1、 空氣包覆紗機(jī)分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)劉金華1，彭芳1，麥醒強(qiáng)2（1電子科技大學(xué)中山學(xué)院，廣東中山，528402；2 中山市宏圖精密機(jī)械制造有限公司，廣東中山，528455）摘要：針對(duì)空氣包覆紗機(jī)小批量、多品種、高技術(shù)含量的柔性化生產(chǎn)要求，本文基于RS485/Modbus總線設(shè)計(jì)出新型分布式控制系統(tǒng)，克服了集中式控制不能實(shí)現(xiàn)單錠單控的缺點(diǎn)。在介紹空氣包覆紗機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成、軟件流程、modbus協(xié)議、人機(jī)界面等做了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。運(yùn)行實(shí)踐表明，分布式控制方式增強(qiáng)了機(jī)器的通用擴(kuò)展性，提高了靈活性和數(shù)據(jù)處理速度,保證每一錠位能夠獨(dú)立、高效、高品質(zhì)生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：空氣包覆紗機(jī)；分

2、布式控制系統(tǒng)；Modbus協(xié)議中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1 引言空氣包覆紗機(jī)是一種紗線加工機(jī)器，它把從氨綸喂入裝置中輸送出來的氨綸以一定的牽伸比與無捻長(zhǎng)絲（錦綸/滌綸DTY）經(jīng)過空氣包覆裝置在壓縮空氣作用下網(wǎng)絡(luò)包纏，使兩根或更多根具有不同物性的纖維交纏形成一根紗線空氣包覆紗ACY（AIR-COVERING YARN）?？諝獍布喪且环N新型彈力紗線，兼具氨綸的彈性和纖維本身性能，為無縫內(nèi)衣、彈性服裝和其它彈性織物優(yōu)良的織造原料。國(guó)內(nèi)原有的空氣包覆紗機(jī)大多由普通絡(luò)筒機(jī)加裝一套簡(jiǎn)易的氨綸輸送裝置、網(wǎng)絡(luò)噴嘴裝置而成，成本低廉，變換產(chǎn)品品種及更改工藝麻煩，由于結(jié)構(gòu)功能的限制，只能低效生產(chǎn)一些

3、檔次低的或粗旦的空氣包覆紗（如用于牛仔服裝），生產(chǎn)細(xì)旦紗線會(huì)出現(xiàn)紗線斷頭多、漏網(wǎng)多、牽伸倍數(shù)不均等缺陷。隨著機(jī)電一體化控制理念的深入，計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)在紡織機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用，紡織機(jī)械的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度逐漸提高。近年來，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)一些新型空氣包覆紗機(jī)，采用變頻調(diào)速技術(shù)，減少了工藝齒輪、帶輪等復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的困擾，能夠生產(chǎn)一些高品質(zhì)的細(xì)旦空氣包覆紗線。但都屬于集中控制型，一臺(tái)機(jī)器多個(gè)錠位只能以一種工藝生產(chǎn)一個(gè)品種，無法滿足廠家的小批量、多品種、高技術(shù)含量的柔性化生產(chǎn)要求。本系統(tǒng)針對(duì)上述要求，應(yīng)用PLC、觸摸屏、變頻器、分布式控制器，基于Modbus總線設(shè)計(jì)出分布

4、式單錠單控控制系統(tǒng)。每一錠位開發(fā)出分布式控制器,由它負(fù)責(zé)該錠位的啟停、工藝參數(shù)調(diào)整、斷紗報(bào)警接駁，且具備防凸邊、防疊繞、紗線上油等功能，將集中式的錠位控制改為分布式的單錠單控，增強(qiáng)了機(jī)器的通用擴(kuò)展性，提高了靈活性和數(shù)據(jù)處理速度,保證每一錠位能夠獨(dú)立、高效、高品質(zhì)生產(chǎn)。2 空氣包覆紗機(jī)工作原理與工藝流程空氣包覆紗機(jī)單錠技術(shù)方案機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由：原紗架，氨綸喂入裝置（V1），牽伸喂入裝置（V2），空氣包覆裝置，主牽引裝置（主牽伸輥V3），卷繞裝置(卷繞輥V4、橫動(dòng)槽筒V5等)，上油裝置等部分組成。 工作原理如下：氨綸絲以一定牽伸倍數(shù)經(jīng)氨綸喂入裝置V1送出，經(jīng)短導(dǎo)絲器2到達(dá)牽伸喂入裝置V2

