基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)研究

王 書,吳小艷

(湖北理工學(xué)院 機電工程學(xué)院,湖北 黃石435003)

自1963年第1臺商業(yè)性劍桿織機發(fā)展到現(xiàn)在,目前其最高車速可達(dá)700 r/min,引緯率可達(dá)1 612 m/min,最大織造幅寬為4 600 mm,最多可織16色緯紗[1],但是現(xiàn)在使用的控制系統(tǒng)由于存在監(jiān)控點位置死板和線路布局復(fù)雜等諸多不利因素,影響到了劍桿織機的實際生產(chǎn)過程。為了更好發(fā)揮劍桿織機高速化、智能化、高質(zhì)量和高效率的優(yōu)良性能,基于Twin-CAT平臺的監(jiān)控系統(tǒng)有著比目前基于單片機或PLC控制系統(tǒng)明顯的優(yōu)勢。

德國倍福公司生產(chǎn)的CX5020控制器,采用模塊化插槽設(shè)計,外型美觀小巧,其基于PC嵌入的Twin-CAT軟件平臺兼容了傳統(tǒng)PLC的所有功能、運動控制功能、Ether CAT總線功能和組態(tài)(HMI)功能,具有傳統(tǒng)PLC和單片機無法比擬的強大功能。Ether CAT總線是目前新型的以太網(wǎng)總線通信協(xié)議,能夠?qū)崿F(xiàn)一網(wǎng)到底,直達(dá)控制系統(tǒng)的I/O層和覆蓋系統(tǒng)所有設(shè)備。TwinCAT軟件平臺在劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可以優(yōu)化劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)的線路布局,減少復(fù)雜的現(xiàn)場總線數(shù)量和故障發(fā)生機率,提高劍桿織機的生產(chǎn)效率[2]。

1 劍桿織機的工作原理

劍桿織機作為一種利用劍桿進(jìn)行引緯和以主軸旋轉(zhuǎn)的角度為時序,協(xié)調(diào)各執(zhí)行部件有序運動的無梭織機?？棛C的主要組成部件包括機架、織機主軸、送經(jīng)、開口、引緯、打緯、卷取、緯紗供給、自動尋緯、選緯、織邊、監(jiān)控系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等,其中織機的核心部件是由卷取運動、開口運動、打緯運動、送經(jīng)運動和引緯運動組成的五大運動。

劍桿織機的工作過程以主軸轉(zhuǎn)動360°作為一個完整工作周期,控制系統(tǒng)的響應(yīng)以設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)動角度作為標(biāo)準(zhǔn)向各運動部件發(fā)送控制指令,織機初始化上電后,經(jīng)停、緯停信號復(fù)位,35°設(shè)置卷取運動,80°斷開儲緯器、155°連接張力儲緯器,200°檢測雙緯,220°修改選色指針、多臂指針、發(fā)送選色信號,308°周期結(jié)束、檢測周期內(nèi)有無斷經(jīng)斷緯情況,310°緯紗計數(shù)。劍桿織機的工作原理如圖1所示[3]。

2 TwinCAT平臺控制原理

劍桿織機的監(jiān)控系統(tǒng)主要用于協(xié)同控制其五大運動,即卷取運動、開口運動、打緯運動、送經(jīng)運動和引緯運動[4],基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入TwinCAT NC PTP軟件的CX5020控制器,8通道數(shù)字量輸入輸出模塊,4通道模擬量輸入輸出模塊,2通道PWM輸出模塊和電源模塊等組成,系統(tǒng)通過Ether CAT以太網(wǎng)總線協(xié)議進(jìn)行上下位機之間通信。

TwinCAT平臺采用閉環(huán)控制的原理,CX5020控制器與PC(HMI)人機界面之間通過Ether CAT總線進(jìn)行雙向通信,TwinCAT NC PTP中TwinCAT NC執(zhí)行TwinCAT PLC編寫的運動控制程序,通過Ether CAT總線向驅(qū)動控制器下達(dá)控制指令,進(jìn)而控制伺服馬達(dá)的運動,伺服馬達(dá)在運動過程中的電流、速度和位置信號通過反饋裝置上傳至TwinCAT PLC中,其他邏輯控制通過輸入輸出模塊與TwinCAT PLC實時通信[5]。TwinCAT平臺控制原理如圖2所示。

