基于 CAN 總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建

基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)建

趙春生，吳保平

(河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007)

摘要：針對(duì)高速劍桿織機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的要求，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主控制器、觸摸屏、電子送經(jīng)/卷取控制器、選緯/探緯控制器、多臂控制器和絞邊/剪刀控制器等模塊組成，每個(gè)功能模塊作為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，模塊之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，提高了劍桿織機(jī)的整體性能.

關(guān)鍵詞：劍桿織機(jī)；CAN總線；模塊化；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS103.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-06-19

作者簡(jiǎn)介：趙春生(1973-)，男，河南項(xiàng)城人，副教授，主要研究方向?yàn)榧徔椩O(shè)備與工藝.

目前，國(guó)外高檔劍桿織機(jī)的轉(zhuǎn)速已達(dá)800 r/min，控制系統(tǒng)普遍采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如Dornier的P系列劍桿織機(jī)、Picanol的GamMax劍桿織機(jī)和Somet的GS-900劍桿織機(jī)等[1].而國(guó)內(nèi)的劍桿織機(jī)以中低檔為主，控制系統(tǒng)大部分采用單片機(jī)、PLC和PCC等控制器，所以可靠性低、靈活性較差.劍桿織機(jī)的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求比較高，處理的信息量也比較大，為此提出了基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊與主控制器之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，以織機(jī)主軸的時(shí)序?yàn)榛鶞?zhǔn)，各功能模塊相互協(xié)調(diào)完成織機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)作.這種控制系統(tǒng)具有信息傳輸可靠、自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)，能夠滿足劍桿織機(jī)穩(wěn)定性和靈活性的要求.

1控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該控制系統(tǒng)由主控制器、送經(jīng)/卷取控制器、觸摸屏、選緯/探緯控制器、多臂控制器和絞邊/剪刀控制器等模塊構(gòu)成.系統(tǒng)中的主控制器模塊對(duì)主軸編碼器、觸摸屏輸入?yún)?shù)、斷緯和儲(chǔ)緯器報(bào)警、斷經(jīng)信號(hào)等進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)主電機(jī)和各功能模塊進(jìn)行控制；電子送經(jīng)/卷取控制器模塊接收主控制器傳送的主軸編碼器信號(hào)，根據(jù)張力傳感器檢測(cè)到的經(jīng)紗張力信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗的恒張力控制；選緯/探緯控制器模塊對(duì)緯紗進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)主軸編碼器信號(hào)進(jìn)行選緯和引緯；多臂控制器模塊根據(jù)傳送過(guò)來(lái)的花型文件和緯密信號(hào)對(duì)開(kāi)口進(jìn)行控制；絞邊/剪刀控制器模塊用于驅(qū)動(dòng)絞邊電動(dòng)機(jī)進(jìn)行絞邊和電子剪刀剪斷緯紗.各功能模塊通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接，保證了信息的傳遞不受外界干擾.

圖1　劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.1　Control system structure of rapier loom

2主要功能模塊的設(shè)計(jì)

2.1主控制器模塊

主控制器選用Atmel公司的工業(yè)級(jí)ARM9處理器AT91SAM9261[2]，該芯片具有超低功耗、工業(yè)級(jí)溫寬的優(yōu)點(diǎn)，主頻200 MHz，片內(nèi)提供了32 KB內(nèi)置ROM和16 KB SRAM，用于程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).可擴(kuò)展一個(gè)CAN總線接口，通過(guò)該接口可以將主控制器與CAN總線連接，使主控制器成為一個(gè)工作站.考慮到需要處理的數(shù)字量比較多，還選用了Altera公司的高性能CPLD(MAX Ⅱ EPM570)進(jìn)行擴(kuò)展[3].

圖2　主控制器模塊 Fig.2　Main controller module block diagram

主控制器模塊如圖2所示.主控制器接收主軸編碼器信號(hào)，通過(guò)CAN總線將該信號(hào)傳送到各功能模塊并接收各功能模塊傳送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息；通過(guò)CPLD接收操作信號(hào)、報(bào)警信號(hào)(如主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光電保護(hù)裝置、氣動(dòng)剎車、吸風(fēng)電機(jī)等的報(bào)警)，同時(shí)控制指示燈(如斷經(jīng)自停指示燈、緊急停車指示燈)；接收到停車信號(hào)或報(bào)警信號(hào)時(shí)，通知主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器停車并驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)剎車裝置剎車.

