl o o m t h et h e s i si n t r o d u c e ds t r u c t u r e ，p r o c e s sf u n c t i o n sa n ds p e c i f i cc i r c u i td e s i g no f t h eh o s ta n ds l a v e r s m e a n w h i l e ，i ts t u d i e dw a r pt e n s i o nc o n t r o la l g o r i t h ma n d p r e s e n t e dap r a c t i c a la l g o r i t h mw h i c hc o n s i s t so ff u z z yc o n t r o la n dp ic o n t r 0 1 f i n a l l ys o m ea p p l i c a t i o nd e t a i l so ff i e l db u sr s 一4 8 5a n ds o m ep r a c t i c a lm e a s u r e so f m i c r o c o m p u t e rs y s t e ma n t i - j a m m i n ga r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u l t i p r o c e s s o ri sa l la c c e s s o r yp r o d u c to f h i g h g r a d er a p i e rl o o m i tc a ni m p r o v ea u t o m a t i o nl e v e la n di n t e l l i g e n tl e v e lo f l o o m t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fz h e j i a n g p r o v i n c ea n dh e l p st h et r a n s f o r m a t i o no ft e x t i l ei n d u s t r i e sa n dt e c h n o l o g i c a l u p g r a d i n g k e y w o r d s ：m u l t i p r o c e s s o lr a p i e rl o o m ，c o n t r o ls y s t e m ，w a r pt e n s i o n ，f u z z y - p i p a r a l l e lc o n t r o l i i i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：莨晦互 签字日期：2 。p 年i 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：莨陆厶导师签名： 级叠匀 签字日期：妒矽年f 月衫日签字日期：纠和年月万日 致谢 在浙江大学的求学时光，是我人生中一段最宝贵的经历。感谢母校对我的 培养和教育，不仅使我专业知识上有很大提高，而且让我成为一个乐观、自信 的人。在此，谨向给予我指导、关心、支持和帮助的老师、同学和朋友表示衷 心的感谢! 首先我要衷心感谢我的导师张森林教授! 感谢他在项目研究、论文的选题 以及论文的撰写过程中所给予的指导与帮助，感谢他两年半来对我的关怀和教 诲，感谢他给予我学业上的指导和生活上的关心。他的谆谆教诲将使我受益终 身，激励我在今后的工作和学习中更加努力拼搏。 感谢颜钢锋老师，刘妹琴老师，樊臻老师，林志赘老师在学习、生活、科 研等方面对我的帮助、关心和指导。 感谢同寝室室友庞博、白阳、刘志坚所提供的帮助。从本科到硕士研究生 七年，大家一起学习，一起拼搏，共同成长，这段时光将永远铭记我心。 感谢宫晨、丁伟两位师兄给我的指导和鼓励。 感谢张荣臻、应鹏，毛冬、高琨、陈伟在项目过程中提供的帮助，同时也 感谢杭州经纬自动化有限公司研发部的刘和进工程师给我的悉心指导。 最后要感谢我的父母，是他们一直无私的支持我，使我能够安心的完成硕 士阶段的学习，衷心的祝愿他们身体健康，万事如意! 再次衷心感谢并祝福所以关心过我，帮助过我的师长、同学和朋友们! 应腾云 2 0 1 0 年1 月于求是园 1 1 研究背景 第1 章绪论 在一年多来国际金融危机的冲击下，由于国际市场持续低迷，外部形势严 峻，我国纺织行业经济运行于去年1 、2 月份跌至低谷。