工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡在劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用
織機(jī)是一種將經(jīng)紗與緯紗交織成織物的設(shè)備，用細(xì)長的劍桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(jī)稱為劍桿織機(jī)。1931年，西班牙巴爾培公司展出世界上第一臺(tái)劍桿織機(jī)后，劍桿織機(jī)就在不斷地發(fā)展進(jìn)步。近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，劍桿織機(jī)更加高速化、自動(dòng)化。
本文論述的HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)硬件的核心部分采用CompactPCI工控機(jī)和CompactPCI數(shù)據(jù)采集卡。軟件部分的運(yùn)行平臺(tái)基于DOS，開發(fā)語言為Borland C++ 3.1。控制程序控制織機(jī)各部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，并綜合運(yùn)用各種算法對(duì)經(jīng)紗張力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
織機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分
2． 1 統(tǒng)硬件方案
HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的硬件方案為：
①采用基于CompactPCI總線的工控機(jī)及其數(shù)據(jù)采集卡。
②采用電子送經(jīng)：選用三菱公司的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)織軸，通過壓力傳感器測(cè)量經(jīng)紗張力，張力信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后控制伺服電機(jī)保持穩(wěn)定的送經(jīng)量和經(jīng)紗張力。
③采用電子卷取，以實(shí)現(xiàn)均勻的織物緯密。
④采用電子多臂和電子選緯。
⑤選擇可靠的電氣元件，設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力、很好的穩(wěn)定性和可靠性。
2． 2 制系統(tǒng)硬件的核心部分
2.2.1 CompactPCI工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
HEJ-2000型劍桿織機(jī)采用凌華科技有限公司的cPCIS-2650 型工控機(jī)。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系統(tǒng)。考慮到織機(jī)工作環(huán)境溫度高、震動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)，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(chǔ)介質(zhì)采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip電子盤，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)要求。
基于CompactPCI總線的工控機(jī)采用有如下優(yōu)點(diǎn)：
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(jī)架采用歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)，適配卡垂直插入機(jī)箱，有利于通風(fēng)冷卻。
適配卡可前后走線，便于連接外設(shè)。
適配卡四周分別由定位螺絲、導(dǎo)軌和針孔連接器固定，抗沖擊和震動(dòng)。
適配卡可帶電熱插拔，可選配冗余電源，便于維護(hù)。
。CompactPCI制定了嚴(yán)格的抗靜電和接地規(guī)定，適合工作在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合
與標(biāo)準(zhǔn)的PCI芯片和軟件兼容，可在商用機(jī)上編程后灌入既可進(jìn)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(jī)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(hào)為cPCI－9112，此卡的采樣頻率為100KHz，具有 16路單端或8路差動(dòng)輸入，2路DA輸出、16路DI和16路DO。DA卡的型號(hào)為cPCI－6208，它有 8路DA輸出，分辨率為16位。DI/DO卡的型號(hào)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(hào)接口板的使用實(shí)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(dòng)器等）的控制輸出和信號(hào)燈的顯示等。
3． 機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分
3． 1 控制算法
對(duì)于劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)來說，控制的關(guān)鍵是經(jīng)紗張力。控制好經(jīng)紗張力才能保證良好的布面質(zhì)量。在織機(jī)主軸的一個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，因開口、打緯、送經(jīng)、卷取的作用會(huì)引起張力的變化，隨著織機(jī)轉(zhuǎn)速的日益提高，對(duì)經(jīng)紗張力的動(dòng)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(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)干擾和采樣器的不穩(wěn)定有時(shí)使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，所以采用限幅濾波，即：
當(dāng)y(n) > yH時(shí)，則取y(n) = yH
當(dāng)y(n)< yL時(shí)，則取y(n) = yL
當(dāng)yL< y(n) < yH時(shí)，則取y(n)
這里y(n)為當(dāng)前采樣值，yH為上限值，yL為下限值
（3）、死區(qū)非線性法
當(dāng)采樣變化在一定范圍時(shí)，仍保持原來的采樣值，可減少運(yùn)算以提高實(shí)時(shí)性和避免振蕩。即：
當(dāng) y(n)- y(n-1) < k 時(shí)，則取y(n) = y(n-1) .
