杭州汇坤控制技术有限公司 陈忠农 叶远雄/文

1 剑杆织机行业背景

织机作为纺织机械中机电一体化技术水平最高的典型纺织机械，在我国纺织行业中广泛使用，在纺织生产中占有重要地位，因此它的研发工作具有重要的社会和经济效益。

近几年来，电气技术、计算机技术和控制理论的迅猛发展与完善推动了织机进一步发展。织机的种类繁多，按不同的特征可分为不同的种类。如按引纬方式可分为有梭织机和无梭织机两种。有梭织机即为有梭子引纬的常规织机，无梭织机包括喷气织机、喷水织机、剑杆织机、片梭织机等。

在中国纺织工业联合会《纺织工业“十二五”科技进步纲要》中已明确指出，针对纺织机械的研究重点，紧密围绕纺织工业结构调整的需要，重点突破一批高新技术纤维专用装备，提升传统纺机技术水平和可靠性水平，加快纺机产品差异化、模块化，研制高性能产业用纺织机械和节能减排型纺织机械，提高纺机专用件和配套件的技术水平，加强纺机企业的技术改造，提高“两化”融合水平，促进纺机企业的工艺技术进步和机床数控化率。织造设备重点发展新型模块化无梭织机、高速毛巾织机等差异化织机、特种织机，到2015 年完成产业化研发，并形成一定数量的市场销售。织造设备重点推广机电一体化喷气织机、剑杆织机等，2015 年高档无梭织机自主化率达到25%～35%。

在可以遇见的未来，织机发展的趋势是向“四高”方向发展，即：高速度、高效率、高节能、高可靠性，具有这些相关特征的织机也常被称为新型高速织机，同时随着计算机控制技术和人工智能的发展，未来织机自动化水平将进一步发展，并且人性化和智能化也将进一步提高。

剑杆织机由开口、引纬、打纬、送经和卷取五大运动机构及相关的探纬、电子多臂、提花等辅助装置组成。各运动机构中只有打纬和引纬运动可直接通过机械传动实现，其他运动机构及辅助装置均需采用电气控制技术适应织机的高转速。与此同时，织机的所有动作均与织机的角度密切相关，它对系统I／O信号的响应速度、处理时间、定位停车的位置、磁铁的开关角度以及送经、卷取系统的控制性能都有非常高的要求。如何提高剑杆织机入纬率和可靠性，进行织机结构动力学优化设计适应高速运动的研究，解决高速剑杆引纬技术、电子送经与电子卷取高精度驱动技术、智能化电控系统技术、可靠性技术和送经张力补偿等织造工艺技术都是实现高性能剑杆织机控制系统的基本条件。因此，剑杆织机的电控系统需要采用高性能处理器，且对控制网络的实时性要求也较高。目前国内的剑杆织机生产厂家多采用单CPU或单PLC的主从式多级控制系统，或者基于RS-485的、由16位单片机组成的集散控制系统，存在功能简单、自动化水平较低、控制精度较低、故障率较高的缺点，难以满足高速织机对电气控制系统的要求。

2 剑杆织机系统设计

鉴于上述产品及技术存在的不足，我们以工艺模块化为思路，以多核的方式将工艺区隔，拟开发设计带有剑杆工艺底层的主控制器，多臂控制器，电送电卷控制器等自成系统的模块，并将变纬密、停撬、空纬、开停车补偿、物联网技术等新的需求融入各个模块中，以适应剑杆织机提高转速，生产高品质织物等技术性难题。且主控制器只负责简单的逻辑控制，我们专门针对用户个性化控制的需求开发一款带PLC编程功能的软件，并对主控部分进行2次修改，最终达到用户个性化的定制需求。

该系统包含:主控PLC，引纬控制器，送经卷取伺服一体机，电子多臂控制器，探纬板，电源板，编码器信号板，物联网等模块。

织机主轴编码器信号先经过信号处理卡，把原来的1路信号转化成4路信号，信号分别进入主控PLC，送经卷取，电子多臂等内置工艺的独立控制模块,具体控制工艺如图1所示：

图1 控制工艺

项目研究开发内容包括：

1）一款带有剑杆基础工艺的主控制器，并开发带有PLC编程功能的软件，提供给用户进行2次开发，满足客户个性化的需求。除此之外，主控制系统还需集成物联网扩展的功能。

主控PLC的设计包括：运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和提高处理速度，物联网，并可用PLC软件实现可编程，软件各部分由上至下执行，直到主程序的所有网络都扫描执行完毕，还有各定时器的刷新、例行的通讯等数据的处理后，系统程序将Y寄存器缓存区的变量状态输出到Y硬件端口中。

硬件原理图如图2所示：

图2 主控制系统硬件原理图

2）基于USB接口的高速电子多臂专用控制器的研究，实现高速数据交互、数据处理以及掉电时的数据保存，实现多花纹文件存储和修改，并可独立控制的自成系统的电子多臂专用器。