随后，得益于中央应对 国际金融危机的决策和部署，推动国内需求持续回升，以及对纺织服装出1 3 退 税率调整等政策的积极效果逐步显现，行业结构调整和产业升级稳步推进，纺 织行业经济运行自2 0 0 9 年二季度以来开始企稳回升。随着纺织行业的态势好 转，我国纺织机械行业生产销售下滑的趋势从2 0 0 9 年下半年开始逐步得到遏 制，呈现回暖态势。 后金融危机时期，我国纺织行业结构调整与产业升级已成当务之急，纺织 企业对纺织设备的需求发生了很大改变。纺织机械市场的需求以中高端为主， 化纤机械、电脑横机、剑杆织机、经编机等部分类别产品的市场需求进一步扩 大，节能减排的印染设备需求力度也在逐渐增加。为了顺应纺织行业的调整升 级，纺织机械行业须尽快提高纺织关键整机的技术水平，提高无梭织机车速， 扩展原料品种适应性及智能化程度。 最近几年，我国国产剑杆织机发展较快，初步形成产业链，产品成本大幅 下降，技术性能有所提高，但与国外同业相比，国产剑杆织机总体技术水平、 可靠性和品种适应性等方面尚显不足。 1 2 剑杆织机简介 织机是一种将经纱和纬纱交织成织物的纺织设备，根据牵引纬纱进入织1 3 的方式不同，织机可分为有梭织机和无梭织机。剑杆织机是无梭织机的一种， 它利用往复移动的剑状杆将梭口外固定筒子上的纬纱引入梭口，利用钢筘将纬 纱打紧，与经纱交织形成布匹。 剑杆织机通常根据剑杆的刚性或者挠性分为刚性剑杆织机和挠性剑杆织 机。刚性剑杆织机机台占地面积大，剑杆较笨重惯性大，不利于高速织造，同 时织机的筘幅也受到了限制，这些特点使其应用范围大大缩小1 1 。挠性剑杆织 机适应性强，入纬率高，应用范围广，筘幅宽可达4 6 0 c m ，目前国内外厂家生 一1 一 产的基本上是挠性剑杆机。 商用剑杆织机1 9 6 3 年在汉诺威国际纺织机械展览会首次展出，发展至今剑 杆织机的工艺性能已日趋完善。剑杆织机是目前使用最为广泛的无梭织机，是 制织中小批量、品种变换频繁的花色织物的首选，普遍能选8 色纬纱，最高能 选1 6 色。从中厚织物到轻薄织物，从服装纺织品到家用纺织品和产业用纺织品， 从单层织物到毛圈织物及双层起绒织物，从窄幅织物到4 6 米阔幅织物均可由 剑杆织机织造。近年来随着引纬机构的改进，剑杆织机最高车速已达8 0 0 r m i n ， 最高入纬率已突破1 5 0 0 m m i n ，夹持纬纱运动的剑头，其构造可适用于不同原 料和结构的纱线，在0 7 3 3 0 0t e x 之间不需调换剑头2 】3 。 剑杆织机的电气控制系统普遍使用微处理器，可实时监控织机的运行情况 和各项工艺参数；电子送经机构可控制送经速度，调节经纱张力，使其从织轴 满轴到空轴过程中保持恒定；电子卷取机构可控制卷取速度，在织造过程中方 便地改变织物纬密；电子多臂、电子提花等开口机构和电子选纬机构的应用， 能在运行中快速方便地改变织物组织和纬纱颜色；在微机控制下，可使自动寻 纬、对织口装置与其他机构( 如电子送经和卷取机构) 保持同步，大大减少开 车横档产生的几率；电子纬纱张力器能对纬纱张力进行有效控制，减少断纬， 有较高的供纬率，有利于提高织造速度。 由于上述特点，剑杆织机虽然入纬率不如喷气织机、片梭织机等无梭织机， 但以其功能完善、品种适应性广、性价比高等优点，在销售数量上一直居于前 列，预计今后剑杆织机的销售数量还将继续扩大【2 】4 。 1 3 研究现状和发展趋势 1 3 1 国外剑杆织机技术水平 近十年来，国外剑杆织机的发展其实就是织机性能向高速化，多品种适应 性，高可靠性，高自动化和智能化水平发展的过程，其核心是机电一体化技术 的不断突破与提高。 当前国外剑杆织机最高车速已达8 0 0 r m i n ，入纬率已达1 5 0 0 r n m i n ；基本 采用以3 2 位微处理器为核心的高性能工业计算机控制，实时监控并显示织机的 运行情况和各项工艺参数；采用各种新型传感器和变频驱动技术，实现了各运 2 一 动机构的电气化( 除引纬、打纬机构仍是机械式以外，其他机构均是电子式的) ， 采用先进的电气自动化控制技术，大大提高了自动化水平；各种织造工艺参数 ( 如经纬纱张力、纬密、车速等) 可人工设定，便于调整，扩大了品种适应性； 界面友好的操作软件使得织机操作人员可以方便地查询各种生产数据，织机运 行状态及各种工艺参数。 机电一体化和信息化技术的深入应用大大提高了整机技术水平，使得织机 结构简单，控制方便，性能优越。