5、，同時(shí)位于機(jī)架上方的活動(dòng)式原紗架上的錦綸或滌綸DTY，經(jīng)導(dǎo)絲器1、3、紗線監(jiān)紗器S錦、導(dǎo)絲器4也進(jìn)入牽伸喂入裝置V2。隨后氨綸經(jīng)氨綸監(jiān)紗器S氨與錦綸進(jìn)入空氣包覆噴嘴6進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)包纏，進(jìn)入主牽伸輥V3，再經(jīng)導(dǎo)絲輪，上油裝置進(jìn)入高速卷繞裝置V4，經(jīng)橫動(dòng)槽筒V5進(jìn)行卷裝，工藝流程圖如圖2所示。圖1 單錠技術(shù)方案機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 空氣包覆紗線生產(chǎn)工藝流程圖Fig1. The mechanical structure diagram of single-spindle Fig2. Production process flow chart of yarn3硬件設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備工藝要求,設(shè)計(jì)出如圖3所示的系

6、統(tǒng)總體框圖。人機(jī)界面采用威綸通觸摸屏MT6100i，PLC采用三菱FX2N-16MR, 分布式控制器主要由兩塊MC51單片機(jī)組成。圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig3. The total structure of system人機(jī)界面。觸摸屏除了可以實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)上的按鈕功能啟動(dòng)、停止外，主要用來進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)定、生產(chǎn)狀態(tài)的顯示、故障報(bào)警如某錠位斷紗等。上述工藝參數(shù)和操作信號(hào)通過RS-232送至PLC?？删幊炭刂破鱌LC。PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，由于錠位多，最多可達(dá)48錠。現(xiàn)有的集中式控制方式，設(shè)備控制完全由PLC實(shí)現(xiàn)，各種信號(hào)集中到PLC，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，如要實(shí)現(xiàn)單錠單控，控制信號(hào)

7、將會(huì)數(shù)倍增加，使 PLC負(fù)荷極大，會(huì)出現(xiàn)處理滯后以及數(shù)據(jù)丟失的情況。所以，集中式控制方式只能采用整臺(tái)機(jī)器多個(gè)錠位以一種工藝加工紗線產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)采用開放式的架構(gòu)，借鑒分布式網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念，將各錠位功能分配到分布式控制器中，所有錠位通過RS485接口，基于Modbus協(xié)議形成一個(gè)小型局域網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。由于PLC只需要接收觸摸屏的請(qǐng)求命令以及最終數(shù)據(jù)的集中傳輸，即使增加多個(gè)錠位也不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)堵塞以及運(yùn)算速度下降的問題。因此，基于Modbus總線結(jié)構(gòu)的分布式單錠單控空氣包覆紗機(jī)可以適應(yīng)各種錠位配置的需要，毫無困難地增加或者刪除錠位，不影響整臺(tái)機(jī)器的總體運(yùn)行。分布式控

8、制器分布式控制器原理圖如圖4所示。圖4 分布式控制器原理圖Fig 4. The structure figure of distributed controller 同步控制單元由于包覆紗機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求較高，為實(shí)現(xiàn)速度的協(xié)調(diào)控制及成本考慮，將主牽引輥V3作為整個(gè)速度鏈的主點(diǎn)，利用變頻器的閉環(huán)控制功能，用編碼器測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋給變頻器，組成精度較高的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。其它4個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定經(jīng)驗(yàn)速比。在系統(tǒng)運(yùn)行中，還可隨機(jī)調(diào)節(jié)最佳速比以達(dá)到速度的協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到間接的張力平衡。V1、V2、V4、V5變頻器采用匯川MD021S0.2L-HT專用型變頻器，開環(huán)u/f控制方式，驅(qū)

