喷水织机自动化控制系统的设计

牛亭舒，陆梓晓，林 硕，吕亚男

(苏州工业职业技术学院机电系 苏州 江苏 215100)

1 引言

为了实现传统喷水织机的高效工作，控制系统中对系统相应速度、位置监控、角度控制、送经控制以及卷曲控制有较高的要求[2-3]。然而，目前我国的喷水织控制器多采取主从式多级控制或者集散控制[4]，无法满足告诉织机的自动化操作以及高精度要求。因此，本文设计一种喷水织机自动化控制系统，硬件方面采用高效的核心控制部件，提高系统的的整体性能，软件方面通过完善编码器算法、通信算法、采用代码简便的接口函数，完成电子送经、卷取、剪刀以及绞边等，以实现高精度控制，提高织物质量。

2 喷水织机硬件设计

作为喷水织机的大脑，自动化控制系统决定着织机的各项操作流程。通过主轴的角度的测试，将测量信号通过控制系统的算法分析来控制织机的送经、卷取、夹纱、选纬、储纬等。喷水织机的自动化控制系统设计能够实现电子送经、断经、自动定位停车、电子卷取、自动断纬定位、点动、正转、反转等功能。

本文设计的控制系统，如图1所示，主要硬件包括电池电源板，输入输出板以及伺服驱动器、I/O板、电源板基本配置。当输入输出板获取信号后，由主控分析处理，通过通讯传输到输入输出板，再控制如变频器等模块。

图1 系统拓扑图

2.1 控制器

与以往的喷水织机控制通过控制器与伺服的共同作用不同，本设计选用伺服驱动一体设备，具备喷水主控、电子送经、电子卷取及花样控制的功能。较以往的单机CPU控制，升级为32位高性能微处理器，直接进行伺服驱动，并通过控制算法缩短了响应时间，解决了多设备控制中，信号不匹配，产品不兼容，性能不稳定的问题。该控制系统作用下，主控伺服主要通过CAN 通讯方式输入和输出信号。主轴编码器发送的角度信号到达伺服控制处，经内部算法后输出控制信号实现电子送经控制。

2.2 电机

伺服电机安装前需要进行防锈处理，且安装过程中注意轴伸端的保护，以保证内部编码器的完好。与机械连接时，需要使用联轴节，并使伺服电机的轴心与机械的轴心保持在一条直线上，且需符合定心精度要求。

2.3 面板及触摸板

手操面板如图2所示。各按钮功能如下：预备代表吸水风机电源，给入准备信号；正转命令是指按下按钮，系统正向运转；按下停止按钮时，顺时针方向旋转锁定停止按钮，逆时针选择解除锁定；反转按钮按下后，系统反向运转；刹车则是开关打到上方“ON”位置，刹车功能开启，反之关闭。

图2 手操面板

触摸屏拓扑图如图3所示，触摸屏具有挡车、机修、管理和说明功能。通过挡车功能，可以进行落布、换经、手动操作。机修模块涵盖储纬、引纬、探纬、档子、花纹、多臂等。管理模块可以进行换班登记、日报表和周报表、实现数据统计。

图3 触摸屏拓扑图

2.4 定位停车

系统定位停车在喷水织机的操作流程中作用显著，运动控制系统中的刹车定位决定着花样花纹，如果刹车控制不精准，导致定位停车失误，则会出现花色错位或者停机等问题。本系统刹车控制采用双线圈刹车，采用高低压刹车控制方式，确保定位刹车准确，刹车控制电路采取反向消磁电路，降低了刹车盘磁化的可能性。

初中阶段涉及的函数有一次函数、二次函数、正比例函数、反比例函数等，数学教师在教学过程中可以将初中阶段所涉及不同函数的概念、解析式、图像、性质等方面进行对比讲解，学生在学习时，可以更好的区分不同函数的相同点和不同点。教师将相关函数知识联系起来进行教学，可以更好的加深学生的记忆，有助于学生更好的掌握不同函数的相关知识，提高教学效率。

3 系统软件设计

本文设计的喷水织机控制系统有通信模式、待机模式、引纬模式、关车模式等四个模式。设计规定每个模式完成任务后，则回到待机模式。通过图4所示流程，匹配中断和其中的优先选项。随后匹配外置模块，如串连接口等环节。最后通过导入对应函数，根据编码设备提供的主轴角度，控制引纬。

图4 系统软件整体流程图

3.1 通信模块

为了杜绝通信模块功能在生产现场容易因电门电源以及棉线花絮等造成的通信失败，本设计软件部分采用HostLink通信协议，该协议允许命令传送给 HostLink命令系统的可编程控制器，用来分析指令并将数据重新上传至上位机，能够完善检验机制，精准关联可编程控制器与微计算器。

通信过程完成后，会自动返回且关闭端口相关功能。只有转变现有状态，才能开辟新信息通道，通过导入到既定程序中，实现新一轮的通信。收到通信信号说明处理器收到可编程控制器的传输反馈。为了提高所用计算函数的可信度，在通信流程结束后，需要开展对应的数据分析。

3.2 编码器模块

喷水织机主要通过主轴的角度来控制工艺操作，主轴的角度由角度采集电路（图5）进行数据获取，并由编码器传送到控制主板。本设计中的角度采集采用了光电轴交互式转动编码器，可以有效保证编码稳定性。该编码器在织机主轴上输出3个相位信号，经过隔离、滤波处理后，输入到控制器中，实时跟踪角度的变化。本文设计的编码器外接置于电动机上方，需要保持编码器与电动机的速度比例比为1:1。为了简化程序，本设计采用STM32处理器的交互式接口，通过直接调用接口函数，简化代码，提高信号的可信度。通过STM32处理器与编码器接口相结合，系统则可得出主轴角度。

