目前，國內(nèi)有很大一部分無梭織機為機械式送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)。 事實表明，機械式送經(jīng)卷取使得織機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制精度低、滯后嚴(yán)重，柔性差。 隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制器件的出現(xiàn)，劍桿織機電子送經(jīng)卷取將逐步取代機械式送經(jīng)卷取。 目前，國內(nèi)電子送經(jīng)巻取系統(tǒng)一般采用工控機或單片機等作為主控制器。 工控機功能強大，控制效果好，但其體積較大而且價格昂貴，也不適于集散控制系統(tǒng)。 單片機等控制器的成本較低，生產(chǎn)制造容易，但是穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力較差，維護費用較高。 而國外的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般集成在整個織機控制器中，專用于織造特定布匹的織機上，柔性較差，而且對用戶來講成本也非常高。 在這種情況下，本文以瑞士SAURER400 型劍桿織機為研究對象，在此基礎(chǔ)上采用PLC、伺服電機和觸摸屏來控制織機的送經(jīng)卷取，設(shè)計了一套精度高、性能穩(wěn)定的電子控制系統(tǒng)。 實驗結(jié)果表明，此控制系統(tǒng)加強了織機的工作穩(wěn)定性和可靠性，提高了織機的控制精度和織造效率，降低了織機停開車稀密路并減少了紗線斷頭，同時也使織機更加現(xiàn)代化。

1 SAURER400工作原理

　　經(jīng)緯紗線在織機上交織的整個過程，是通過5 大運動實現(xiàn)的，即開口運動、引緯運動、打緯運動、送經(jīng)運動、卷取運動，每個運動都要完成特定的功能。 本文主要研究送經(jīng)卷取對經(jīng)紗張力的影響。 劍桿織機送經(jīng)和卷取運動要確保整個織造生產(chǎn)過程持續(xù)進行。 送經(jīng)、卷取系統(tǒng)根據(jù)緯密的高低從經(jīng)軸上送出相應(yīng)長度的經(jīng)紗，同時及時地將已經(jīng)織成的織物引離織口并卷成一定形式的卷裝。 同時系統(tǒng)還要對經(jīng)紗張力進行動態(tài)控制。 張力是影響織物質(zhì)量的一個重要因素，張力過小，會造成開口不清，影響引緯；張力過大，經(jīng)紗容易疲勞，易造成斷裂。 劍桿織機的5 大運動都會對張力產(chǎn)生影響，而送經(jīng)和卷取運動是控制張力的重要環(huán)節(jié)。 為實現(xiàn)以上兩方面的功能，本文設(shè)計采用了交流伺服電機作為送經(jīng)卷取電機，并在后梁和調(diào)節(jié)彈簧之間安裝了壓力傳感器。 根據(jù)緯密和壓力傳感器測量的平均值可以實時調(diào)節(jié)送經(jīng)電機轉(zhuǎn)動量；根據(jù)緯密可以計算送經(jīng)電機基本速度和卷取電機轉(zhuǎn)速。在主軸上還安裝一個編碼器實現(xiàn)織機主運動和送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)的同步。 本設(shè)計所采用的編碼器精度為1 000 線，電子送經(jīng)卷取機構(gòu)原理示意圖如圖1 所示。

圖1 電子送經(jīng)卷取原理示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 可編程控制器的選取

　　根據(jù)設(shè)計要求，考慮到機器的穩(wěn)定性，本設(shè)計采用高穩(wěn)定性和抗干擾能力強的控制器件PLC 作為織機送經(jīng)卷取的核心控制器。 目前，幾乎所有PLC 均支持通過RS-232 和RS-485 等標(biāo)準(zhǔn)的串口通信接口進行通信。 本文選用羅克韋爾公司MicroLogix1500 PLC作為核心控制器，它給用戶提供兩個RS-232 通信接口，分別為8 針非隔離型和9 針隔離型可實現(xiàn)有協(xié)議通信和RS-232無協(xié)議通信。 使用專用的通信模塊，可以通過以太網(wǎng)、DH-485、Control Area Net 等網(wǎng)絡(luò)通信。由于PLC 具有兩組通訊口，因此PLC 與觸摸屏、伺服驅(qū)動器之間的通訊非常方便。