9、動(dòng)0.2kW 三相異步交流電機(jī)V1、V2、V4、V5。V3變頻器采用匯川MD380S0.4變頻器，有速度傳感器矢量閉環(huán)控制方式，驅(qū)動(dòng)0.2kW 三相異步交流電機(jī)V3 。變頻器的頻率給定信號(hào)包含速度頻率、啟動(dòng)頻率、剎車頻率信號(hào)等，通過分布式控制器RS485接口輸出給變頻器，實(shí)現(xiàn)用數(shù)字頻率給定取代模擬量頻率給定, 易于控制，同時(shí)避免了模擬量易受干擾的缺點(diǎn)。錠位的啟動(dòng)/停止信號(hào)除了可以由上位機(jī)給出外，還可以通過該錠位上的啟動(dòng)/停止按鈕實(shí)現(xiàn)。（b）輔助單元。包含上油驅(qū)動(dòng)器、四級(jí)防凸驅(qū)動(dòng)器、氣路開關(guān)等。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝要求，4個(gè)錠位合用一個(gè)上油驅(qū)動(dòng)器、四級(jí)防凸驅(qū)動(dòng)器。上油驅(qū)動(dòng)器由單片機(jī)信號(hào)接收和處理電

10、路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，上油量可根據(jù)生產(chǎn)品種纖度不同在觸摸屏設(shè)定。四級(jí)防凸驅(qū)動(dòng)器除了上述電路之外，還需增加一個(gè)光電傳感器，以檢測(cè)紗線的行程，有利于紗線良好成型，避免紗線凸邊、重疊。氣路開關(guān)采用電磁閥式，隨著錠位開停而自動(dòng)通斷，起到節(jié)能的作用。（c）監(jiān)紗傳感器。采用光電傳感器監(jiān)測(cè)氨綸、錦綸/滌綸DTY是否斷紗，斷紗信號(hào)通過分布式控制器返回給PLC，在觸摸屏上顯示，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，以便于操作人員及時(shí)接駁斷紗。4 軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用單主機(jī)/多從機(jī)的組網(wǎng)方式， PLC為主機(jī)，分布式控制器設(shè)定為地址互不相同的從機(jī)，設(shè)定范圍為148，這樣各站點(diǎn)由唯一的標(biāo)志碼識(shí)別。三菱PLC與各分布式控制器之間通過R

11、S485建立起Modbus總線通訊網(wǎng)絡(luò)。4.1 Modbus總線通訊協(xié)議Modbus協(xié)議是一種串行的、非同步的主從通訊協(xié)議，由于其開放性而被廣泛采用。Modbus協(xié)議建立了主機(jī)查詢的格式：設(shè)備（或廣播）地址、功能代碼、要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)碼。Modbus通訊提供ASC II和RTU 兩種通訊格式。為了有較高的傳輸效率，本設(shè)計(jì)選用RTU格式，RTU傳輸模式如表1所示。表1 RTU傳輸模式Table 1 RTU transmission mode起始符地址功能碼數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)碼結(jié)束符T1-T2-T3-T48位8位N*8位16位T1-T2-T3-T4RTU模式?jīng)]有開始和結(jié)束標(biāo)注，如表1所示，消息發(fā)

12、送至少要以35個(gè)字符時(shí)間(T1-T2-T3-T4)的停頓間隔開始，同樣消息結(jié)束也必須至少以35個(gè)字符時(shí)間結(jié)束。8位地址指的是從機(jī)地址，各從機(jī)設(shè)備有效的尋址范圍為1-247，地址0用于廣播地址，所有從機(jī)都能識(shí)別。8位功能碼用于主機(jī)向從機(jī)發(fā)送信息時(shí)，告訴從機(jī)所需要執(zhí)行的動(dòng)作。在系統(tǒng)中，主機(jī)PLC和各分布式控制器通過RS485/Modbus總線構(gòu)成一個(gè)通訊鏈路，采用主從方式的查詢響應(yīng)機(jī)制。所有的通訊發(fā)起都從主機(jī)開始，從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的各項(xiàng)通訊指令。主機(jī)可以向某一個(gè)從機(jī)發(fā)出查詢，也可以向所有從機(jī)廣播信息。從機(jī)只響應(yīng)單獨(dú)發(fā)給它的查詢，而不響應(yīng)廣播消息。從機(jī)的響應(yīng)信息也用Modbus協(xié)議組織，它包括確認(rèn)從機(jī)地

