工控機和數(shù)據(jù)采集卡打造升級劍桿織機控制系統(tǒng)

　　織機是一種將經(jīng)紗與緯紗交織成織物的設備，用細長的劍桿作往復運動伸入梭口將緯紗引入織口的方法叫劍桿引緯，用劍桿引緯的織機稱為劍桿織機。1931年，西班牙巴爾培公司展出世界上第一臺劍桿織機后，劍桿織機就在不斷地發(fā)展進步。近年來，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展以及機電一體化和計算機技術(shù)的廣泛應用，劍桿織機更加高速化、自動化。

　　2. 織機控制系統(tǒng)硬件部分

　　2. 1系統(tǒng)硬件方案

　　HEJ-2000型劍桿織機控制系統(tǒng)的硬件方案為：

　?、俨捎没贑omPACtPCI總線的工控機及其數(shù)據(jù)采集卡。

　?、诓捎秒娮铀徒?jīng)：選用三菱公司的交流伺服驅(qū)動器和交流伺服電機。伺服電機單獨傳動織軸，通過壓力傳感器測量經(jīng)紗張力，張力信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給計算機。計算機數(shù)據(jù)處理后控制伺服電機保持穩(wěn)定的送經(jīng)量和經(jīng)紗張力。

　?、鄄捎秒娮泳砣。詫崿F(xiàn)均勻的織物緯密。

　?、懿捎秒娮佣啾酆碗娮舆x緯。

　?、葸x擇可靠的電氣元件，設計專用外圍電路板;合理布局布線，兼顧電磁兼容性，使控制系統(tǒng)有很強的抗干擾能力、很好的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2. 2系統(tǒng)硬件的核心部分

　　2.2.1 CompactPCI工業(yè)控制計算機

　　HEJ-2000型劍桿織機采用凌華科技有限公司的cPCIS-2650 型工控機。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系統(tǒng)。考慮到織機工作環(huán)境溫度高、震動強的特點，在cPCIS-2650系統(tǒng)中選用的CPU模塊為cPCI-3500A。cPCI-3500A支持低功耗耗奔騰MMX-266 CPU，只需散熱片就能滿足散熱要求。此外系統(tǒng)的存儲介質(zhì)采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip電子盤，以適應現(xiàn)場震動要求。

　　基于CompactPCI總線的工控機采用有如下優(yōu)點：

　　無源底板結(jié)構(gòu)，適配卡與無源底板的連結(jié)器采用高密度、屏蔽型，針孔式連接器。有利于避免電磁干擾。

　　機架采用歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)，適配卡垂直插入機箱，有利于通風冷卻。

　　適配卡可前后走線，便于連接外設。

　　適配卡四周分別由定位螺絲、導軌和針孔連接器固定，抗沖擊和震動。

　　適配卡可帶電熱插拔，可選配冗余電源，便于維護。

　　。CompactPCI制定了嚴格的抗靜電和接地規(guī)定，適合工作在靜電較強的場合

　　與標準的PCI芯片和軟件兼容，可在商用機上編程后灌入既可進行。

　　2.2.2、數(shù)據(jù)采集和輸入輸出接口卡

　　HEJ-2000型劍桿織機選用的數(shù)據(jù)采集卡是凌華科技有限公司的CompactPCI總線的數(shù)據(jù)采集卡。其中A/D卡的型號為cPCI-9112，此卡的采樣頻率為100KHz，具有 16路單端或8路差動輸入，2路DA輸出、16路DI和16路DO。DA卡的型號為cPCI-6208，它有 8路DA輸出，分辨率為16位。DI/DO卡的型號是cPCI_7432，此卡為帶5000 V rms隔離的32路DI和32路DO數(shù)字量輸入輸出卡。

　　以上數(shù)據(jù)采集卡和信號接口板的使用實現(xiàn)了各種外部信息的輸入和控制信息的輸出，其中包括按鈕命令的接收、張力傳感器的數(shù)據(jù)采集、可控件(如各繼電器等)狀態(tài)的輸入、可控件(如伺服驅(qū)動器等)的控制輸出和信號燈的顯示等。

　　3. 機控制系統(tǒng)軟件部分

　　3. 1 控制算法

　　對于劍桿織機控制系統(tǒng)來說，控制的關(guān)鍵是經(jīng)紗張力?？刂坪媒?jīng)紗張力才能保證良好的布面質(zhì)量。在織機主軸的一個回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，因開口、打緯、送經(jīng)、卷取的作用會引起張力的變化，隨著織機轉(zhuǎn)速的日益提高，對經(jīng)紗張力的動態(tài)控制顯得尤為重要。因此，本控制系統(tǒng)綜合了多種算法以實現(xiàn)恒定的經(jīng)紗張力。具體算法如下：

