嵌入式技術在紡織機械控制系統(tǒng)中的應用

1引言

目前大部分紡織機械的控制系統(tǒng)都是采用觸點式和步進式的分離器件式的控制裝置、單片機或單板機控制裝置、上業(yè)PC機控制裝置，還有PLC控制裝置等，這此傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在以下缺點。

采用傳統(tǒng)的繼電器和分立的電子線路來作為紡織機械的控制裝置，系統(tǒng)結構復雜、功耗大、叫一靠性差、運行維護小方便、控制柜體積大，同時控制精度低、上作可靠性差、能耗大、使用成本高(電熱元件消耗太大)，而且各種控制特性和保護特性配合小合理、系統(tǒng)的綜合技術經(jīng)濟性小高。隨著使用時間的推移，溫度、潮濕、電氣元件老化、灰塵、雜質、機械摩擦等等囚素的影響，造成有的系統(tǒng)部件性能下降甚至失控「‘」。

采用單片機控制，邏輯控制繁瑣，增加了維修調試的環(huán)節(jié)，線路板驅動部件老化程度較高，如果出現(xiàn)問題將更換整塊電板路，維修成本高。山于單片機功能單一、速度較慢、網(wǎng)絡功能小健個，它經(jīng)常采用中口通信來交換數(shù)據(jù)和信息，而中口通信在使用中存在抗十擾能力差、傳輸距離短和傳輸速率低等缺點。即使采用高速單片機來實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，山于需要額外的ROM/RAM空間，這對于一此內存十分有限、且只能上作在單片方式的單片機來說會受到限制，并且其內裝的TCP/工P協(xié)議棧簡單，沒有內置多任務操作系統(tǒng)，對大量網(wǎng)絡廣播包數(shù)據(jù)、病毒攻擊響應有困難，非常容易導
致卞機網(wǎng)絡掉線「2」。

PLC控制系統(tǒng)也存在固有的缺陷，山于PLC是一種通用的控制器，應用到紡織機械控制系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進上作，配置額外的設備和電路。同時PLC本身存在嚴重的缺點，卞要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而小是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(wǎng)絡及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公!司的組態(tài)、尋址、硬件結構小一致，使各種PLC勺_小兼容。同時PLC十PC機控制系統(tǒng)監(jiān)控程序的實時性、開放性和可靠性無法得到保障，其通信速度慢和PLC專用聯(lián)網(wǎng)模塊的設訓也是一個很大的問題。

2嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點

嵌入式技術經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，特別是近幾年無淪在MCU、軟件系統(tǒng)、開發(fā)上具與方法和勺_聯(lián)網(wǎng)的結合，以及在應用上都取得了重大的發(fā)展。目前，嵌入式技術正處在一個飛速發(fā)展和激烈競爭的階段。從技術和市場角度，嵌入式系統(tǒng)硬件特別是嵌入式CPU處理能力提升較快，山8位、16位升級到32位與64位，掌上電腦、PDA、電腦手機、電腦汽車等新產(chǎn)品層出小窮，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。在中國大陸地區(qū)，雖然關鍵硬件卞要依靠進口，技術基礎相對較弱，但在經(jīng)過近年的迅速發(fā)展，無淪是硬件、軟件還是應用，都已取得質的突破「3」。

嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可以剪裁，適用于應用系統(tǒng)對功能、叫一靠性、成、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像等數(shù)據(jù)傳輸技術、傳感器等先進技術與具體應用對象相結合的產(chǎn)物，它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、小斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)「1」。

在嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應用軟件常被集成于計算機硬件系統(tǒng)之中，使系統(tǒng)的應用軟件與硬件一體化。嵌入式系統(tǒng)卞要包括嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)、以及應用軟件系統(tǒng)四部分囚。根據(jù)應用方式的小同，叫一將嵌入式系統(tǒng)分為知識產(chǎn)權核(intellectual property, IP)級、芯片級和模塊級等3種小同的體系結構形式，它們均采用“量體裁衣”的方式，把所需的功能或模塊嵌入到各種應用系統(tǒng)中，實現(xiàn)對應用對象的控制、監(jiān)視和管理等功能圈。

具體來說，嵌入式技術卞要有以下優(yōu)點: (1)山于是嵌入到對象系統(tǒng)中，完個滿足對象系統(tǒng)的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(叫一靠)、成本(價廉)等要求。同時它還具有與“專用性”的相關特點:軟、硬件的裁剪性，滿足對象要求的最小軟、硬件配置等。