圖1 劍桿織機的工作原理

圖2 TwinCAT平臺控制原理

3 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,主要有運動控制部分和傳感器檢測部分,其中運動控制部分包括主軸運動、織軸運動、電子多臂、卷布棍運動和引劍劍輪運動等;傳感器檢測部分包括光電編碼位置信號、按鈕控制信號、經(jīng)紗張力信號、緯紗張力信號、卷徑檢測信號、主軸轉(zhuǎn)速檢測信號、經(jīng)紗線速度檢測信號和斷經(jīng)、斷緯停車檢測信號等。

在劍桿織機的工作過程中,基于TwinCAT NC PTP軟件平臺的CX5020控制器利用EtherCAT總線通信協(xié)議通過TwinCAT NC執(zhí)行TwinCAT PLC的運動控制程序來控制各軸的伺服驅(qū)動器,進(jìn)而控制各軸的運動軌跡;運動過程中,通過編碼器、傳感器和I/O將光電編碼位置信號、按鈕控制信號、經(jīng)紗張力信號、緯紗張力信號、卷徑檢測信號、主軸轉(zhuǎn)速檢測信號、經(jīng)紗線速度檢測信號、斷經(jīng)、斷緯停車檢測信號和產(chǎn)量、引緯率等參數(shù)實時反饋到TwinCAT PLC中,整個閉環(huán)控制過程通過EtherCAT總線與PC(HMI)人機界面進(jìn)行實時通信。劍桿織機的各項工作參數(shù)通過CX5020控制器的2 G內(nèi)存空間進(jìn)行實時動態(tài)存儲,以豐富數(shù)據(jù)信息和方便調(diào)閱數(shù)據(jù)?；赥winCAT&Ether CAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

4 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

基于TwinCAT軟件平臺的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)可以利用VC語言來編寫一套人機交互界面,界面實行友好設(shè)計,能夠滿足劍桿織機實時數(shù)據(jù)的雙向監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)的調(diào)閱。在劍桿織機的監(jiān)控工作中,操作人員首先開啟PC界面和CX5020控制器,系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài),人機界面打開,此時會出現(xiàn)圖標(biāo)顯示Ether-CAT總線通信連接是否正常,界面進(jìn)入待機狀態(tài),這時操作人員不僅可以調(diào)出織機運行的歷史數(shù)據(jù),也可以選定需要即將工作的織機并根據(jù)工作狀況設(shè)置參數(shù)[6],當(dāng)所選織機不能正常工作時,操作人員可以下達(dá)指令檢測織機故障原因,當(dāng)所選織機工作正常時,操作人員會下達(dá)控制指令來檢測選定織機的實時工作參數(shù),對于在正常工作過程中織機出現(xiàn)斷經(jīng)和斷緯時,織機會立即自動停車以防出現(xiàn)疵點?？棛C結(jié)束工作時,數(shù)據(jù)會自動保存到CX5020控制器系統(tǒng)中方便下次調(diào)閱[7]?；赥winCAT&Ether CAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計如圖4所示。

圖4 基于TwinCAT&EtherCAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計圖

5 結(jié)語

利用TwinCAT軟件平臺設(shè)計的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)不僅改變了傳統(tǒng)的單片機或PLC控制模式,優(yōu)化了整體控制格局,提高了劍桿織機的整體控制性能,而且控制點靈活方便,也便于控制點集中控制,不需要繁鎖的布線施工和調(diào)試,能很大程度上提高整個車間的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和故障診斷時間,實現(xiàn)了劍桿織機批量化、智能化的生產(chǎn)要求?；赥winCAT&Ether-CAT的劍桿織機監(jiān)控系統(tǒng)的成功應(yīng)用,會大大降低企業(yè)的生產(chǎn)成本、管理成本和維修成本,從總體上提高企業(yè)的利潤空間和市場競爭力。