（电力系统及其自动化专业论文）分布式圆网印花控制系统的设计与实现.pdf

吐番景臻通炎嘻坝l 学位论史摘要 速度信息发送给各个分机板。由于采用了现场总线，在 控制的输入和输出的过程中都包含了不可忽略的延时， 同时由于延时的不确定性，导致较难确定精确的数学模 型。而模糊控制对难以获得精确模型的系统方面取得了 较好的效果，因此在位置环中采用二维模糊算法。通过 硬件同步电路和现场总线，各个分机板同步测量出各圆 网的实时位置，由控制板进行同步计算，并将位置修正 信息反馈给各个分机板，从而实现对各步进电机实时、 高精度的同步控制。 为了实现分机板对步进电机速度和位置的同时控 制，在分析了常用的步进电机速度和位置控制方法的基 础上，提出了“不等脉冲串”算法。 为了满足印花工艺和操作流程的需要，在控制板和 分机板中分别设计了基于消息的任务调度系统。通过任 务调度系统实现系统在启动、停止、对花、印花、自动 运行、报警多种工作状态下的任务调度和工作状态的转 换。在不同的状态下，分机板和控制板的任务调度系统 对各种可能发生的消息所做响应进行了全面的规定，从 而保证了系统的可靠运行。 在硬件设计方面，采用8 0 c 1 9 6 k b + c p l d 作为控 制板和分机板的硬件核心。采用v e r i l o gh d l 硬件描述 北京交通人学倾l 学位论义摘要 语言将光电编码器测速功能、步进电机驱动功能和同步 信号检测功能嵌入到c p l d 中，以硬件电路的方法实现， 极大的减轻了c p u 的运算负担并减少了任务响应时间， 提高了系统集成度、可靠性和实时性。 为了方便工人操作，减少调试时间，设计了圆网操 作台和l c d 汉字显示人机交互界面，并实现自动对花、 手动对花和参数记录等功能。通过对故障信号的检测和 对通讯所传递的各种数据的分析，系统能够及时有效的 发现各种故障，并正确的指示出故障的位置。 文中详细描述了控制板、分机板的硬件电路、c p l d 逻辑及接口软件、现场总线、控制算法、任务调度系统 的设计思路以及具体的软、硬件实现过程和相关的试验 结果。 关键字：圆网印花，分布式，多电机同步，模糊控 制，任务调度，现场总线，v e r i l o g h d l 北京交通大学硕士学位论文摘要 d e s i g na n dr e a l i z a r l 0 n0 f d l s t r l b u t e dr 0 1 a r ys c r e e n p r i n t i n g c o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m f o r r o t a r ys c r e e n p r i n t i n g m a c h i n e s b a s e do nt h e p r i n c i p l e o f r o t a r ys c r e e n - p r i n t i n g t e c h n i q u e s ，t h e d e v e l o p m e n t o f r o t a r ys c r e e n + p r i n t i n g m a c h i n e s ，a n dt h e c a u s eo ft h eb r o k e n f i g u r e s a n dt h e d e f e c to ft r a d i t i o n a lr o t a r ys c r e e n - p r i n t i n gm a c h i n e s ，a n d c o m b i n e dw i t hc u s t o m e r sd e m a n d ，t h e s c h e m eo f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fr o t a r ys c r e e n p r i m i n g ，w h i c h c o n s i s t sw i t hm a i nc o n t r o lb o a r d ，s u b c o n t r o lb o a r d ，a n d h m i ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) b o a r d a r e b r o u g h t f o r w a r d as t e pm o t o ru n d e rt h ec o n t r o lo fi t ss u b - c o n t r o l b o a r dd r i v e sa r o t a r y s c r e e n i n d e p e n d e n t l y t h e m a i n c o n t r o lb o a r da c t sa saa d m i n i s t r a t o ra n d ah a r m o n i z e r a c c o r d i n gt o t h ep r o f i b u sp r o t o c o l ，as i m p l i f i e