目前国外生产高性能剑杆织机的厂家主要有 意大利的s o m e t ( 舒美特) 、s m i t ( 斯密特) 、v a m a t e x ( 范美特) 、p a n t e r ( 奔特) ， 比利时p i c a n o l ( 必佳乐) ，德国d o m i e r ( 多尼尔) ，瑞士s u h e x ( 苏尔寿) 等西 欧国家厂商。 1 3 2 国内剑杆织机技术水平 自从加入w t o 之后，我国纺织业发展达到了一个新的高度，剑杆织机作 为使用最广泛的一类无梭织机也得到了较大的发展。国内研制生产剑杆织机的 厂商已超过3 0 多家，配套器材生产厂商更多，基本形成了产业链，生产成本大 为降低，生产技术日趋成熟。 国内高档剑杆织机基本上是国外独资企业直接引进技术或者通过技术合 作、合资，消化国外技术自主开发生产的机型，后者具有一定的自主知识产权。 主要有上海意达公司的k 8 8 型、无锡奔特公司的e 5 x 型、上海太平洋机电( 集 团公司) 的p g 6 0 0 型以及上海中纺机公司的新龙型等。这些剑杆织机稳定运行 速度介于5 0 0 6 5 0 r m i n 之间，入纬率介于1 2 0 0 1 5 0 0 m m i n 之间，筘幅最大达 4 6 0 c m ；均采用了电子多臂、电子提花、电子送经、电子卷取和电子选纬器等 电子式机构；均采用3 2 位微机监控系统，可监测和控制织机各个动作，具有自 动寻纬，选纬和工艺参数( 纬密、张力、车速等) 数字化设定的功能。 国内中档剑杆织机主要是国内厂家通过技术合作或消化国外技术，结合国 内实际情况改进设计后制造的机型，具有完全的自主知识产权。这些剑杆织机 实用速度介于3 6 0 4 5 0 r m i n 之间，入纬率在8 5 0 1 2 0 0 m m i n 之间，接近国外 9 0 年代初期的技术水平。这类织机的制造及配套技术已十分成熟，生产成本已 大幅降低，产品已系列化，是我国目前应用的主流剑杆机型。生产厂商有：西 安航空、聊城昌润、浙江泰坦、山西经纬、杭州纺机、广东丰凯、浙江万利、 一3 一 江苏宏华等，由于产品类同，中档剑杆织机市场竞争很激烈【3 1 。 国内低档剑杆机多为有梭织机改造而成，车速低( 在1 8 0 3 0 0 r m i n 之间) ， 品种适应性不高，尚有部分纺织企业使用，随着纺织行业结构调整和产业升级， 正逐步被淘汰。 国产剑杆织机机电一体化水平与国际相比尚有一定差距：电控系统普遍采 用单片机、p l c 作为控制核心，多处理器分布式控制系统尚处于开发阶段；织 机普遍采用电子多臂、电子提花、电子储纬器、电子选纬、电子送经与电子卷 取等先进电子装置，但电子纬纱张力器、电动绞边与电子剪刀尚未见应用；织 机均采用高启动转矩的电动机，配电磁离合器和制动器作为主传动，同步可变 磁阻电动机的应用尚处于研发阶段；国产高档剑杆织机采用的电子送经和电子 卷取装置基本以引进为主【3 1 。 1 3 3 剑杆织机发展趋势 高速性、高可靠性、多品种适应性，高自动化和智能化水平是我国国产剑 杆织机的发展方向，电气自动化技术和计算机控制技术的深入应用是提升剑杆 织机机电一体化水平的必由之路。 1 、高速、高可靠性织造一直是剑杆织机发展的目标之一。以往织机各运动 机构用复杂的机械结构来实现，这在一定程度上限制了织机速度的提高。随着 电气自动化水平的提高，织机各运动机构均可用电子式装置替代，每个机构由 独立的分布式电动机驱动，利用自动化控制技术对各机构的运动进行协同控制， 可提高织造速度和整机稳定性及可靠性。同时各种电子式装置的应用可实现织 机模块化，模块通用化，生产专业化。 2 、以3 2 位微处理器为核心的工业计算机控制和以电力电子技术为基础的 新型驱动技术是剑杆织机电子技术应用的体现【2 娜。剑杆织机各运动机构须由微 处理机来控制和协调，而各执行机构则由融合变频技术、现场总线通讯功能和 简单逻辑控制功能的伺服驱动器来驱动。 3 、工业现场总线技术的应用可实现织机远程通讯和网络化管理。工业以太 网、c a n b u s 等现场总线技术已经成熟，剑杆织机联网和远程群体控制是发展 方向之一。 4 、宽品种适应性亦是剑杆织机发展目标之一。整机机电一体化水平的提升 一4 一 可扩宽剑杆织机织造品种，不仅可以织造棉、毛、丝、麻等服装纺织品，还可 织造土工、农业、国防、航空航天等产业用纺织品。 1 4 课题研究内容和论文组织结构 1 4 1 课题研究内容 本课题研发的控制系统为高档剑杆织机的配套产品，课题的成功实施有利 于提高剑杆织机整机自动化和智能化水平，减轻高档剑杆织机的进口依赖性， 促进我国纺织工业技术水平的提高与产业的转型升级。 高档剑杆织机除引纬、打纬机构为机械式的之外，其余各运动机构均为电 子式的。