（4）、滑動(dòng)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(jì)算機(jī)給送經(jīng)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)算在織機(jī)主軸角度0 o時(shí)進(jìn)行。采取的增量式PID 控制的計(jì)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(shè)定值，A、 B、 C為PID控制參數(shù)。此外 cont 不小于零，當(dāng)cont < 0 時(shí)，令 cont = 0 。
（6）、滯后控制
當(dāng)織機(jī)在短時(shí)間停車后又開車時(shí)，張力傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的擾動(dòng)。若此時(shí)計(jì)算機(jī)采樣，則采到的是錯(cuò)誤的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)使計(jì)算機(jī)輸出較大的送經(jīng)量，相應(yīng)地送經(jīng)電機(jī)錯(cuò)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(shí)踐證明，織機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的前幾緯內(nèi)仍按照原來的送經(jīng)量送經(jīng)，計(jì)算機(jī)不必進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，織造完前幾緯后，張力恢復(fù)正常，經(jīng)紗張力的控制仍按原來的綜合控制算法進(jìn)行。
3．2 軟件總體方案
由于DOS的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性較好，HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制軟件的操作系統(tǒng)選用了DOS平臺(tái)，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(hù)，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(jī)上電初始化后，織機(jī)主軸每轉(zhuǎn)1°，主軸上的編碼器有一次中斷申請(qǐng)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，依次運(yùn)行各個(gè)模塊，當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)時(shí)由軟件實(shí)現(xiàn)中斷申請(qǐng)。
4．結(jié)論
由于織機(jī)處于高溫、高濕、粉塵、靜電的工作環(huán)境中，加上織機(jī)本身的劇烈震動(dòng)，所以劍桿織機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣。選用一種具有高可靠性的控制機(jī)是劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。基于CompactPCI總線的工控機(jī)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(diǎn)。CompactPCI總線是一個(gè)開放的總線標(biāo)準(zhǔn)，硬件成本大大低于VME等傳統(tǒng)高可靠控制平臺(tái)，軟件架構(gòu)與商用PC完全兼容。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(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。，基于CompactPCI控制機(jī)的HEJ-2000型劍桿織機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，大大減少了使用者的維護(hù)費(fèi)用，得到用戶的一致好評(píng)。
本文論述的HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)硬件的核心部分采用CompactPCI工控機(jī)和CompactPCI數(shù)據(jù)采集卡。軟件部分的運(yùn)行平臺(tái)基于DOS，開發(fā)語言為Borland C++ 3.1。控制程序控制織機(jī)各部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，并綜合運(yùn)用各種算法對(duì)經(jīng)紗張力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
織機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分
2． 1 統(tǒng)硬件方案
HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的硬件方案為：
①采用基于CompactPCI總線的工控機(jī)及其數(shù)據(jù)采集卡。
②采用電子送經(jīng)：選用三菱公司的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)。伺服電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)織軸，通過壓力傳感器測(cè)量經(jīng)紗張力，張力信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后控制伺服電機(jī)保持穩(wěn)定的送經(jīng)量和經(jīng)紗張力。
③采用電子卷取，以實(shí)現(xiàn)均勻的織物緯密。
④采用電子多臂和電子選緯。
⑤選擇可靠的電氣元件，設(shè)計(jì)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(qiáng)的抗干擾能力、很好的穩(wěn)定性和可靠性。
2． 2 制系統(tǒng)硬件的核心部分
2.2.1 CompactPCI工業(yè)控制計(jì)算機(jī)
HEJ-2000型劍桿織機(jī)采用凌華科技有限公司的cPCIS-2650 型工控機(jī)。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系統(tǒng)。考慮到織機(jī)工作環(huán)境溫度高、震動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)，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(chǔ)介質(zhì)采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip電子盤，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)要求。
基于CompactPCI總線的工控機(jī)采用有如下優(yōu)點(diǎn)：
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(jī)架采用歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)，適配卡垂直插入機(jī)箱，有利于通風(fēng)冷卻。