d f i e l db u s ，i nw h i c hr e a l i z e st h ep h y s i c sl a y e ra n dd a t al i n k l a y e r , i si m p l e m e n t e d t oi n s u r et h ed a t ac o m m u n i c a t i o n 北京交通大学硕士学位论文摘要 a m o n gt h e m a i nc o n t r o l b o a r d ，s u b c o n t r o lb o a r d s ，a n d h m ib o a r dw i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dr e a lt i m e i nt h ef i e l d b u sp r o t o c o l ，t h em a i nc o n t r o lb o a r di st h e o n l y m a s t e r s t a t i o n ，a n ds u b - c o n t r o lb o a r d sa n dh m ib o a r da r es l a v e s t a t i o n s ，a l lo fw h i c hc o m p o s eas i n g l em a s t e r - s l a v ef i e l d b u ss y s t e m t h em a s t e rs t a t i o n p r o v i d e sf o u rv a r i e t i e so f s e r v i c et os e n dd a t at os l a v ea n d r e q u i r ed a t af r o m s l a v e t o k e 印t h e s c r e e nt r a c k i n gt h es p e e do ft h es u b s t r a t e ， a n dt h ea n g l e s y n c h r o n i z a t i o no f t h es c r e e n ，t h es p e e d l o o p a n d p o s i t i o nl o o pi si m p l e m e n t e d i nt h ec o n t r o l s y s t e m t h e s p e e dl o o pi s t h e p r o c e s st h a tt h es p e e di s m e a s u r e db y p h o t o e l e c t r i c a le n c o d e r ，i s t r a n s m i t t e db yt h ef i l e d b u s ， r e c e i v e d b y s u b c o n t r o l b o a r d ，f i n a l l y e x e c u t e db ys t e p m o t o r d u et ot h eu s eo ff i e l d b u s ，t h ec o n t r o li n p u ta n d p l a n to u t p u ti n e v i t a b l yc o n t a i nt h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ， a n dt h e d e l a y i su n c e r t a i n f o rs u c h s y s t e m s t h a ta r e d i f f i c u l tt om o d e l ，f u z z yl o g i cc o n t r o lh a sg a i n e ds a t i s f y i n g o u t c o m e i nt h e p o s i t i o nl o o p at w o d i m e n s i o n a l f u z z y a l g o r i t h m i s i m p l e m e n t e d t om e e tt h e r e q u i r e m e n t o f m u l t i m o t o r s y n c h r o n i z a t i o nw i t hh i g ha c c u r a c ya n dr e a l t i m e e v e r ys u b c o n t r o lb o a r dm e a s u r e m e n ti t so w n o f f s e t s y n c h r o n o u s l y u n d e rt h ec o n t r o lo fh a r d w a r e s y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i w y t h em a