一般高档剑杆织机将电子多臂开口机构、电子选纬器、电子储纬器、 电子送经机构、电子卷取机构、电动绞边、电子剪刀作为标准配置。针对各个 机构的运动，课题设计专门的控制器予以控制。 1 ，主控制器用于织机主马达、吸风电机、气动刹车的控制。 2 、多臂控制器用于控制多臂开1 ：2 机构。 3 、选纬探纬控制器用于控制电子选纬器和储纬器。 4 ，绞边剪刀控制器用于控制电动绞边和电子剪刀机构。 5 ，送卷控制器用于控制电子送经和电子卷取机构。 6 、以3 2 位a r m 9 微处理器为核心的工控计算机作为上位机，运行人机交 互软件，配合人机界面和薄膜键盘提供人机交互途径，同时提供工业以 太网接1 2 。 7 ，各个控制器与上位机通过现场总线r s 4 8 5 传输数据，设计r s 4 8 5 总 线接口。 8 、制定织机经纱张力控制的相应方法。 1 4 2 论文组织结构 论文一共分为六个章节。 第1 章绪论部分介绍了课题研究背景，剑杆织机基础知识，国内外剑杆织 机的技术水平比较、课题的研究内容和论文的组织结构。 第2 章介绍了控制系统的整体结构。包括剑杆织机基本织造工艺和系统整 体方案论述。 一s 一 第3 章介绍了各个控制器的设计。详细介绍各个控制器的结构和功能，介 绍了现场总线r s 4 8 5 技术细节和接口电路设计。 第4 章详细论述了经纱张力控制的必要性、经纱张力的影响因素和基于模 糊一p i 并联控制的经纱张力控制算法。 第5 章介绍了电子系统抗干扰设计的基础知识和一些提高电子系统抗干扰 性能的实用方法。 第6 章总结与展望。包括课题的研究成果和经验总结，以及对未来剑杆织 机发展趋势的一些展望。 一6 一 第2 章控制系统整体方案 本章节首先介绍了剑杆织机织造原理，详细讲述了剑杆织机织造时的五大 动作和五个动作之间的时序配合关系以及由此产生的控制要求；其次简单介绍 了控制系统的整体结构，系统采用一个上位机五个下位机的结构，上下位机之 间用现场总线r s 4 8 5 通讯。 2 1 剑杆织机织造原理 一台剑杆织机主要由开口机构( 电子多臂) ，引纬机构( 剑杆引纬) ，打纬 机构，送经机构和卷取机构组成。这些机构的运动构成了剑杆织机的五大动作： 开口、引纬、打纬、送经和卷取，经纱和纬纱通过上述五个动作交织形成织物。 织机织造原理如图2 1 所示。 2 1 1 开口动作 图2 1 织机织遣原理 在织机上，要实现经、纬纱的交织必须把经纱按一定的规律分成上下两层， 形成能通过纬纱的通道一一梭口，待纬纱引入梭口后，两层经纱再上下交替， 互易位置，形成新的梭口，如此反复循环，这就是经纱的开口运动，简称开口。 该动作由开口机构完成，开口机构不仅要使经纱上下分开形成梭口，同时还应 根据织物纹版图所设计的提综顺序，控制综框升降的次序，使织物获得所需的 组织结构。1 4 2 1 一， 2 1 2 引纬动作 引纬是将纬纱引入由经纱所构成的梭口，以便与经纱交织形成织物，引纬 必须和经纱开口相互配合。由于梭口开启有一定的时间，遵循某种开启规律， 因此对引纬提出了准确和平稳的要求，以免产生经纱磨损、断头和纬缩、缺纬、 组织错误等各种织物疵点。 4 1 4 8 2 1 3 打纬动作 一根根引入梭口的纬纱，依靠打纬机构的前后往复摆动，推向织口，与经 纱交织，构成织物。织物的幅宽和经纱密度，由打纬机构的钢箱来确定。织物 中经纱的排列状态和经纬纱彼此屈曲的情况，则随打纬时经纬纱所具有的不同 张力和变形能力而定。可见打纬一方面成了织机纵向振动的根源，但另一方面 又是构成织物不可缺少的织机动作。【4 】1 1 0 2 1 4 送经动作 织造过程中，经纱与纬纱交织成织物后不断地被卷走，为保证织造过程的 持续进行，由送经机构陆续送出适当长度的经纱来进行补充，使织机上经纱张 力严格地控制在一定的范围之内。 4 j 1 2 5 2 1 5 卷取动作 纬纱被打入织口形成织物之后，必须将这些织物引离织口，卷绕到卷布辊 上，这个过程叫做卷取运动。卷取机构执行从织口处引离初步形成的织物和控 制纬纱在织物内部排列密度两方面的任务。 4 1 1 1 9 织机的上述五个动作是在主轴回转一周之内完成的，主轴转到特定角度执 行相应的动作，因此可以用主轴角度表示各动作的开始结束时间及相互之间的 时序关系。织机动作时序如图2 2 所示。 梭fi 开 图2 2 织机动作时序图 主轴转到1 0 。角时，电子剪刀剪断上一次引纬的纬纱；6 5 。角时梭1 ：2 开口 高度到最大并保持；8 0 。角时开始引纬，2 5 0 。角时引纬结束开始打纬；2 8 0 。 角时梭口开始闭合，到3 1 0 。角时综平，梭口交织，开始下一轮开口运动；打 纬动作在0 。角左右完成。织机各机构如此循环反复运动可使经纱、纬纱不断 交织形成织物，实现连续高速织造。 