適配卡可前后走線，便于連接外設(shè)。
適配卡四周分別由定位螺絲、導(dǎo)軌和針孔連接器固定，抗沖擊和震動(dòng)。
適配卡可帶電熱插拔，可選配冗余電源，便于維護(hù)。
。CompactPCI制定了嚴(yán)格的抗靜電和接地規(guī)定，適合工作在靜電較強(qiáng)的場(chǎng)合
與標(biāo)準(zhǔn)的PCI芯片和軟件兼容，可在商用機(jī)上編程后灌入既可進(jìn)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(jī)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(hào)為cPCI－9112，此卡的采樣頻率為100KHz，具有 16路單端或8路差動(dòng)輸入，2路DA輸出、16路DI和16路DO。DA卡的型號(hào)為cPCI－6208，它有 8路DA輸出，分辨率為16位。DI/DO卡的型號(hào)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(hào)接口板的使用實(shí)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(dòng)器等）的控制輸出和信號(hào)燈的顯示等。
3． 機(jī)控制系統(tǒng)軟件部分
3． 1 控制算法
對(duì)于劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)來說，控制的關(guān)鍵是經(jīng)紗張力。控制好經(jīng)紗張力才能保證良好的布面質(zhì)量。在織機(jī)主軸的一個(gè)回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，因開口、打緯、送經(jīng)、卷取的作用會(huì)引起張力的變化，隨著織機(jī)轉(zhuǎn)速的日益提高，對(duì)經(jīng)紗張力的動(dòng)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(shí)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(jī)運(yùn)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(jī)干擾和采樣器的不穩(wěn)定有時(shí)使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，所以采用限幅濾波，即：
當(dāng)y(n) > yH時(shí)，則取y(n) = yH
當(dāng)y(n)< yL時(shí)，則取y(n) = yL
當(dāng)yL< y(n) < yH時(shí)，則取y(n)
這里y(n)為當(dāng)前采樣值，yH為上限值，yL為下限值
（3）、死區(qū)非線性法
當(dāng)采樣變化在一定范圍時(shí)，仍保持原來的采樣值，可減少運(yùn)算以提高實(shí)時(shí)性和避免振蕩。即：
當(dāng) y(n)- y(n-1) < k 時(shí)，則取y(n) = y(n-1) .
（4）、滑動(dòng)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(jì)算機(jī)給送經(jīng)電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)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(jì)算在織機(jī)主軸角度0 o時(shí)進(jìn)行。采取的增量式PID 控制的計(jì)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(shè)定值，A、 B、 C為PID控制參數(shù)。此外 cont 不小于零，當(dāng)cont < 0 時(shí)，令 cont = 0 。
（6）、滯后控制
當(dāng)織機(jī)在短時(shí)間停車后又開車時(shí)，張力傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的擾動(dòng)。若此時(shí)計(jì)算機(jī)采樣，則采到的是錯(cuò)誤的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)會(huì)使計(jì)算機(jī)輸出較大的送經(jīng)量，相應(yīng)地送經(jīng)電機(jī)錯(cuò)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(shí)踐證明，織機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的前幾緯內(nèi)仍按照原來的送經(jīng)量送經(jīng)，計(jì)算機(jī)不必進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，織造完前幾緯后，張力恢復(fù)正常，經(jīng)紗張力的控制仍按原來的綜合控制算法進(jìn)行。
3．2 軟件總體方案
由于DOS的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性較好，HEJ-2000型劍桿織機(jī)控制軟件的操作系統(tǒng)選用了DOS平臺(tái)，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(hù)，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(jī)上電初始化后，織機(jī)主軸每轉(zhuǎn)1°，主軸上的編碼器有一次中斷申請(qǐng)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，依次運(yùn)行各個(gè)模塊，當(dāng)主軸停轉(zhuǎn)時(shí)由軟件實(shí)現(xiàn)中斷申請(qǐng)。
4．結(jié)論
由于織機(jī)處于高溫、高濕、粉塵、靜電的工作環(huán)境中，加上織機(jī)本身的劇烈震動(dòng)，所以劍桿織機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣。選用一種具有高可靠性的控制機(jī)是劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。基于CompactPCI總線的工控機(jī)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(diǎn)。CompactPCI總線是一個(gè)開放的總線標(biāo)準(zhǔn)，硬件成本大大低于VME等傳統(tǒng)高可靠控制平臺(tái)，軟件架構(gòu)與商用PC完全兼容。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(dòng)化等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。，基于CompactPCI控制機(jī)的HEJ-2000型劍桿織機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，大大減少了使用者的維護(hù)費(fèi)用，得到用戶的一致好評(píng)。
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