i nc o n t r o lb o a r dr e q u i r e s t h eo f f s e t sf r o ms u b - c o n t r o lb o a r d sb yf i e l d b u s ，c a l c u l a t e s 5 北京交通大学硕士学位论文 摘要 c o n s e q u e n c e sb yf u z z ya l g o r i t h m ，s e n d sc o n s e q u e n c e st o s u b - c o n t r o lb o a r d t om e e tt h en e e d so fr o t a r ys c r e e n t e c h n o l o g y a n d o p e r a t i o nf l o w , t h em a i n c o n t r o lb o a r da n ds u b c o n t r o l b o a r da d o p tt h et a s ks c h e d u l es y s t e mb a s e do n m e s s a g e st o c a r r y o u tt h et a s ks c h e d u l eu n d e r m u l t i - s t a t u s ，s u c h a s s t a r t - u p ，s t o p ，a d j u s t ，n o r m a lr u n ，a u t o r u n ，a n da l a r m ，a n d t h es w i t c ha m o n gt h e s es t a t u s e s i nd i f f e r e n ts t a t u s ，s y s t e m s w o u l d r e s p o n s ed i f f e r e n t l yf o re v e r yp o s s i b l em e s s a g e i nt h eh a r d w a r e d e s i g n 8 0 c 1 9 6 a n dc p l di s i m p l e m e n t a st h eh a r d w a r ec o r eo ft h em a i nc o n t r o lb o a r d a n ds u b - c o n t r o lb o a r d 弧ef u n c t i o nm o d u l e so f s p e e d m e a s u r e m e n to f p h o t o e l e c t r i c a le n c o d e r , s t e pm o t o rd f i v e r ， a n ds y n c h r o n i z a t i o ns i g n a ld e t e c t o r ，i se m b e d d e di n t ot h e c p l da sh a r d w a r em o d u l e sb yv e r i l o gh d l t h u st h e b u r d e no fc p u st r a n s a c t i o n p r o c e s s i n g a n di t st a s k r e s p o n s e t i m ea r e e x t r e m e l yr e d u c e d ，a n ds y s t e m s i n t e g r a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n d r e a l - t i m ea r er a i s e d t oi n c r e a s e o p e r a t i o n f a c i l i t y , a n d t oc u td o w nt h e u n n e c e s s a r yd e b u g g i n gt i m e ，t h er o t a r y s c r e e nc o n t r o l p a n e l a n dl c di n t e r f a c ea r e i m p l e m e n t e d t h e c o n v e n i e n c e ss u c ha s a u t o - a d j u s t ，h a n d a d j u s t ，p a r a m e t e r r e c o r d ，a n ds oo n ，a r et h o u g h t f u ld e v i s e d t h es y s t e mc a n f i n do u tt h ea l lk i n d so ff a u l t sb yt h em e a s u r e m e n to ff a u l t s 6 北京交通大学硕士学位论文摘要 i n d i c a t i o n s i g n a l s a n