基于 CAN 总线的剑杆织机控制系统构建

基于CAN总线的剑杆织机控制系统构建

赵春生，吴保平

(河南工程学院 纺织学院，河南 郑州 450007)

摘要：针对高速剑杆织机对控制系统可靠性和灵活性的要求，设计了一种基于CAN总线的剑杆织机控制系统.该系统采用模块化设计，由主控制器、触摸屏、电子送经/卷取控制器、选纬/探纬控制器、多臂控制器和绞边/剪刀控制器等模块组成，每个功能模块作为CAN总线网络的一个节点，模块之间通过CAN总线进行数据传递，提高了剑杆织机的整体性能.

关键词：剑杆织机；CAN总线；模块化；控制系统

中图分类号：TS103.7文献标志码：A

收稿日期：2015-06-19

作者简介：赵春生(1973-)，男，河南项城人，副教授，主要研究方向为纺织设备与工艺.

目前，国外高档剑杆织机的转速已达800 r/min，控制系统普遍采用现场总线技术，如Dornier的P系列剑杆织机、Picanol的GamMax剑杆织机和Somet的GS-900剑杆织机等[1].而国内的剑杆织机以中低档为主，控制系统大部分采用单片机、PLC和PCC等控制器，所以可靠性低、灵活性较差.剑杆织机的控制系统比较复杂，实时性要求比较高，处理的信息量也比较大，为此提出了基于CAN总线的剑杆织机控制系统.该系统采用模块化设计，各功能模块与主控制器之间通过CAN总线进行通信，以织机主轴的时序为基准，各功能模块相互协调完成织机的各项动作.这种控制系统具有信息传输可靠、自动化水平高的特点，能够满足剑杆织机稳定性和灵活性的要求.

1控制系统的整体设计

基于CAN总线的剑杆织机控制系统结构如图1所示，该控制系统由主控制器、送经/卷取控制器、触摸屏、选纬/探纬控制器、多臂控制器和绞边/剪刀控制器等模块构成.系统中的主控制器模块对主轴编码器、触摸屏输入参数、断纬和储纬器报警、断经信号等进行检测，根据输入信号对主电机和各功能模块进行控制；电子送经/卷取控制器模块接收主控制器传送的主轴编码器信号，根据张力传感器检测到的经纱张力信号驱动相应的伺服电机，从而实现经纱的恒张力控制；选纬/探纬控制器模块对纬纱进行检测，根据主轴编码器信号进行选纬和引纬；多臂控制器模块根据传送过来的花型文件和纬密信号对开口进行控制；绞边/剪刀控制器模块用于驱动绞边电动机进行绞边和电子剪刀剪断纬纱.各功能模块通过CAN总线进行连接，保证了信息的传递不受外界干扰.

图1　剑杆织机控制系统结构 Fig.1　Control system structure of rapier loom

2主要功能模块的设计

2.1主控制器模块

主控制器选用Atmel公司的工业级ARM9处理器AT91SAM9261[2]，该芯片具有超低功耗、工业级温宽的优点，主频200 MHz，片内提供了32 KB内置ROM和16 KB SRAM，用于程序和数据的存储.可扩展一个CAN总线接口，通过该接口可以将主控制器与CAN总线连接，使主控制器成为一个工作站.考虑到需要处理的数字量比较多，还选用了Altera公司的高性能CPLD(MAX Ⅱ EPM570)进行扩展[3].

图2　主控制器模块 Fig.2　Main controller module block diagram

主控制器模块如图2所示.主控制器接收主轴编码器信号，通过CAN总线将该信号传送到各功能模块并接收各功能模块传送过来的状态信息；通过CPLD接收操作信号、报警信号(如主电机驱动器、光电保护装置、气动刹车、吸风电机等的报警)，同时控制指示灯(如断经自停指示灯、紧急停车指示灯)；接收到停车信号或报警信号时，通知主电机驱动器停车并驱动气动刹车装置刹车.

2.2电子送经/卷取控制器模块

电子送经/卷取控制器模块根据织物织造时的纬密、经纱张力等工艺要求分别控制卷取伺服电动机和送经伺服电动机的转速、转向和角度，调节卷取量和送经量，从而实现织造过程中经纱张力的稳定、送经速度的平稳和纬密的精确控制.