(2)軟件代碼要求高質量、高可靠性:盡管半導體技術的發(fā)展使處理器速度小斷提高、片上存儲器容量小斷增加，但在大多數(shù)應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實時性的要求。嵌入式系統(tǒng)中用C語言和匯編語言編寫的代碼和編譯上具的質量高，減小了程序一進制代碼氏度、提高了執(zhí)行速度。

(3)嵌入式系統(tǒng)以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應各種應用的、對功能、叫一靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術、電子技術和各個行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、小斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。

(4)嵌入式系統(tǒng)軟件采用實時多任務操作系統(tǒng)開發(fā)平臺(RTOS):通用計算機具有完善的操作系統(tǒng)和應用程序接口，是計算機基本組成小叫一分離的一部分，應用程序的開發(fā)以及完成后的軟件都在。S平臺上面運行，但一般小是實時的。嵌入式系統(tǒng)則小同，應用程序在RTOS環(huán)境下直接在芯片上運行，保證程序執(zhí)行的實時性、叫一靠性，并減少開發(fā)時間，保障軟件質量。

(5)嵌入式系統(tǒng)具有強大的網(wǎng)絡和通信功能:它除含工EEE1394-2 (USB火線)外，還包含有傳統(tǒng)的RS232和工EEE488接口，以及以太網(wǎng)接口和相應的TCP/工P協(xié)議，非常適合于低層控制和與上層通信。

在嵌入式系統(tǒng)的基礎上，利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和自動化檢測技術，對紡織機械控制系統(tǒng)進行準確、叫一靠的群控、群測，從而將整個系統(tǒng)的運行狀況在網(wǎng)絡的基礎上建立實時和歷史數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)計分析，實現(xiàn)及時、準確和可靠的信息采集、管理和傳輸。在嵌入式系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)功能綜合化、網(wǎng)絡勺_聯(lián)化、開放化和標準化是新一代紡織機械控制系統(tǒng)的特征。

3嵌入式技術在紡織機械控制系統(tǒng)中的應用

以圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)為例。圓網(wǎng)印花}L是一個多部分協(xié)調運動的電氣傳動系統(tǒng)，要求各個印花圓網(wǎng)之間以及圓網(wǎng)與送布皮帶之間保持嚴格的同步運動。印花傳誦帶經(jīng)卞電}L拖動，以穩(wěn)定的速度運行，各個印花篩網(wǎng)分別山步進電機拖動跟蹤送步帶，達到同步轉速，再經(jīng)過快速調整，使各個篩網(wǎng)的零與第一級篩網(wǎng)的零位標志會合，此時織物進入印花機，進入生產(chǎn)過程，如圖1所示。在穩(wěn)態(tài)運行過程中，要求各個篩網(wǎng)小僅能夠自動調整皮帶速度變化和自身十擾等誤差，而且能夠根據(jù)前級誤差確定自身的最佳會合點。

山于圓網(wǎng)印花機被控設備較多，而且它們之間存在大量通信，囚此圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)多采用分布式控制系統(tǒng)方案。在各從機中，0號下位機用于測量導布皮帶速度，1號一n號下位機分別完成對各級圓網(wǎng)位置和速度的控制，上位機卞要完成對下位機的監(jiān)控、協(xié)調和管理?；谇度胧郊夹g的分布式圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)如圖2所示，其中的下位機用嵌入式CPU實現(xiàn)，采用ARM9處理器和實時嵌入式操作系統(tǒng)，協(xié)調并控制其他幾個模塊的正常上作，系統(tǒng)的導帶單元配備編碼器，印花單元配備光電檢測開關，同時一個嵌入式驅動節(jié)點叫-以管理1-}-4個單元的驅動，一個嵌入式操作節(jié)點管理1-}-4個圓網(wǎng)的操作。

上、下位機之間采用PROF工BUS現(xiàn)場總線技術進行通信，PROF工BUS現(xiàn)場總線技術采用了公開化、標準化的開放式解決方案，實現(xiàn)真正的個分布式控制，將控制功能傳輸?shù)浆F(xiàn)場印花設備，使控制系統(tǒng)更加趨于分布化、扁平化、網(wǎng)絡化、集成化和智能化。它采用一對一的工//0連接方式，對于圓網(wǎng)印花控制系統(tǒng)這種大規(guī)模系統(tǒng)來說，減少了山于接線點造成的小叫一靠囚素。同時系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線l改障診斷、報警、記錄功能，叫一完成現(xiàn)場控制設備的遠程參數(shù)設定、修改等上作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。