硬件原理如图3所示：

图3 高速电子多臂专用控制器硬件原理图

研究方向采用的32位工业级嵌入式ARM微处理器，能够在织机转速为2000转/分钟的情况下，将误差控制为±2度的控制精度。采用多样的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的组合，满足不同数据的需求，从而达到高速、稳定、大存储量的运行系统，通关软件工艺实现上百个文件存储，并支持实时的编辑。设计编码器、传感器通用输入电路满足用户的使用需求；设计使用国产USB芯片，实现USB接口的双向数据交互。设计易用性软件：包括PC环境下的用户电子多臂花纹编辑系统，电子多臂信号输出端口功能用户自定义，选色端口功能用户自定义来满足用户需求；通过接入编码器信号（也可以是传感器信号）以及织机控制的按钮信号后，自成独立的控制系统。

3）项目研发了基于送经卷取工艺与伺服驱动技术相结合的专用送经卷取控制伺服驱动一体机。

在我们的剑杆织机方案中，电子送经和电子卷取伺服接收必要的外部信号，伺服驱动器内部执行工艺控制计算，并控制经轴和卷布辊运动。因而，电子送经的控制也由电子送经伺服内部实现，在织造过程中，送经主要的职能为控制送纱线的张力恒定，卷取的主要职能为控制卷布的速度与主轴速度同步，进而保证纬密恒定。

变纬密是一项纬密在织造状态下根据花纹需要实时变更的技术。关键技术和难点在于，对于送经伺服，如何处理由纬密突变、卷布速度突变造成的张力突变；对于卷取伺服，如何处理变纬密前后位置指令滤波问题。我们拟采用比例、积分系数快速自整定技术和张力滤波算法技术来解决上述问题。

4）项目的电源控制模块

硬件原理如图4所示：

图4 电源控制模块硬件原理图

基于模块设计的思路和理念，将高压强电部分的控制单独设计，通过光耦隔离的方案，实现双压切换。通过继电器隔离控制接触器。针对高压制动部分设计安全可靠的电压泄放电路。

3 高速剑杆织机系统特色

创新的电子多臂控制技术，解决了传统的手持终端输入花纹以及花纹数据存储容量小，只能存储一个可编辑花纹文件的问题，实现USB，RS485等多种数据交互方式，实现大容量存储功能，并能自成系统独立运行。

软件著作权：电子多臂控制系统软件

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随着电气技术的不断发展，国内纺织领域的自动化进程速度加快，对于织物的品种、质量和织造效率的要求也越来越高，电子多臂技术正是基于这些需求而发展形成的一种高速、高效、花纹多样、自动化控制的开口装置。因此，设计一种高效、稳定、人性化的控制系统是决定电子多臂性能的关键。

该技术的控制实现原理如图5所示：

图5 技术控制实现原理图

电子选纬和电子多臂控制流程：在织机每打一纬之前都要将多臂综框的升降数据和选纬数据发送到控制综框和选纬的电磁阀。控制主要依据是：主轴编码器转角和织机运行方式。控制的流程如图5所示，分快车、慢车正转和慢车反转三种情况，需要注意当快车时，主轴角度超出160。-270。范围时，要将平综控制信息输出到综框控制电磁铁，以保证多臂综框不受损坏。

该项目的专用电子多臂控制技术创新点主要体现在五方面：

1）以往的控制系统采用芯片自带的FLASH存储花纹数据，仅能保存一个最大25000纬的花纹数据，而项目中的控制系统则在此基础上设计采用多样的SRAM、FLASH ROM和EEPROM的组合，满足不同数据的需求，从而达到高速、稳定、大存储量的运行系统，最多支持65535纬的8位选色，8位变纬密、空停、停撬功能，支持20片多臂综框，以及上百个文件的存储和修改。

2）以往的控制系统大都通过通信接口、USB接口直接与PC交换数据，或者通过手持式编程器，以达到写入数据的目的；该项目则在传统控制方案的基础上，增加了USB主从接口电路设计和USB文件系统的软件设计，用户可以使用U盘等移动设备复制、拷贝花纹文件，使得整个操作过程更加人性化，便于用户导入、导出花纹数据。

3）以往控制系统只能支持传感器读取电子多臂的角度信号。该项目则在此基础上，增加传感器和编码器兼容的接口电路，用于读取电子多臂的角度信号，提高了控制的精度，也能兼容传感器控制方式。

4）以往控制系统仅能满足单一织机机种的需求，而该项目设计了能够满足剑杆、喷气、喷水通用的选纬电路。满足任何机种的使用。

5）以往控制系统操作欠人性化。该项目技术在此基础上，增加了满足用户的人性化操作：可以随意调整电子多臂信号输出端口功能和选纬控制信号输出端口功能的顺序；可以随意关闭无需输出的电子多臂信号和选纬控制信号；针对花纹的读取写入，提供了通过人机交互模块和无需使用外接人机交互模块两种模式；增加了开关电源及起检测保护电路，对于短接、反接外部连线起到保护作用。

4 结语

该系统可以选配电子多臂模块，创新的电子多臂控制技术，解决了传统的手持终端输入花纹以及花纹数据存储容量小，只能存储一个可编辑花纹文件的问题，实现USB，RS485等多种数据交互方式，实现大容量存储功能，并能自成系统独立运行；同时本系统还可以支持双送一卷、电送电卷以及伺服机外卷的方案，最大化满足客户的需求。