d a n a l y z i n g t h ec o m m u n i c a t i o n m e s s a g e s ，a n di n d i c a t e st h ec a u s e o ff a u l t sa c c u r a t e l y i nt h ep a p e rd e s i g nt h o u g h t sa n dr e l a t i v ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，i n c l u d i n g t h eh a r d w a r ec i r c u i t ，c p l dl o g i ca n d i n t e r f a c es o f t w a r e ，f i e l d b u s ，f u z z ya l g o r i t h m ，t a s ks c h e d u l e s y s t e m ，w h i c h a l e i m p l e m e n t e d i nc o n t r o lb o a r da n d s u b c o n t r o lb o a r d s e p a r a t e l y , a t ed e t a i l e d d e s c r i b e d k e yw o r d s ：r o t a r y s c r e e n - p r i n t i n g , d i s t r i b u t e d ， m u l t i m o t o r , f u z z yc o n t r o l ，t a s ks c h e d u l e ，f i e l d b u s ，v e r i l o g h d l 7 北草爻通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 圆网印花工艺现状与发展趋势 在印染行业中，印花工艺按印花方式可以分为平网印花、圆 网印花和滚筒印花三种。“妇“1 圆网印花既有滚筒印花效率高的 优点，又有平网印花能印大花型、色泽浓艳的特点，是一种介于 平网和滚筒印花之间，在印花技术上有重大突破和发展的新兴印 花技术。目前圆网印花产量占印花总量的6 0 ，圆网印花向着阔 幅、大花回、高速、多套色方向发展，且需要符合环保要求。第 一台圆网印花机是由荷兰s t o r k 公司于一九六三年推出。近几年 来，由于宽幅织物、化纤织物和弹性织物迅速增加，更促进了翻 网印花机的发展。与其他类型的印花机相比，圆网印花机的特科“ 有： 1 能实现高速印花生产，一般车速为柏一8 0 r e r a i n 。 2 圆网印花机般有4 2 4 个印花轴，可以完成低于印花轴数 的多套色花布的生产。 3 可印幅宽在1 6 2 0 3 2 0 0 m m 的花型，圆网常用周长为6 4 0 r a m ， 适于加工从细薄膜的巴黎纱到厚的针刺她毯等众多品种。 4 操作方便、对花准确。 决定圆网印花机印花精度的关键技术主要有两项，一是圆网 驱动系统，二是圆网和刮刀装置。圆网驱动系统主要经历了圆网 机械式整体驱动和圆网独立驱动两个阶段。在整体驱动阶段，所 有的圆网出一个传动系统驱动，通过丝杆向每个圆网传动，结构 简单，但不能对各凰网实施灵活的调控。进入独立驱动阶段以后， 各圆网拥有独立的驱动系统，随着传动技术的飞速发展和单片机 北京交通大擘硕士学位论文 第一幸绪论 技术的广泛应用，各圆网同步控制的精度有了较大的提高，同时 简化了工人操作、出现了能够自动进行同步调整的新型印花机。 使印花加工效率、花型更换、系统维护、工艺管理等各方面都有 了进步，能够充分适应现代印花的要求多品种、少数量、高 性能、高效率。“ 1 2 课题的目的和意义 在我国，圆网印花技术是八十年代从国外引进的先进印花技 术，近二十年过去了，圆网印花技术发生了巨大的变化。但我国 生产的圆网印花机主要采用的仍然是机械共轴传动技术，与国际 技术水平相比，存在明显差距，主要体现在：“1 1 传动环节过多，积累误差影响印花精度的提高。 2 随着机械磨损的逐步加剧，容易出现“跑花”，影响印花质 量的稳定性。 3 对不同厚度织物的适应性受到限制。 “分布式圆网印花机控制系统”的设计可以克服以上缺陷。 本课题目的是设计出符合印花工艺和印花精度要求的多电机同步 自动控制系统，通过提高系统的实时性、控制精度以及加入自动 对花操作的控制等手段，达到对圆网印花机的高速、高精度、灵 活、方便的控制。 随着社会的发展，人民生活水平的提高，对衣着、装饰用布 提出了更高的质量要求。同时随着我国加入w t o ，我国印染行业 为适应国内国际市场需求的变化，加快了设备更新改造的力度， 呈现对高档机型需求增长的态势。与此同时，国外印染设备生产 厂家为了占领图内市场，压低印染设备的价格，进口印染设备的 北京芟通走学硕士学位论走第一章绪论 数量明显增加。因此在满足国内和国际市场的需求，抢占印染设 备市场，丌发商性能的圆网印花机，并且促进我国纺织工业进步、 满足我国印染工业的发展需求、替代进口、扩大出口等方面都具 有重大意义。 另外。