2 2 控制系统整体结构 高档剑杆织机电气自动化水平较高，除引纬、打纬机构仍为机械式的之外， 其余机构均采用电子装置，为控制各个机构协同动作，本控制系统采用多处理 器分布式控制的方式分别控制织机各个运动机构，各控制器之间采用r s 4 8 5 总线连接。控制系统整体结构如图2 3 所示。 _ 图2 3 控制系统整体结构图 9 。 整个控制系统分为七个部分：分别是上位机，主控制器，送卷控制器，选 纬探纬控制器，绞边剪刀控制器，多臂控制器以及电源模块。主控制器用于 控制织机主马达、吸风电机和气动刹车；送卷控制器用于控制电子送经和电子 卷取机构；选纬探纬控制器用于控制电子选纬机构和储纬器；绞边剪刀控制 器用于控制电动绞边和电子剪刀机构；多臂控制器用于控制电子多臂开口机构。 上位机与主控制器等五个下位机用现场总线r s 4 8 5 通讯；电源模块给主控制 器等五个控制器供电，上位机由单独的一个开关电源供电。 高档剑杆织机稳定运行时，车速维持在6 0 0 r m i n 左右，主轴回转一周的周 期是l o o m s ，主轴编码器为7 2 0 线的增量编码器，相当于控制器处理一个编码 器脉冲时间只有0 1 3 8 m s ，这对控制系统的实时性要求较高。上位机采用以3 2 位a r m 9 处理器为核心的工控模块为硬件平台，加载微软公司的w i n c e 嵌入 式操作系统为软件平台，编写相应的织机操作软件。由于操作系统上的程序运 行有一定的时延，无法满足织机控制的实时性要求，所以采用一个上位机带多 个下位机的系统结构。织机实时控制的功能主要由主控制器等五个下位机实现， 上位机主要实现人机交互功能和网络通讯功能，相应的一些人工设定的工艺参 数( 如花型文件、纬密、经纱张力等) 以及织机运行状态反馈信息( 如车速、 主轴角度等) 通过上下位机之间的r s 4 8 5 总线进行通讯。这样既可以保证实 时控制织机各机构的动作，又可以在上位机( a r m 9 + w i n c e 平台) 上运行界 面友好，使用方便的织机操作软件，提高织机的可操控性。 主控制器、送卷控制器、选纬探纬控制器，绞边剪刀控制器，多臂控制 器均做成板卡形势，插在底板的插槽上。底板分为两块，上底板与下底板；每 个控制器均有两个接口，分别- 9 上下底板连接。控制器与控制器之间传输的信 号( 如编码器信号) 是5 vc o m s 逻辑电压信号，这些信号通过上底板传输。 织机各运动机构的状态信号基本上是0 v 2 4 v 电压水平的数字信号( 如断经报 警信号，储纬器报警信号) ，也有一些模拟信号( 如纬纱探测信号，张力传感 器信号) ，这些信号通过相应的导线和接插件连接到下底板，再通过下底板传 送到各个控制器。各控制器给织机各机构的控制信号的传输路径则相反。 电源模块通过导线直接连到各个控制器的电源接口，给每个控制器提供 1 2 v 2 4 v 的稳定直流电压。 上位机以及主控制器、送卷控制器等五个控制器所处理的信号、实现的功 能以及各自的结构在第3 章节中详细介绍。 第3 章控制系统设计与实现 本章节详细论述了上位机、主控制器、送卷控制器、选纬探纬控制器，绞 边剪刀控制器，多臂控制器各自所处理的信号，所实现的功能以及各自的结构； 详细介绍了r s 4 8 5 总线应用细节和接口电路设计。 3 1 上位机设计 上位机采用深圳盛博科技有限公司生产的s a m 3 2 2 0 工控模块。s a m 3 2 2 0 是盛博科技推出的适合于军用、控制设备、多媒体终端、医疗电子、汽车电子 等应用的r i s c 核心模块。采用2 0 0 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的e p 9 3 x x 系列处 理器，大小是标准p c i 0 4 尺寸，9 0 x 9 6 m m 。该模块在硬件方面提供丰富的接口， 如1 3 s b 2 0h o s t 、u a r t ( 通用异步串i ：1 ) 、以太网接口、l c d 、矩阵键盘等；在 软件方面，提供完善的针对w i n c e 操作系统的板级支持包，丰富的中间件，可 以使用户专注于上层应用程序开发。上位机的结构如图3 1 所示。 囊 w i n c e 嵌入式操作系统 基于3 2 位a r m 9 l 微处理器的工控模块 以太网接口 l c d ( 6 4 0 * 4 8 0 ) ( 10 1 0 0 m ) l 两路r s 4 8 5 总线6 * 8 薄膜矩阵键盘 图3 1 上位机结构图 上位机的主要功能是运行织机操作软件，提供人机交互途径。