13、址、確認(rèn)動(dòng)作的功能代碼、返回?cái)?shù)據(jù)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。不正常響應(yīng)時(shí)，從機(jī)返回與原始代碼相等效的一個(gè)功能代碼，并把最高有效位置為“1”。4.2 上位機(jī)PLC通信程序上位機(jī)Modbus協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，首先主機(jī)對(duì)串口進(jìn)行初始化，對(duì)所有錠位發(fā)送運(yùn)行參數(shù)消息幀，然后以0.5s為一個(gè)周期對(duì)各個(gè)從機(jī)進(jìn)行輪詢，實(shí)時(shí)判斷從設(shè)備的響應(yīng)消息是否正確，幀錯(cuò)誤或者響應(yīng)超時(shí)都將產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤，并在人機(jī)界面顯示并記錄下來，需要啟動(dòng)重新發(fā)送，幀正確則繼續(xù)查詢。圖5 上位機(jī)PLC通信程序Fig 5. Program flow chart of host computer PLC communication4.3 PLC與分布

14、式控制器通信根據(jù)表1RTU數(shù)據(jù)傳輸模式，數(shù)據(jù)幀第一個(gè)字符為地址數(shù)據(jù), 所以單片機(jī)在接收數(shù)據(jù)時(shí)要區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否是幀的第一個(gè)字符。單片機(jī)定時(shí)器采用中斷計(jì)時(shí)的方式，每接收到一8位數(shù)據(jù)后立即檢測(cè)與上一數(shù)據(jù)的間隔是否大于35字符時(shí)間，若大于則說明該數(shù)據(jù)幀發(fā)送已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)準(zhǔn)備接收到下一幀。分布式控制器程序流程如圖6所示，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀地址碼判斷是否是本機(jī)地址，相同則繼續(xù)接收，否則拋棄；下一步計(jì)算CRC校驗(yàn)碼，并將校驗(yàn)結(jié)果與接收到的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，若相同，說明校驗(yàn)正確，則繼續(xù)解析報(bào)文，否則生成CRC錯(cuò)誤報(bào)文發(fā)送給上位機(jī)并且停止解析。當(dāng)數(shù)據(jù)幀的地址碼、CRC校驗(yàn)碼都正確，則解析主機(jī)功能碼。

15、PLC與單片機(jī)通信主要包括讀寫各個(gè)寄存器單元等，完成Modbus報(bào)文解析后，生成返回報(bào)文響應(yīng)。同時(shí)單片機(jī)把各種運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)執(zhí)行單元，變頻器根據(jù)接收到的電機(jī)運(yùn)行頻率信號(hào)進(jìn)行同步協(xié)調(diào)控制，上油驅(qū)動(dòng)器、防凸驅(qū)動(dòng)器和氣路開關(guān)均可實(shí)現(xiàn)單錠單控，同時(shí)該錠位的斷紗信號(hào)也通過主機(jī)輪詢，從機(jī)應(yīng)答的方式不斷的返回給PLC，這樣單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的功能碼和地址就可以實(shí)現(xiàn)讀寫操作。圖6 分布式控制器的程序流程圖Fig6. Program flow chart of distributed controller 5 控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)觸摸屏選用威綸通觸摸屏MT6100i，根據(jù)其配套軟件EB8000