　　(1)算術(shù)平均值法

　　在織機運轉(zhuǎn)一周期內(nèi)連續(xù)采樣12次，取其平均值作為本周期內(nèi)的平均張力y(n)。

　　(2)、限幅濾波法

　　隨機干擾和采樣器的不穩(wěn)定有時使得采樣數(shù)據(jù)偏離實際值太遠，所以采用限幅濾波，即：

　　當y(n) > yH時，則取y(n) = yH

　　當y(n)< yL時，則取y(n) = yL

　　當yL< y(n) < yH時，則取y(n)

　　這里y(n)為當前采樣值，yH為上限值，yL為下限值

　　(3)、死區(qū)非線性法

　　當采樣變化在一定范圍時，仍保持原來的采樣值，可減少運算以提高實時性和避免振蕩。即：

　　當 y(n)- y(n-1) < k 時，則取y(n) = y(n-1) .

　　(4)、滑動濾波法

　　為了防止系統(tǒng)過于靈敏而產(chǎn)生超調(diào)，把本次和前四次的采樣值加權(quán)平均后作為本次的張力值，參與PID控制，處理公式為

　　y(n+1)= [ y(n) + y(n-1)/2 + y(n-2)/4 + y(n-3)/8 + y(n-4)/16 > / 1.9375 (1)

　　(5)、增量式PID控制

　　采取增量式PID算法來控制經(jīng)紗張力，經(jīng)紗張力的大小由計算機給送經(jīng)電機伺服驅(qū)動器發(fā)的脈沖數(shù)定義。這里我們稱之為送經(jīng)量(cont)，送經(jīng)量的計算在織機主軸角度0 o時進行。采取的增量式PID 控制的計算式為

　　cont(n+1)=cont(n)+A* [ y(n)- req > - B*[ y(n-1)- y(n)>+C*[ y(n-2)- y(n-1)> (2) 式中 req 為經(jīng)紗張力設定值，A、 B、 C為PID控制參數(shù)。此外 cont 不小于零，當cont < 0 時，令 cont = 0 。

　　(6)、滯后控制

　　當織機在短時間停車后又開車時，張力傳感器會產(chǎn)生一個瞬時的擾動。若此時計算機采樣，則采到的是錯誤的信號，這個信號會使計算機輸出較大的送經(jīng)量，相應地送經(jīng)電機錯誤的送出較多經(jīng)紗，使經(jīng)紗張力下降，布面產(chǎn)生開車痕。

　　實踐證明，織機在數(shù)秒鐘內(nèi)停車又開車，張力并沒有發(fā)生多大的變化，所以，在織機運轉(zhuǎn)的前幾緯內(nèi)仍按照原來的送經(jīng)量送經(jīng)，計算機不必進行數(shù)據(jù)計算，織造完前幾緯后，張力恢復正常，經(jīng)紗張力的控制仍按原來的綜合控制算法進行。

　　3.2 軟件總體方案

　　由于DOS的實時性和穩(wěn)定性較好，HEJ-2000型劍桿織機控制軟件的操作系統(tǒng)選用了DOS平臺，用Borland C++ 3.1 for DOS 語言編制了控制程序。

　　為了以后便于調(diào)試和維護，采用模塊化編程思想。軟件從功能上分為六大模塊：界面模塊、主控模塊、多臂模塊、選緯模塊、送經(jīng)卷取模塊、安全模塊。

　　織機上電初始化后，織機主軸每轉(zhuǎn)1°，主軸上的編碼器有一次中斷申請，進入中斷服務程序，依次運行各個模塊，當主軸停轉(zhuǎn)時由軟件實現(xiàn)中斷申請。

　　4.結(jié)論

　　由于織機處于高溫、高濕、粉塵、靜電的工作環(huán)境中，加上織機本身的劇烈震動，所以劍桿織機的工作環(huán)境十分惡劣。可見選用一種具有高可靠性的控制機是劍桿織機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。CompactPCI總線是一個開放的總線標準，硬件成本大大低于VME等傳統(tǒng)高可靠控制平臺，軟件架構(gòu)與商用PC完全兼容。同時CompactPCI總線的工控機還具有良好的散熱結(jié)構(gòu)、針孔總線接頭防潮濕和腐蝕、垂直安裝的歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)具有良好的抗振性等優(yōu)點。因此CompactPCI總線自1995年誕生以來，已經(jīng)在軍工、電信、交通、工業(yè)自動化等領(lǐng)域得到廣泛應用。CompactPCI控制機的HEJ-2000型劍桿織機在實際應用中穩(wěn)定可靠，大大減少了使用者的維護費用，得到用戶的一致好評。