随着现场总线技术的兴起，基于嘲络的控制系统目前 属于国内研究的热点问题。在设计当中参考了p o r f i b u s 软件协 议，并实现了一个简化的p r o f l b u s 协议。对于现场总线的研究 有一定的积极意义。 1 。3课题研究的主要内容 本文是在参与了控制系统的研究、开发和调试的基础上完成 的，本系统的主要设计内容有以下几个方面： 1 根据圆网印花工艺的原理和圆网印花机的发展趋势，在分析 了“错花”现象的成因以及传统印花机的缺点的基础之上， 并结合现场要求，提出了由控制板、分机板和显示板多块板 卡构成的分布式圆网印花控制系统的方案。每个圆网由步进 电机在分机板的控制下独立驱动，分机板之间相互独立，统 一由控制板控制、扔调。 2 参照p r o f i b u s 现场总线的设计思想，设计了一套简单、商 效的现场总线通讯协议，实现了物理层、数据链路层通讯协 议，以保证控制板、分机板、显示板之间数据通讯的实时性 和可靠性。在协议中，控制板作为唯一的主站，显示板、分 机板作为从站，构成了主从结构的现场总线系统。主站通过4 种逶讯服务完成对从站的数据、命令的发送和请求 3 为了保持圆网对导带的速度跟踪和圆网之间位置同步，在系 北京爻通大学硕士学位论文 第一章绪论 统中设计了速度王 ：和位置环。速度期；通过对光电编码器速度 的测量，通过现场总线，实时的将速度信息发送给各个分机 板。由于通讯过程中延时的不确定性，且系统中存在多个控 制对象，较难确定精确的数学模型，因此在位置环中采用二 维模糊算法通过硬件同步电路和现场总线，由各个分机板同 步测量出每个圆网的实时位置，通过现场总线将这些位置信 息传递给控制板，控制板进行同步计算，并将位置修正信息 反馈给各个分机板，从而实现对各步进电机实时、高精度的 同步控制以满足精度的要求。 4 为了实现分机板对步进电机的速度和位置的同时控制，在分 析了常用的步进电机速度和位置控制方法的基础上，提出了 “不等脉冲串”算法对步进电机速度和位置的准确控制。 5 根据圆网印花机的工作原理，为了满足控制系统的实时性、 精度和可扩展性要求，设计并开发了基于8 0 ( 2 1 9 6 型c p u 和 m a x 7 1 2 8 型c p l d 的控制板、分机板和显示板。这些板卡通 过背板相互连接起来并通过背板与步进电机驱动电源、传感 器连接。 6 为了满足印花工艺和操作流程的需要，在控制板和分机板中 开发了基于消息的任务调度系统。过任务调度系统实现系统 启动、停止、对花、印花、自动运行、报警多种工作状态的 任务调度和状念转换。在不同的状态下，对可能传递来的各 种消息做出不同的响应。 7 在硬件设计方面，采用8 0 c 1 9 6 k b + c p l d 作为整个系统的硬 件核心。采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言将光电编码器测速 功能、步进电机驱动功能和同步信号检测功能嵌入到c p l d 中，以硬件电路的方法实现，极大的减轻了c p u 的运算负担 北耳疋遗犬萼王夤士学位论丈第一章绪论 并较少了中断响应时间，提高了系统集成度、可靠性和实时 性。 8 为了方便工人操作，减少调试时间，设计了圆网操作台和l c d 汉字显示人机交互界面，并实现自动对花、手动对花和参数 记录等功能。通过对各种可能出现的故障信号的检测和对通 讯所传递的各种数据的分析，系统能够及时有效的发现各种 故障，并正确的指示出故障的位雹。 北京交通大学j 耍士学位论文第二章间网印花控制系统的总体方案 第二章圆网印花控制系统的总体方案 2 1圆网印花工艺简介 圆网印花机是一种大型、综合、以连续化加工方式进行的生 产设备。通常分为四个单元：进布单元、印花单元、烘房和落布 单元，其结构如图2 - 1 所示“1 。 ”88 ”蚺电机 圉2 - 1 印染工艺躅 进布单元是由进布电机m 1 作为其传动电机，其作用是对坯 布( 待印织物) 作印花加工前的工艺整理，并将其按一定的速度 馈送到印花单元。 印花单元是整个印花系统的核心，它是由印花橡胶导带( 以 下简称导带) 、圆网电机、圆网、对花装置、水洗和刮刀装簧以及 给浆泵系统组成。坯夼进入印花单元后，被送至印花橡胶导带上， 通过热塑胶的粘合作用，将织物粘贴在印花橡胶导带上，连续地 经过备个印花圆网。圆网( 如图2 2 所示) 是内部装有印花浆料、 磁棒的镍网，镍网上有极小的渗透孔，大量的渗透孔形成一种花 北京定通夫擘硕士学位论文第二章固网印花控辛- l 系统的总体方案 样，在圆网内磁棒的挤压下，印花浆料从圆网的渗透孔中渗出印 在坯稚上。当坯布依次经过各印花圆网后，印花过程就完成了。 图2 - i 中，m 2 为印花导带驱动电机( 主令电机) ，t 1 是测速装置， 通过对主令电机的测量，作为多轴圆网跟踪的基准。当各圆网对 导带的速度跟踪能实现无静差，并有相同的同步位置时，圆网间 才能够实现完全同步，从而保证印花精度。 完成了印花的坯布，被送入烘房。由烘干导带驱动电机m 3 传动，在烘房内传送带的带动下，经过烘房，完成花布布匹上颜 料的烘干。烘干后的花布最后由出布电机m 4 带出机台。 在实际的印花生产中，印花过程是一个连续、高速、长时间 的过程，它通过系统中各电机的同步运动完成圆网印花的过程。 