用户通过 l c d 和薄膜键盘可输入各种织机织造工艺参数并查看织机运行状态；通过 r s 4 8 5 总线可将人工设定的各个工艺参数定点传送给下位机，并从下位机接收 并显示织机的运行状态信息，如张力，车速、主轴角度等；通过u s b 2 0h o s t 接口可对存储在u 盘中的花型文件进行编辑和管理；通过以太圈接口可以宴现 织机联网和远程访问；利用模块的r t c ( r e a l t i m e c l o c k ，宴时时钟) 功能可 雌显示日期时间，按时计算产量、生产效率等信息。此外模块的看门狗功能具 有电源电压水平监测，避免程序死机的功能，可有效提高上位机的可靠性。 3 2 主控制器设计 3 2 1 主控制器的功能 为7 能使织机高速稳定地运行，控制系统需根据人工操作信号和织机状态 反馈信号，连出各种控制信号，控制织机各机构按照一定的规律动作。主控制 器的信号流程如图32 所示。 田3 , 2 主拉制器信号流程圈 。i3 。 为了使电子选纬、电动绞边、电子剪刀、多臂开口机构、电子送经、电子 卷取等机构能够协同运动，主控制器将主轴增量编码器信号传送给其他四个控 制器，各个控制器根据编码器信号可以计算主轴转向、转速和角度，当主轴转 到相应角度时，输出控制信号控制各个机构完成相应的动作。 同时各个控制器将一些状态信号反馈给主控制器。选纬探纬控制器将断纬 信号、储纬器报警信号反馈给主控制器，若一旦有断纬和储纬器报警，主控制 器将停车信号发给主马达驱动器，停止主马达，织机停车。 绞边剪刀控制器将电动绞边报警信号和电子剪刀报警信号反馈给主控制 器，一旦接收到这两个信号，主控制器通知主马达驱动器停车。 多臂控制器将电子多臂开口机构报警信号和产量完成信号反馈给主控制 器，主控制器若收到这两个信号则通知主马达驱动器停车；除此之外，针对一 些需要变速织造的特殊织物，多臂控制器将变速织造信号送给主控制器，主控 制器通过主马达驱动器调节织机车速。除了编码器信号之外，主控制器还传送 给多臂控制器织口控制信号。因为为了防止停车档的产生，织机开车和停车时 要有补偿动作，进行补偿时织口如何动作( 向前、向后或者保持不变) 是由主 控制器来决定，并交由多臂控制器来执行的。 除主轴编码器信号外，主控制器还送给送卷控制器一些送经卷取动作信号 ( 通过r s 4 8 5 总线) 和一个启动停止信号；送卷控制器将一个送卷报警信号 反馈给主控制器，若有报警，主控制器通知主马达驱动器停车。 除了其他四个控制器的信号外，主控制器还接收一些织机机构的状态信号， 并输出相应的控制信号。织机机构的状态信号与控制信号都是0 v 2 4 v 电压水 平的，而主控制器输入输出信号必须是3 3 vc o m s 电压水平的，所以中间要 经过电平变换。 主马达驱动器、光电保护装置、吸风电机、气动刹车、停经架、光电探经 器均会产生报警信号，一旦有报警，主控制器立刻通知主马达驱动器停车。 除此之外，主控制器还监测织机按钮板上的人工操作信号，如送经向前、 卷取向后、慢车等织机动作信号。通过主马达驱动器控制织机车速响应这些操 作要求，同时将涉及送经、卷取的动作信号传送给送卷控制器( 通过r s 4 8 5 总线) ，由送卷控制器控制电子送经和卷取机构执行相应的动作。 主控制器除了通过主马达驱动器控制织机车速之外，还控制6 个织机状态 指示灯( 如断经停车指示灯、紧急停车指示灯等) 、吸风电机和气动刹车。 3 2 2 主控制器的结构 主控制器基于深圳宏晶科技有限公司的s t c l 2 系列5 1 增强型5 1 微处理器 和a l t e r a 公司的m a xi i 系列f 6 】高性能c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) 芯片构建。主控器的结构如图3 3 所示。 图3 3 主控制器结构图 电源电路提供三个电压，两个互相隔离的5 v 电压分别给增强型5 1 处理器 和编码器信号处理电路供电，一个3 3 v 电压给c p l d 芯片e p m 5 7 0 t 供电。 5 l 处理器通过u a r t ( 串行异步通讯口) 扩展r s 4 8 5 总线接口，r s 4 8 5 总线接口电路详细设计见“3 7 4r s 4 8 5 总线接口电路”小节，与上位机通讯 的功能主要由5 1 处理器执行。5 1 处理器通过总线与c p l de p m 5 7 0 连接，并 把两个外部中断i n t 0 和i n t l 提供给c p l d 使用，两者之间的数据传输可以有 多种实现方式。 经过初步处理的编码器信号输入到c p l d ，由c p l d 对编码器脉冲计数、 判断相位，计算主轴转速、角度和转向。