16、完成觸摸屏的畫面組態(tài)設(shè)計(jì)。觸摸屏主畫面顯示如圖7所示。 SHAPE * MERGEFORMAT SHAPE * MERGEFORMAT 圖7 觸摸屏主畫面顯示Fig7. Key frame displaying of the touch screen顯示畫面說明如下：修改工藝參數(shù)：需先輸入密碼，確認(rèn)權(quán)限，然后輸入工藝參數(shù)：氨綸牽引比、紗線超喂百分?jǐn)?shù)、包覆主速、卷繞張力百分比、上油轉(zhuǎn)速rpm、換筒時(shí)間、防凸邊百分?jǐn)?shù)，啟動(dòng)/停止信號(hào)也可由觸摸屏給出。工藝一覽：此菜單顯示各錠位當(dāng)前的工藝號(hào)，最多可以儲(chǔ)存100個(gè)工藝號(hào)，以備隨時(shí)調(diào)用。其他：包括交接班（產(chǎn)量記錄）、歷史記錄、調(diào)時(shí)、計(jì)時(shí)查詢，故障報(bào)警。5

17、 結(jié)論基于RS485/Modbus協(xié)議的分布式控制系統(tǒng)應(yīng)用于空氣包覆紗機(jī)GV800，實(shí)現(xiàn)了單錠獨(dú)立開停、單錠獨(dú)立設(shè)置工藝參數(shù)、單錠斷紗報(bào)警接駁等多項(xiàng)功能。本系統(tǒng)工藝參數(shù)調(diào)整操作簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)監(jiān)控性強(qiáng)，生產(chǎn)效率大大提高。生產(chǎn)的細(xì)旦紗線質(zhì)量好，外觀成形優(yōu)良，能夠滿足出口用彈性服裝的織造要求。參考文獻(xiàn)紡織機(jī)械M.北京:中國(guó)紡織機(jī)械器材工業(yè)協(xié)會(huì).2002,N0.3.textile machinery.Beijing: China Textile Machinery equipment industry Association.2002,N0.3.紡織機(jī)械M.北京:中國(guó)紡織機(jī)械器材工業(yè)協(xié)會(huì).2003,N0.

18、4.textile machinery.Beijing: China Textile Machinery equipment industry Association.2002,N0.4.趙松年，李恩光，裴仁清.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.Zhao Songnian,Li Enguang,Pei Renqing. Mechanical and electronic integration system designM.Beijing: China Machine Press,2004.三菱電機(jī)。三菱FX系列PLC -三菱PLC編程手冊(cè)M,2008.Mitsubishi

19、 Electric. Mitsubishi PLC FX series- Mitsubishi PLC programming manualM,2008. 5深圳市威綸通EB8000宏指令實(shí)例，2012.Macroinstruction examples of Shenzhen WEINVIEW EB8000,2012. 6 朱小超，徐雪春.基于Modbus協(xié)議的上位機(jī)與單片機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)與仿真J.儀表技術(shù)與傳感器，2011（6）：65-68.Zhu Xiaochao,Xu Xuechun. Implementation and Simulation of Communication betwe

20、en Host Computer and MCU Based on Modbus Protocol. Instrument Technique and Sensor，2011（6）：65-68.作者簡(jiǎn)介：劉金華，女，漢族，1981年10月，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)應(yīng)用，電機(jī)變頻控制等。工作單位：電子科技大學(xué)中山學(xué)院地址：廣東省中山市石岐區(qū)學(xué)院路1號(hào)，郵編528402，電 HYPERLINK mailto:郵箱29565575 郵箱29565575。A Design of Distributed Control System of Air Covering Y

21、arn MachineLiu Jinhua1,Peng Fang1， Mai Xingqiang2 (1 Zhongshan Institute of UESTC,Zhongshan City of Guangdong Province, 528403；2 Zhongshan Hongtu Precision Machinery Manufacturing Co., Ltd，Zhongshan City of Guangdong Province, 528455)Abstract: Aiming at production requirements of air covering yarn machine ，such as low - volume, multi - species, high - tech products，a new design of distributed control system based on RS485/Mo