2.2電子送經(jīng)/卷取控制器模塊

電子送經(jīng)/卷取控制器模塊根據(jù)織物織造時(shí)的緯密、經(jīng)紗張力等工藝要求分別控制卷取伺服電動(dòng)機(jī)和送經(jīng)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和角度，調(diào)節(jié)卷取量和送經(jīng)量，從而實(shí)現(xiàn)織造過(guò)程中經(jīng)紗張力的穩(wěn)定、送經(jīng)速度的平穩(wěn)和緯密的精確控制.

圖3　電子送經(jīng)/卷取控制器模塊 Fig.3　Electronic let-off/take-up module block diagram

考慮到送經(jīng)/卷取的計(jì)算量比較大且實(shí)時(shí)性要求較高，選用了美國(guó)TI公司的DSP(TMS320LF2407)為處理器[4]，其控制模塊如圖3所示.張力傳感器通過(guò)擺動(dòng)后梁檢測(cè)經(jīng)紗的實(shí)際張力，然后送到信號(hào)調(diào)理電路中的差分放大電路進(jìn)行放大，輸出的差分信號(hào)送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量.將檢測(cè)到的經(jīng)紗張力與張力設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)傳送過(guò)來(lái)的主軸編碼器信號(hào)與設(shè)定的工藝參數(shù)，通過(guò)一定的控制算法進(jìn)行計(jì)算，輸出伺服脈沖信號(hào)控制送經(jīng)和卷取伺服電機(jī)，調(diào)節(jié)送經(jīng)量和卷取量，從而保持經(jīng)紗張力的動(dòng)態(tài)恒定.

圖4　選緯/探緯控制器模塊 Fig.4　Weft selector/weft detector module block diagram

2.3選緯/探緯控制器模塊

選緯/探緯控制器模塊可實(shí)現(xiàn)電子選緯機(jī)構(gòu)的選緯動(dòng)作，監(jiān)測(cè)引緯情況及儲(chǔ)緯器的工作狀態(tài)，如圖4所示.在這個(gè)模塊中，選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F107為微處理器[5].該處理器集成了CAN總線控制器，可以很方便地與CAN總線連接,根據(jù)傳送來(lái)的主軸編碼器信號(hào)計(jì)算主軸的速度、轉(zhuǎn)向和角度，輸出選緯控制信號(hào)進(jìn)行選緯.在織造過(guò)程中，緯紗具有一定的張力，可使用壓電陶瓷傳感器檢測(cè)緯紗，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行分析以判斷是單緯、雙緯還是空緯.當(dāng)儲(chǔ)緯器的緯紗用完時(shí)，發(fā)出一個(gè)補(bǔ)緯信號(hào)給控制器，控制器就選用備用儲(chǔ)緯器的緯紗.

圖5　多臂控制器模塊 Fig.5　Electrical dobby module block diagram

2.4多臂控制器模塊

多臂控制器模塊同樣選用集成了CAN總線的意法半導(dǎo)體公司的STM32F107作為處理器，如圖5所示.通過(guò)對(duì)CAN總線傳送來(lái)的花型文件進(jìn)行分析，可以獲得提綜順序，根據(jù)主軸信息輸出開(kāi)口機(jī)構(gòu)控制信號(hào)對(duì)綜框的升降順序進(jìn)行控制，從而得到所需要的花型織物.當(dāng)多臂機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)給主控制器，使織機(jī)停車.

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

3系統(tǒng)控制流程

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊都有相對(duì)的控制流程.主控制器的控制流程如圖6所示.觸摸屏設(shè)置的工藝參數(shù)可以通過(guò)CAN總線傳送給主控制器，各部件的運(yùn)行信息和運(yùn)行參數(shù)也可以由觸摸屏顯示.在織機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，各功能模塊的數(shù)據(jù)信息都是通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)傳送的.主控制器由CAN總線接收各功能模塊的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)分析處理后向?qū)?yīng)的模塊發(fā)出控制信號(hào)，完成相應(yīng)的動(dòng)作.

4結(jié)語(yǔ)

基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各智能模塊實(shí)現(xiàn)各自特定的功能，配置靈活，易于功能的擴(kuò)展和升級(jí)，便于設(shè)備的維護(hù).模塊之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制，大大提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平，提升了劍桿織機(jī)的整體性能.與傳統(tǒng)的單控制器劍桿織機(jī)相比，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、可移植性好、安裝調(diào)試及維修方便，有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]洪海滄.無(wú)梭織造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].紡織導(dǎo)報(bào),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]劉和平，嚴(yán)利平，張學(xué)鋒，等.TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002：1-2.

[5]意法半導(dǎo)體有限公司.STM32F10×××系列參考手冊(cè)[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