　　2.2 伺服電機及其驅(qū)動器的選取

　　伺服電機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。 本文選用德國BOB 公司生產(chǎn)的BD18 型交流伺服電機，扭矩為4 Nm，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，輸入電壓為3PH 200~230V，頻率為50/60 Hz，輸出電流為5.0 A。

　　驅(qū)動器采用BERGER LAHR 公司生產(chǎn)的WDP3SERVOTEX 型伺服電機驅(qū)動器，此驅(qū)動器通過上位控制器PLC 發(fā)送的脈沖序列來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速和位置。 其工作原理簡單概括為：伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。

2.3 人機界面的選取

　　人機界面將采用觸摸屏來完成整個控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定、參數(shù)顯示以及系統(tǒng)監(jiān)控。 本設(shè)計選用HITECH公司PWS1711系列觸摸屏，此觸摸屏的通訊接口包括COM1（RS232、RS485）和COM2（RS232、RS422、RS485）。 其中RS232口用于PC 機通訊，RS422口用于PLC通訊。

　　2.4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖及電路圖

　　本文設(shè)計的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)選用一臺觸摸屏、一臺PLC、兩臺伺服驅(qū)動器、兩臺伺服電機、兩臺減速器、一個編碼器、一個張力傳感器以及SAUR原ER400型劍桿織機一臺。具體的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　本文所設(shè)計的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)電源輸入端為交流三相380 V，首先要經(jīng)過變壓器，其輸出電壓為交流三相220 V。變壓器輸出電源分為兩部分：一部分供給送經(jīng)驅(qū)動器和卷取驅(qū)動器，然后分別帶動送經(jīng)和卷取伺服電機運轉(zhuǎn)；另一部分經(jīng)過AC-DC 開關(guān)電源輸出直流24 V電壓，給控制系統(tǒng)供電. 具體的控制系統(tǒng)硬件電路簡圖如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件電路簡圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 PLC編程

　　PLC 最常用的編程語言是梯形圖和指令語句表語言，且兩者常常聯(lián)合使用. 本文采用AB PLC Mi原croLogix1500 編程軟件進行程序編制，編寫程序時要結(jié)合觸摸屏畫面的設(shè)計進行考慮. 其主程序流程圖如圖4 所示。

3.2 人機界面設(shè)計

　　觸摸屏的畫面在其支持軟件上制作，通過軟件工具庫的工具調(diào)用以及相關(guān)項的設(shè)定或通過宏定義可設(shè)計出所需畫面。 這些畫面從個人電腦傳送到觸摸屏即可使用，而觸摸屏與PLC 通過RS-422通信電纜連接可實現(xiàn)信息互通。在畫面的設(shè)計調(diào)試過程中，也可從觸摸屏上傳畫面到計算機對畫面進行修改。

　　為了使觸摸屏顯示控制所要的界面，本文采用了HITECH公司自己開發(fā)設(shè)計的ADP3.0 圖形終端顯示屏幕專業(yè)軟件包進行編程。 它的窗口界面直觀形象，功能完善，可以方便地讀取和寫入PLC 端口及其存儲器的數(shù)據(jù)。 人機對話界面是用戶設(shè)定工藝參數(shù)的關(guān)鍵，在系統(tǒng)中共有5 組主菜單，分別為“首頁畫面”、“系統(tǒng)管理”、“參數(shù)設(shè)定”、“狀態(tài)顯示”、“幫助信息”。其中，“首頁畫面”顯示設(shè)備的名稱及型號等相關(guān)的信息；“系統(tǒng)管理”是出于工藝保密性和系統(tǒng)安全性而設(shè)置的口令體系，以防止非法操作；“參數(shù)設(shè)定”包括送經(jīng)和卷曲的速度、經(jīng)紗張力、關(guān)車方式選擇；“狀態(tài)顯示”是顯示機器運行時各個伺服電機驅(qū)動器的頻率變化和故障報警信息；“幫助信息”是用于幫助用戶解決問題的，它包括觸摸屏維護、參數(shù)說明、操作注意事項等。 選擇這組菜單，還可得到“報警信息”的解決方法。