与其他控制器以及与织机主马达、气 动刹车、吸风电机、状态指示灯之间的i o 信号也由c p l d 来处理。 隔离光耦电路1 的功能是进行3 3 vc o m s 电压信号和5 vc o m s 电压信号 之间的电平转换，使得主控制器能兼容其他四个控制器5 vc o m s 的电压信号。 隔离光耦电路2 的功能是进行3 3 vc o m s 电压信号和0 v 2 4 v 电压信号之 间的电平转换，使得主控制器能兼容织机主马达、吸风电机、气动刹车以及状 态指示灯的0 v 2 4 v 电压信号。同时也防止互相之间的信号干扰，提高主控制 器的可靠性。 3 2 3 电源电路设计 控制系统的电源模块给主控制器的供电电压是1 2 v ，而主控制器正常工作 时需要电压是5 v 和3 3 v ，编码器信号处理电路需要电压是5 v ，电源电路的功 能就是将1 2 v 变成两路隔离的5 v 和3 3 v 分别供给编码器、5 l 处理器和c p l d 芯片。电源电路设计如图3 4 所示。 c 4 d i l o w 尸蝴 | 言o u i p l i i 薯搭 怒r 厂n 1 汪。in j 烈330ul-i r y y 、，一、- 努手 ，厂_ o 融岫 畈p ! “ 墨怒意幽 r 钧 i k 图3 4 电源电路 l m 2 5 7 5 是比较常用的一款d cd c 稳压芯片，选择l m 2 5 7 5 5 v 可生成 稳定的5 v 电压，选择l m 2 5 7 53 3 v 可生成稳定的3 3 v 电压。电感l 4 0 和l 4 2 防止输出电流突变，电容c 4 0 6 、c 4 0 2 可减小电源纹波，防止电压突变。d 4 4 是发光二极管，作为电源指示灯。另一路隔离的5 v 电源用隔离变压器 b 1 2 0 5 s 2 w 产生，如图3 5 所示。b b l 2 0 5 s 2 w 功率2 瓦，5 v 电压下最高输出 电流可达4 0 0 m a ，编码器使用这个5 v ( v b m ) 供电，其输出的脉冲信号就不 会与5 1 处理器的信号相互干扰。 1 2 v 图3 5 5 v 隔离电源电路 一1 6 一 一猢 ， 3 2 4c p l d 与5 l 的接口设计 主控制器中5 1 处理器通过总线方式扩展c p l d 芯片，两者之间一共有2 1 根信号线连接，分别是p 0 口( 8 位数据总线同时也做低8 位地址信号) 、p 21 ：2 ( 高8 位地址信号) 、a l e ( 地址锁存信号) 、r d 和w r ( 读写控制信号) 以 及i n t o 和i n t l ( 两个外部中断信号) 。5 l 处理器输出信号符合5 vc o m s 电 平标准，输入信号须符合5 v1 v r l 标准，而c p l d 芯片的输入输出信号均是3 3 v c o m s 电平标准，如何实现这2 1 个信号在3 3 v5 v 混压系统中的传递是电路 设计过程中经常遇到的问题。 c p l d 输出信号到5 1 处理器时，输出逻辑“1 ”的电压接近3 3 v ，输出逻 辑“0 ”的电压小于0 2 v ；5 1 处理器输入逻辑“1 ”最小电压只须大于2 0 v ， 输入逻辑“0 ”最大电压只须小于o 8 v ；所以c p l d 的输出信号完全能被5 l 处 理器识别，换句说c p l d 可以直接驱动5 1 处理器。 5 l 处理器输出信号到c p l d 时，输出逻辑“l ”的电压接近5 v ，输出逻辑 “0 ”的电压小于0 2 v ；c p l d 输入逻辑“1 ”电压须大于1 7 v 小于4 0 v ，输 入逻辑“0 ”电压须大于0 5 v 小于0 8 v ；因此5 1 处理器输出逻辑“l ”时超过 c p l d 管脚的最大耐压值。这个问题可以通过如图3 6 所示的电路解决，将信 号线用一个二极管拉到3 3 v ，由于二极管正向压降为0 7 v ，这样当5 1 处理器 i o 口输出逻辑“l ”时，该信号电压就被钳制在4 0 v ，满足了c p l d 的对输入 信号电压的要求。 c p l d 与5 1 处理器之间的数据传输可以用多种方式实现，这里介绍其中一 种。5 l 处理器读写c p l d 时，将c p l d 作为一个外部扩展器件，使用汇编指令 m o v x ，p 0 、p 2 、a l e 、w r 和r d 会产生相应的总线时序。c p l d 检测到a l e 下降沿时，将p 0 口数据锁存，作为低八位地址，结合p 2 口的高八位地址，可 以知道所传送的数据的用途；若w r 变为低电平则读取p 0 口数据，若是r d 变为低电平则往p 0 口写数据。