图3　电子送经/卷取控制器模块 Fig.3　Electronic let-off/take-up module block diagram

考虑到送经/卷取的计算量比较大且实时性要求较高，选用了美国TI公司的DSP(TMS320LF2407)为处理器[4]，其控制模块如图3所示.张力传感器通过摆动后梁检测经纱的实际张力，然后送到信号调理电路中的差分放大电路进行放大，输出的差分信号送入模/数转换器将模拟量转换为数字量.将检测到的经纱张力与张力设定值进行比较，根据传送过来的主轴编码器信号与设定的工艺参数，通过一定的控制算法进行计算，输出伺服脉冲信号控制送经和卷取伺服电机，调节送经量和卷取量，从而保持经纱张力的动态恒定.

图4　选纬/探纬控制器模块 Fig.4　Weft selector/weft detector module block diagram

2.3选纬/探纬控制器模块

选纬/探纬控制器模块可实现电子选纬机构的选纬动作，监测引纬情况及储纬器的工作状态，如图4所示.在这个模块中，选择意法半导体公司的STM32F107为微处理器[5].该处理器集成了CAN总线控制器，可以很方便地与CAN总线连接,根据传送来的主轴编码器信号计算主轴的速度、转向和角度，输出选纬控制信号进行选纬.在织造过程中，纬纱具有一定的张力，可使用压电陶瓷传感器检测纬纱，对输出信号进行分析以判断是单纬、双纬还是空纬.当储纬器的纬纱用完时，发出一个补纬信号给控制器，控制器就选用备用储纬器的纬纱.

图5　多臂控制器模块 Fig.5　Electrical dobby module block diagram

2.4多臂控制器模块

多臂控制器模块同样选用集成了CAN总线的意法半导体公司的STM32F107作为处理器，如图5所示.通过对CAN总线传送来的花型文件进行分析，可以获得提综顺序，根据主轴信息输出开口机构控制信号对综框的升降顺序进行控制，从而得到所需要的花型织物.当多臂机构发生故障时，会发出故障报警信号给主控制器，使织机停车.

图6　主控制器的控制流程 Fig.6　Program flow chart of main controller module

3系统控制流程

本系统采用模块化设计，每个功能模块都有相对的控制流程.主控制器的控制流程如图6所示.触摸屏设置的工艺参数可以通过CAN总线传送给主控制器，各部件的运行信息和运行参数也可以由触摸屏显示.在织机运行过程中，各功能模块的数据信息都是通过CAN总线实时传送的.主控制器由CAN总线接收各功能模块的数据信息，经过分析处理后向对应的模块发出控制信号，完成相应的动作.

4结语

基于CAN总线的剑杆织机控制系统采用模块化结构，各智能模块实现各自特定的功能，配置灵活，易于功能的扩展和升级，便于设备的维护.模块之间通过CAN总线进行通信，实现了系统的分布式控制，大大提高了设备的自动化水平，提升了剑杆织机的整体性能.与传统的单控制器剑杆织机相比，该系统抗干扰能力强、性能稳定可靠、可移植性好、安装调试及维修方便，有很高的推广应用价值.

参考文献：

[1]洪海沧.无梭织造技术的应用现状与发展趋势[J].纺织导报,2007(5)：32-52.

[2]Atmel Corporation.AT91 ARM Thumb-based Microcontrollers AT91SAM9261S Summary[EB/OL].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/6242s.pdf,2009.

[3]Altera Company.MAXⅡ Device Handbook[EB/OL].http://www.altera.com.cn/literature/hb/max2/max2_mii5v1.pdf,2009.

[4]刘和平，严利平，张学锋，等.TMS320LF240XDSP结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002：1-2.

[5]意法半导体有限公司.STM32F10×××系列参考手册[EB/OL].http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/reference_manual/CD00171190.pdf, 2010.

Construction of the control system of rapier loom based on CAN bus

ZHAO Chunsheng, WU Baoping

(CollegeofTextiles,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China)

Abstract:A control system of the high speed rapier loom based on CAN bus is designed to meet the requirement of reliability and flexibility. Modularization design is adopted. The control system consists of the main controller module, the touch screen module, the electronic let-off/take-up module, the weft selector/weft detector module, the electrical dobby module and the leno selvedge/weft cutter module. These functional modules are connected by CAN bus and each one is made as a CAN node. The communication among the modules is transferred through CAN bus. The overall performance of rapier is improved.

Key words:rapier loom; CAN bus; modularization; control system