图2 - 2 圆网印花原理圉 2 2控制系统的设计要求和操作流程 在方案设计进行之i ；i ，多次深入辽宁海城三元印染厂和河南 新乡印染机械公司进行实地调研。通过考察圆网印花工艺并与印 染工人进行交流，以及向圆网印花机械设备制造厂家进行了详细 北京交通大学硕士学位论丈第二章圆圆印花控制系统的总体方案 咨询。总结出设计圆网印花机控制系统的基本指导思想和印花操 作的基本流程。 2 2 1控制系统的设计要求 1 满足精度要求。 系统应该最大程度的降低次品率，即降低在印染过程中跑花 的发生概率。一旦发生跑花的现象，系统应当能够快速的修正这 一偏差。如果不能自动修正这一偏差，应当能够手动修正此偏差。 2 离可靠性。 提高系统软件、硬件的可靠性，以减少不必要的维护时间。 3 较高的灵活性。 根据不同需要，可以方便、快捷的更换圆网的花色，并快速 整定其同步位置，减少困更换花色导致的调试时间。 4 较强的故障诊断和容错性。 运行过程中某个或多个电机发生故障时，应当及时的发出报 警指示。在某些电机及圆网故障或不需要时，系统依然可以正常 运行。 5 较好的操控性能。 具有良好的人机界面和方便的操作方法，降低了工人的劳动 强度。 6 具有良好的性价比，安装、调试简单方便。 本课题属于委托技术开发，产品应当具有较强的市场竞争能 力，以及安装、调试简单等特点。 北京交通太学硕士学位论文第二幸圈网印花控制系统的总体方案 2 2 2印花操作的基本流程 圆网印花操作的操作流程比较复杂“”，通常按照以下顺序 进行： 1 按照套色的多少投入相应的印花单元 2 手动旋转圆网网头，安装圆网 3 设定适当的速差r m 所谓的速差是指圆网与导带之间的速度差r m 。圆网与导带之 间按照工艺要求应该存在5 的速度差。这个速度差由工艺方面 的负责人提供。 v m = v r x ( 1 r m )( 2 1 ) 4 将布长、带长计数器复位 布长计数器是用来记录圆网印花机在一次或多次连续运行过 程中，所加工坯布的总长度，其中包括了合格产品和不合格产品 的长度。带长是在用来记录圆网印花机在一次或多次连续运行过 程中，导带所记录的总长度。 5 全机自动对花 全机自动对花功能是指所有本次工艺中投入的印花圆网以一 个较低的速度( 4 米分) 旋转至“0 位”，“0 位”是一个预先 设置的物理位置，然后以较快的速度旋转至其同步位置p s ，只有 当所安装的花样的圆网都运转到同步位置p s 时，才能保证所有圆 网运行过程中印出正确的花色。 6 启动牵引电机进入印花状态 与对花过程不同的是，系统处于印花状态时，圆网的旋转速 度较高，通常为4 0 米分8 0 米分。 7 自动手动对花调整 北京交通走学硕士学位论文第二幸圊网印花控制系统的总体方案 在圆网的运行过程中，如果花色出现了偏差，即错花现象， 圆网印花控制系统应当能够自动校正。如果不能自动校正，则需 要出人工进行手动校下。由于印花过程中圆网速度较高，如果单 人工调整，反应时间长，且误差大，出于印花速度很商，将会造 成大量坯布的浪费。因此应当尽量使自动对花功能具有高精度和 可靠性。 8 参数调整和记录 当使用新的圆网或1 日的圆网由于机械磨损不能满足生产需要 时要进行重新修正，因此系统有一个调整参数的过程，具体包括 同步位雹p s 的调整和分机速比r s 的微调。分机速比r s 和速差 r m 是两个不同的概念，分机速比r s 是指圆网旋转的速度v s 相对 于系统速度v m x r m 的比值，即二级速比。 v s = v m r m r s( 2 2 ) 二级速比是由于圆网加工时周长长度的误差而引起的。每个 圆网的速比r s 和同步位置p s 应当被系统记录下来，并且应该尽 量保存多组( 2 0 组) 的记录，以便节省每组不同花样的圆网在反 复装卸时花费的调节时间。 9 报警信号 当电机、电机电源、控制系统电源等出现故障时，应当出现 报警信号，并指示出报警信号的位置。 1 0 自动运行 还需要考虑的是，因为出现故障或其它原因需要临时停车时， 圆网可以按照预定的速度自转，以防止因颜料停止流动而附着在 镍网上，形成千网。 北京交通太学硕士学位论文第二章圃网印花控制系统的总体方素 2 3错花形成的原因 错花”1 是圆网印花工艺中不合格产品的主要成因，也是圆网 印花机需要解决的核心问题。印花过程中一组圆网代表花型设计 中的一组花色或花样，称为一套花色。其中根据花色数量的不同， 每种花型所采用的圆网数量也不相同。当一套圆网( 圆网的个数 必须小于或等于该印花机所配备的圆网数量) 选定以后，所印的 花型也就相应确定了。当坯布随导带依次经过所有圆网后。就生 产出印有相应花型的花布，如果印花过程中，其中有一个圊网的 印花与所设计的花型预定位置不符，或超前或滞后，就会造成所 印的花布为次品，这就是所谓的“错花”现象。实际控制中不可 能有绝对地保持印花圆网的同步，总会有误差的存在，因此在圆 网韵实际花型设计时，两个花色之间有相应的重叠部分。按照国 家标准规定，花色之间的重叠或空白部分纵向( 即导带运行的方 向) 应当小于0 1 m m 。 在实际印花过程中，造成错花的原因是多方面的。从整体分 析错花主要由两个方面引起：一是由于机械部分的非线性特性 造成的错花；二是由于传动系统中导带与圆网、圆网与圆网之间 不同传动链的传统特性不同而导致位置不同步造成的。 