同時，基于嵌入式技術的圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)利用以太網(wǎng)協(xié)議，具有工nternet接入功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)視、遠程診斷，提供強大的在線網(wǎng)絡技術支持。通過它可以遠程實時觀察系統(tǒng)的狀態(tài)，并且能夠象現(xiàn)場人員一樣對設備進行相應的交勺_式操作，監(jiān)控各部件當前的狀態(tài)、進行診斷維護等。圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)包括以下功能:

(1)系統(tǒng)設置功能:設置嵌入式控制子系統(tǒng)的通訊接口參數(shù)，設置報警狀態(tài)，當系統(tǒng)或者測量值越線時報警，

(2)數(shù)據(jù)采集功能:對輸出的頻率、電壓、電流、脈沖及數(shù)字編碼等信號的傳感器進行常規(guī)巡測，定時巡測以及人上測量等，同時通過設置各種數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對上程文檔、巡查信息、原始測量、轉換成功、監(jiān)控指標和數(shù)學模型等進行管理，

(3)傳感器設置功能:分別對各類傳感器進行編程、設置，

(4)系統(tǒng)自檢功能:在數(shù)據(jù)采集過程中，先進行系統(tǒng)自檢，當系統(tǒng)硬件設備、軟件初始化或者通信線路發(fā)生l改障時，在計算機上能顯示相關信息，便于及時維修，

(5)異常診斷及報警功能:系統(tǒng)通過檢測值處理、時空分析，結合巡查新鮮和運行情況，對測量異常進行分級報警，以方便防洪決策，

(6)人機界面:叫一按日常要求提供簡要的報告，包括機器和設備布置情況報告，網(wǎng)絡拓撲結構報告，測量和控制程序報告，數(shù)據(jù)報告，報警報告和系統(tǒng)運行維護情況報告等。

除上述功能外，監(jiān)測子系統(tǒng)還提供自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和人上觀測數(shù)據(jù)的處理，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與工nternet數(shù)據(jù)庫接口，提供數(shù)據(jù)備份。圓網(wǎng)印花機控制系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)的結構框圖如圖3所示。

為滿足用瀏覽器進行遠程操作、控制與監(jiān)測，上層系統(tǒng)還具有HTTP服務器功能，為實現(xiàn)應用程序的遠程更新和文件管理，系統(tǒng)應具有FTP服務器功能，為實現(xiàn)設備運行狀態(tài)Web數(shù)據(jù)庫記錄自動填報，系統(tǒng)應具有HTTP客戶功能，為實現(xiàn)設備運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)文件的自動發(fā)送，系統(tǒng)應具有FTP客戶功能，為實現(xiàn)用Email報警和發(fā)送設備運行狀態(tài)信息，系統(tǒng)還應具有SMTP客戶功能。圖4是網(wǎng)絡遠程通訊模塊的運行原理框圖。

通過嵌入式控制系統(tǒng)，還叫一以在在監(jiān)控中心計算機上運行監(jiān)控組態(tài)軟件，也可以通過以太網(wǎng)協(xié)議運行于遠程控制中心。組態(tài)軟件接受來自紡織機械現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)，并進行處理、分析和顯示，向現(xiàn)場控制單元發(fā)送各種控制命令。

4結語

嵌入式技術與系統(tǒng)具有廣闊的應用前景，其研究和廣泛應用將對紡織行業(yè)帶來深刻的蘋命。結合當前紡織機械控制系統(tǒng)的狀況，需要大力開展以下上作:

(1)大力開展嵌入式技術方面研究，卞要包括嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫和嵌入式系統(tǒng)體系結構方面的研究，在完善和提升硬/軟件研究開發(fā)平臺和體系結構的基礎上，引導這此技術與紡織機械控制系統(tǒng)相結合。

(2)積極面向國外學習先進技術，引進國內外的先進技術，共同開展相關研究，促進嵌入式技術在紡織行業(yè)中的應用。

(3)巨大的市場需求給我們提供了學習研發(fā)的資金和技術力量，需要大力扶植紡織行業(yè)中的高新企業(yè)，開展針對紡織行業(yè)中的應用嵌入式產(chǎn)品開發(fā)，引導大中型紡織企業(yè)積極采用嵌入式技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)品，實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的智能化，參與國際競爭。