　　本文以首頁界面的設(shè)計為例，在PC 上創(chuàng)建一個首頁畫面，利用工具庫中Screen Drawing 工具，制作出系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)顯示、幫助信息、開車、停車界面，而且有相應(yīng)的觸摸按鈕，可用字符串對按鈕進行標(biāo)注和說明。用戶按相應(yīng)的按鈕就可以切換到相應(yīng)的畫面，再作進一步的操作。首頁界面設(shè)計如圖5所示。

圖5 首頁畫面

　　3.3 PLC 與伺服驅(qū)動器通信方式的設(shè)置

　　實現(xiàn) PLC 與伺服驅(qū)動器的通信能夠?qū)崟r準(zhǔn)確獲取電機的狀態(tài)信息及在線修改伺服電機的參數(shù)設(shè)置，以便能更直接、簡便地控制伺服電機，同時為人機界面提供實時的電機狀態(tài)數(shù)據(jù)。 為了保證 PLC 與交流伺服驅(qū)動器的正常通信，除了要了解通信協(xié)議外，還必須正確設(shè)定其通信方式，即采用統(tǒng)一的波特率、起始位、數(shù)振位、停止位和奇偶校驗位，據(jù)此建立雙方通信的應(yīng)答信號。

4 實驗結(jié)果及分析

　　實驗過程中，設(shè)定實驗條件為：試樣采用平紋毛/滌織物，經(jīng)緯紗線密度均為 58。3 tex，經(jīng)緯向密度均為18 根/cm，織機幅寬為 176 mm，主軸轉(zhuǎn)速為 320 r/min，溫度為 28 益，相對濕度為 65%。 本文采用的張力傳感器輸出電壓為 0~10 V（即 0~10 000 mV），最大量程為100 kg，經(jīng)紗張力大小在顯示屏上以電壓值（mV）來表示。 將電壓值轉(zhuǎn)換為經(jīng)紗張力值，張力傳感器輸出電壓的最大值 10 000 mV 對應(yīng)傳感器的最大量程 100kg，再根據(jù)牛頓公式 F = mg 算得最大經(jīng)紗張力為 980N。 因此，在顯示屏上設(shè)定的電壓值 5 500 mV 轉(zhuǎn)換為經(jīng)紗張力值大小是 539N。采集的實驗數(shù)據(jù)如表 1 所示。由實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)緯密在 14.9~21.0 根/cm 范圍之間變化時，經(jīng)紗張力下限的平均值為 524.3 N，經(jīng)紗張力上限的平均值為 553.8 N，再根據(jù)經(jīng)紗張力設(shè)定值539 N 可計算出經(jīng)紗張力的控制精度為依2。7%。 當(dāng)緯密在 12.0~24.0 根/cm 范圍之間變化時，經(jīng)紗張力下限的平均值為 603.5 N，經(jīng)紗張力上限的平均值為 652.5 N。很明顯，經(jīng)紗張力波動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所設(shè)定的張力值。 因此可得出結(jié)論，當(dāng)緯密小于等于經(jīng)紗密度的 1.2 倍時，緯密的設(shè)定值與實際值非常接近，而且此條件下的張力控制精度很高（即張力波動范圍很小）；當(dāng)緯密大于經(jīng)紗密度的 1.2 倍時，緯密的設(shè)定值與實際值相差很大，而且此條件下的張力波動范圍也非常大。 所以，只有保證織機的緯密小于等于經(jīng)紗密度的 1.2 倍，該織機才具有良好的制造效果，這樣既可以保證布匹的質(zhì)量，同時又能提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 論

　　（1）電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)采用兩套獨立的傳動源，減少了相互間的干擾，這使得經(jīng)紗張力檢測更加準(zhǔn)確、控制精度更高，而且電子送經(jīng)卷取的緯密設(shè)置非常方便。

　?。?）采用 PLC 作為織機送經(jīng)卷取的核心控制器，使得織機的工作穩(wěn)定性和可靠性均有了很好的改善；人機界面采用觸摸屏，使得參數(shù)設(shè)定和在線修改參數(shù)更加方便，從而使控制系統(tǒng)更加人性化。

　?。?）對伺服系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整實質(zhì)上是對伺服控制系統(tǒng)中各個參數(shù)值的確定，由于各個參數(shù)之間的關(guān)系很復(fù)雜，需要不斷的試驗，找到最優(yōu)的組合，才能充分發(fā)揮伺服電機的高性能，才能滿足更精確的送經(jīng)卷取要求。