机械的非线性特性造成的错花现象由机械加工时出现的，这 种特性固定不变，可以通过适当的补偿措施( 如硬件对花功能) 予以解决。因此，针对因传动系统传动链的传动特性不同造成的 位置不同步进行控制是保证印花精度的关键。下面通过圆网与导 带的同步、圆网与圆网的同步来分别分析它们对印花精度的影响。 1 圆网与导带之间的同步对印花精度的影响 如图2 3 所示，在实际印花过程中，坯布跟随导带依次通过 北京变通学坝i ：学位论文第一荜叫州e 托柠制系统的总体方案 圆网1 、圆网2 、圆网3 ，并根据圆网的花型设计在坯向上印出相 应的图案。坯靠上同一点a 接触圆网1 、圆网2 和圆网3 的时恻 和空间位置都是不同的。坯布先经过圆网1 之后再经过圆网2 。 而在空间上，由于机械加工和脚网安装时装配误差的缘故，圆网 l 和圆网2 之间的距离d 1 与圆网2 和圆网3 之间的距离d 2 不可 能完全相同。 一量堂型塑塑垄堑垫 图2 - 3印花过程原理图 在分析圆网与导带同步对印花精度的影响时，假设此时圆网 之间是绝对同步的，设导带的线速度为v 8 ，圆网的线速度为v s ， 圆网的周长为s ( m m ) ，则在印花过程中圆网运转一周在坯布上所 印的花回长度l ( m m ) ( 假设无任何滑动) 为： 如唼 ( 2 - 3 ) 由式( 2 3 1 得。如果导带的速度和圆网的速度都保持稳定，且 在开始印花时两个花样已按照花型设计对好初始位置。虽然导带 和圆网的线速度不同，但只要圆网和导带的相对速度恒定则两 个圆网在坯布上印花的长度都为，不会发生错花现象。如果圆 网和导带的速度发生波动，即圆网线速度由k 变为k 。，导带的 线速度出吆变为k ，当两者的比值恒定时，根据式( 2 3 ) ，两个 ，昂戈迥走罕蚀士芋位论天第二章圃网印花控制系统的总体方案 圆网的印花长度仍然为l ，则仍不会发生错花现象。 口 圃网l 的花型 i 一、 圆网2 的花型 ( a ) 圃网的花型瓦正确花型 d回 ( b )( c ) 图2 - 4 错花现象分析 圆网1 、2 的正 确花型 如果由于导带和圆网的速度波动导致圆网2 印花花回的长度 交为厶，且- 工时，由于圆网1 和圆网2 印花的不同时性，圊网 1 先印花，印花的花回长度为，圆弼2 后印花，印花的长度为厶， 圆网2 所印出的花型将会在纵向发生畸变，产生此( m 蛐的错花 ( 位移) ，且此错花无法还原。如图2 - 4 中( b ) 所示的情况。 肌一陪脊 ( 2 q 由式( 2 4 ) 可知。要想保证圆网和导带两个传动链的传动特性 以保证印花过程中不错花即址- 0 。则需要保证在速度波动中， 导带速度和圆网速度的相对值略恒定，即圃网和导带的相对 线速度同步。 2 圆网与圆网的同步对印花精度的影响 假定圆网1 和圆网2 以相同的速度运转，按照花型的设计两 个圆网将先后在坯布的a 点开始印花，此时印出的花型与设计相 符。在每个圆网上印花的起点位置被称为同步位置p s 。在运转的 过程中，如果圆网之间山于某种原因的影响而不同步( 在误差范 北京交通托学硕士学位论丈第二章回网印花控制系统的总体方案 围之外) ，例如圆网2 的同步位置与导带重合时的位置滞后于圆网 1 的同步位置与导带重合时的位置，则与实际的花型设计不相符， 形成错花。此时将会出现图2 4 中( c ) 所示的情况。在机械安装过 程中，圆网之间的距离不可能保持绝对相同，并且由于需要经常 更换圆网的花色，而频繁的拆卸圆网，也会造成圆网之间物理位 簧与原始安装位置的偏差。从而导致圆网之间的同步位置的变化。 2 4圆网印花工艺对传动系统的要求 综上所述，为了保证在印花过程中不错花，必须保证在印花 过程中圆网之间的位置绝对同步以及导带与圆网之间的线速度相 对同步。所以对印花机的控制方案应该以此为出发点。需要指出 的是，圆网印花机为多轴传动，因此同步指多轴同步，而不是简 单的与某一个轴保持同步。这就要求在生产的过程中实时检测每 个圆网的位置，并进行实时修正。同时，线速度同步和位置同步 二者之间的关系是相辅相成的。线速度同步是基础，如果失去了 这个基础，就不可能实现位置同步，位置同步是建立在圆网运行 速度一致的基础上进行的。 根据上述要求得出提高圆网同步特性的主要措施： 1 _ 改善导带的运行特性，使导带在印花阶段保持一个相对稳定 的运行特性。 2 提高圆网电机控制的动态特性，缩短圆网电机的的响应时间。 3 导带速度检测应具有较高的精度和较短的时间，从而减小、 消除圆网与导带之间速度的静差，实现无差控制。 4 在硬件设计上，增强系统的抗干扰能力，保证给定和反馈信 号的采集不出现偏差。 j 5 导又迥走芋确士学位论文第二章圃网印花控制系统的总体方案 5 为圆网电机驱动器设计控制器使各圆网电机驱动器的参数 结构不出现太大的偏差。 6 引入对花信号，人工消除积累偏差。 2 5 控制系统总体方案 由以上的分析可知，稳定的导带运行速度，高性能圆网位置 控制是保证印花精度的关键。因此采用混合式步进电机对圆网进 行精确的位置控制，每个圆网独立传动，由单独的c p u 对其进行 控制，为提高系统的可靠性和可维护性，设计时采用了分布式设 计方法。控制系统结构如图2 5 所示。 