如此c p l d 与5 l 处理器之间可以传送6 4 k 种的 数据。c p l d 主动向5 l 处理器传数据时，可通过改变i n t 0 和i n t l 信号的电 平向5 1 处理器申请外部中断，5 l 处理器在中断处理函数中读取p 0 口和p 2 口 的数据，一次可以传送两个字节。关于c p l d 中5 1 总线接口逻辑设计详细内 容可参考文献 7 】。 图3 6c p l d 与5 l 处理器的连接 3 2 5 增量编码器信号的处理 控制系统使用7 2 0 线的增量编码器作为主轴传感器，对编码器脉冲计数可 计算得到主轴的转速和转动角度，判断脉冲的相位可知主轴转向。编码器输出 a 、b 、z 三相方波信号，每相信号以r s 一4 2 2 差分总线形式输出，其输出信号 波形如图3 7 所示。 ： r a ；一 聂 ；l o i 1 0 一高o ：未1 6 一_ 一_ ：“一 juj l _ ，z阳i 图3 7 增量编码器信号 主轴回转一周，a 相和b 相会输出7 2 0 个占空比为5 0 的方波信号；z 相 是0 。信号，当主轴转过0 。角时，z 相输出一个占空比为2 5 的方波信号。从 一1 8 一 检测到z 相信号上升沿的时刻开始对a 相或者b 相脉冲计数，计数值除以7 2 0 ， 再乘以3 6 0 。，就可以得出主轴 - 3 前角度。根据a 相与b 相得相位差可以得知 主轴的转向，如图3 7 ，a 相信号超前b 相信号9 0 。( 或者b 相信号超前a 相 信号2 7 0 。) ，此时主轴正转。若b 相信号超前，则主轴反转。编码器信号处理 电路如图3 8 所示。 绥鲥嚣嚣蟹经商f 1 3 确疆釉并k 缓霸瑶辘入络c 罪d 图3 8 编码器信号处理电路 2 6 l s 3 2 芯片是r s 4 2 2 总线接收器，它将a + 、a 。、b + ，b ，z + 、z 六路 差分信号变为a 、b 、z 三相信号，这三相信号经过3 个光耦6 n 1 3 6 隔离之后 送到斯密特触发器7 4 h c l 4 ，变换为另外三相信号3 3 v a 、3 3 v b 、3 3 v z ，这三 相信号再送到c p l d ，由c p l d 计数、判断相位，得出主轴转向、转速和角度。 相位判断逻辑电路可参考文献 8 】。光耦6 n 1 3 6 将编码器信号与c p l d 信号隔离 开来，防止互相干扰，同时也将5 v 电压水平的编码器信号转变成3 3 vc p l d 可识别的信号。斯密特触发器可以使送到c p l d 的信号具有较好的方波波形。 3 2 6 隔离光耦电路 如前所述，隔离光耦电路的功能有两个：将主控制器输入输出信号进行电 平变换；将主控制器与织机各机构进行电气隔离，防止织造现场的高频高电压 信号干扰主控制器，提高主控制器的可靠性。 3 3 vc o m s 电压信号和5 vc o m s 电压信号之间的电平转换见图3 9 。因 为光耦两端的信号是共地的，所以该电路只实现了电平变换的功能。 图3 93 3 vc o m s 信号与5 v c o m s 信号电平转换电路 3 3 vc o m s 电压信号和o v 2 4 v 电压信号之间的电平转换见图3 1 0 。光耦 两端的信号不共地，所以该电路具有电气隔离的功能。 图3 1 03 3 vc o m s 信号与2 4 v o v 信号隔离电路 3 3 送卷控制器设计 送经和卷取机构是织机的重要组成部分，直接关系到织机经纱张力的控制 效果，可分为机械式和电子式两种。相比于机械式送经和卷取，电子式送经和 卷取具有经纱张力控制灵敏，调节精度高；纬密适应范围广；具有消除开车稀 密路【9 1 措施等优点。电子送经和电子卷取机构已经是高档织机的标准配置。 3 3 1 送卷控制器结构 送卷控制器的功能就是根据织物织造时的纬密、经纱张力、停撬等工艺要 求分别控制卷取电动机和送经电动机的转速、转向和角度，调节卷取量和送经 量，保证纬密、经纱张力等工艺参数符合织造要求。送卷控制器的结构如图3 1 1 所示。 电源i i 复位 电路i i 电路 i5 vf r s t 增强犁5 l s t cl2 c 5 a 3 2 s 2 x d 2 it 1 x d2 ll i 醚旦土i r s 4 8 5 接【j t t t x d l l fr x d l ：l 土鱼过2 r s 2 3 2l 接口l 控 制 半 厶 【j 1 0 口 图3 1 l 送卷控制器结构图 送卷控制器以增强型5 l 芯片s t c l 2 c 5 a 3 2 s 2 为核心处理器，接收主控制 器传送过来的编码器信号，根据编码器信号可以得知主轴的转速、转向和角度， 并以此