图5 角度控制电路

当角度在0°到90°时压水凸轮机构完成压水动作，90°左右时储纬器的指棒打开，然后夹纱器在100°左右松开，使压水凸轮所产生的高速水流带动纬纱向前喷出，在95°到120°之间储纬器一直放纬，120°之后指棒和夹纱器同时关闭，储纬器不再放纱，夹纱器把纬纱加紧使其绷直，放出的纬纱在水流的带动下在250°左右的时候到达导板，接着开口机构的角度一直变大，使纬纱可以顺利喷入织口，在270°到360°之间打纬机构将纬纱打入织口，然后15°到25°时上下手剪刀将纬纱定长剪断，往复循环，实现织机自动化。

3.3 送经模块

喷水织机中电子送经是重要步骤之一，送经的张力控制不到位会导致断裂甚至全车停机。本设计中送经控制主要通过张力传感器检测到的模拟量信号输出，由于干扰信号的存在，需要通过一定的算法进行滤波计算，得出正确的张力输出值，根据计算好的张力设定值和张力监测值，得出张力偏差值。通过自整定算法计算出比例和积分参数等，再计算出送经速度，由伺服电机按照计算速度运行，保证送经质量。

图6 送经控制流程

3.4 探纬模块

该控制系统中，当PS探纬同步信号（探纬角度区间检测与发送成功信号后指示灯亮），其中IN表示探纬成功信号，STOP表示探纬失败信号。旋钮中，SENS指灵敏度，PS-D表示探纬区间延时，PS-W表示探纬区间宽度。数字显示中，0为正常，5表示探纬失败。在探纬区间内，当探纬头检测到探纬信号时（IN灯亮起）将探纬成功信号发送给主控板，主控板发送探纬同步信号给探纬盒（PS灯亮起），探纬盒显示数字0表示探纬成功。

3.5 管理模式

织机控制系统中管理模式可以进行人员换班设置、进行班报表、日报表、查询送经记录、换经记录等。可以根据定制化要求设定每日总班次及对应工作时间，并生成自动换班表，报表内容包括时间、布长、纬数、效率、运转时间、停台次数及时间等。

4 系统调试

4.1 运行调试

系统调试一般包括空车调试和上机调试。

空车调试是指不加载物料时的机械设备运行调试，是设备安装完毕、系统设计后的整体调试运行，如图7所示。空车调试的特点是检验机械和系统本身的设计是否能够正常运行，往往包括各部分单机手动点动运行调试和整机运行调试。其中整机运行调试包括慢速、中速和快速运行调试。

图7 空车调试流程

空车调试过程中登陆系统后，进行系统和参数配置。通过角度对准，保证机械角度和电气角度一致。确认电子送经方向，也就是保证送经方向和卷取方向与工艺方向一致。如不一致，则需进入送经设置或者卷取设置进行参数调整。

在点动运行时，点动织机，观察码盘角度方向是否增大，如果减小且用户没有使用变频器或者寻纬变频开关关闭，则将外部供电相序调换；如果用户使用变频器且寻纬变频开关打开，则将外部变频供电相序调换。确认后再次点动检查，确认正点动，码盘角度增大。快车运行时，按下正转按钮，无报警则空车调试结束，若有报警请按触摸屏报警提示进行系统调整。

上机调试一般是带料调试，确保机器设备或者系统运行正常，能够按要求完成系统指定任务。对于喷水织机，上机调试的流程主要包括上轴、送经、储纬设置、花样板设置、运行、落布设置和探纬设置，如图8所示。

图8 上机调试流程

在上机调试过程中，将经轴安装在织机上是第一步，俗称上轴。分别按照调试需求设置电子送经的工艺参数、储纬器的参数、花样板调试等。其中储纬器的设定包括放纱直径、放纱长度、放纱圈数、储纱圈数、旋转方向、织机类型等。运行时，首先保证开机调整至机械稳定，在调试状态中，系统不对外面操作响应。

4.2 故障排除

织机故障种类较多，包括电气故障、工艺故障、伺服驱动器故障、变频器故障以及系统设置参数故障。这里主要就系统设计相关故障进行说明和排除。针对触摸屏不亮故障，需要首先确认插头是否正常，以及外部电源供电是否正常，排除电源问题后可以更换触摸屏或者程序重置。针对出布长度与实际出布长度不同的问题，需要根据计算织缩率，根据计算结果，修改参数设置。针对张力显示报警问题，首先确认是否传感器硬件接触问题，排除接触问题后，则为数据传输错误，通过系统中张力清零可以解决问题。

在调试运行中，比较严重的问题是空停和漏探。空停是指纬纱到达却停车，漏探是纬纱未到达但是未停车。如果探纬灵敏度异常，则需提高判断脉冲数，如果是空停，需要调整探纬的区间。

5 结语

随着科技的不断发展，传统的喷水织机逐渐走向自动化、智能化。自动化控制的喷水织机不仅大大提高了生产效率，还使织品的质量得到了保障。本文设计的喷水织机自动化控制系统，能够准确控制纺织机的压水、放纱、夹纱、引纱、剪纱等流程，并执行各机构控制的相关命令，实时性和稳定性较高，达到了喷水织机的自动化、智能化的效果。