按照上述方案，整机结构可以划分为四个部分：光电检测系 统、控制板卡、圆网传动及控制系统、现场总线。 光电编码器与主令电机( 牵引电机) 同轴相连，速度信号送 入控制扳中主控制板负责检测分机板的状态、同步位置，并将 命令、速度以及位置修正信息传递给每个分机板。 每个圆网的电机由步进控制扳( 分机板) 独立控制，而且步 迸控制板之问可以互为备用；步进电机通过减速器与圆网相连； 每台圆网旁边安装有圆网操作台；分机板接收主站传来的控伟4 命 令、速度等信息完成对所属的步进电机的实时位置控制，并向主 控制板( 控制板) 发送状态、电机的实时位罨等信息，同时接收 圆网操作台的按键指令和按键修萨。 人机界面( h m i ) 的功能由显示板单独完成，采用液晶显示、 中文界面，以方便工人操作。为了满足多品种、少数量、高性能、 高效率的要求，设计了工艺参数存储功能，可存储2 0 套花色的工 艺参数。 北京交通大学硕士学位论文第二章圆网印花控制系统的总体方案 通讯总线的设计借鉴了p r o f l b u s 总线设计的思路，实现了 一种简化的p r o f i b u s 总线协议。底层采用4 8 5 电气连接，主控制 板为总线上的唯一主站，分机板、显示板是总线上的从站。主站 完成对从站的配置、传递参数、诊断、实时数据传输等功能，从 站只能被动响应主站的请求。 同步挂 信号残 _ 一：一1 _ f 卫示叛 困2 - 5圊网印花机控制系统原理图 圆网的传动及控制系统可以分为圆网传动系统、圆网操作台 和圆网位黉检测三个部分。 1 圆网传动系统 步进电机通过行星齿轮减速器与圆网网座相连。由于行星齿 轮具有较大的变比和稳定的传动特性，因此在小功率位置控制系 统中应用较为广泛，当圆网安装好以后，通过气动装置将其与圆 网网座压紧，这样步进电机就与圆网构成了一个完整的传动链。 出于机械的磨损和圆网的反复拆卸，导致步进电机和圆网之阃的 传动系统出现间隙从而导致系统的机械特性的变化，因此，在使 用一定时削以后，需要对圆网位置检测系统进行一定的校对。 扎r 、趸迅尢学砸士擘位论文第二幸圃网印花控制系统的总体方案 图2 - 6 探作面板示意圈 2 圆网操作台 圆网操作台的主要功能是完成手动对花的调整和圆网电机投 入、退出的设定，以及向其所在的圆网发出对花指令。其操作面 板的布局如图2 7 所示。 在停止状态下，按下“快进，对花插入”按钮，圆网以一个较 快的速度旋转。按下“慢进，对花插入”按钮，圆网以一个较慢的 速度旋转，反之亦然。 在印花过程中，按下“快进对花插入”按钮，则使得圆网在 原来旋转速度基础上多转动3 毫米，之后仍然按照原来的速度旋 转。按下“慢进对花插入”按钮，则在原来速度的基础上多旋转 1 个毫米，反之亦然。 北京交通走举硕士擘位论丈第二章圜网印花控制系统的总体方案 圃快进，对花插八回慢退，对花战少 固快退，对花减少回自动对花键，自动对花灯 回慢进，对花插入回投入退出键，投八指示灯 图2 7 圆网操作台示意图 “投入，退出键般入指示灯”该按键为带二极管状态指示的 按键。当电机处于停止状态时，每次按下此按钮，将使其圆网电 机从“投入”状态转为“退出”状态，或者从“退出”状态转换 为“投入”状态。当电机处于投入状态时。投入指示灯亮，进入 退出状态时，指示灯熄灭。 “自动对花键埘花指示灯”该按键为带二极管状态指示的按 键。当电机处于停止状态时，每次按此键，将会使圆网以一个较 低的速度旋转至“o 位”，然后停止；在到达“o 位”以后，自动 对花灯点亮，此时如果电机开始转动，或转动了一个角度脱离“0 位”对花指示灯熄灭。 3 圆网位置检测 圆网位簧检测部件为圆网同步旋转提供误差测量的功能。检 测设备应当能够耐浆料的腐蚀、高精度( 小于o 0 2 m m ) 、体积小、 寿命长、方便调整。霍尔元件利用磁场的霍尔效应检测位置，属 于无触测量，能够很好的满足以上要求，且价格便宜。 检测部件由h a l l 元件和磁铁构成，磁铁安装在圆网网头上， 北京交通太学硕士学位论文第二幸圃网即花控制系统的善体方案 h a i l 元件安装在每个圆网的网座上，它也就是圆网“0 位”的 参考位置，即一个人为设定的“坐标原点”o 点。通过原点以后， 圆网旋转过预先设定好的角度鼠。圆网对花分为两个步骤，首先 用一个较慢的速度旋转至“坐标原点”0 ，然后以一个较快的速 度旋转过8 0 的角度至0 点。 测速可分为两大类：模拟电路测速和数字电路测速。随着电 子技术的发展，数字测速技术的进步，数字测速性能的提高，数 字测速具有不可比拟的优越性。“订 本课题需要对牵引电机的角度进行长时间、精确的测量，同 时由于现场安装所留位置狭窄，空气潮湿、腐蚀性强，因此光电 编码器是一种较好的选择。 2 6设备关键参数的选择 2 6 1圆网印花机的工艺参数 根据圆网印花工艺和以上结构方案，对所涉及设备的关键参 数进行计算。其中按照国家标准和现有圆网印花机机械参数所给 出的设备参数如下： 圆网周长l = 6 4 0 r a m 减速机变比 咫- - 0 1 圆网间误差d s 0 1 r a m 圆网最高线速度 。- 7 9 2 m r o a n 牵引电机晟大转速坼。t 1 4 4 0 r o t m i n = - 2 4 r o t s 北京交通戈学硕士