一种基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统的制作方法

本实用新型涉及控制系统领域，具体涉及一种基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统。

背景技术：

剑杆织机作为无梭织机的一种，在目前纺织行业中应用最为广泛。随着电子技术的飞速发展以及机械结构的不断改进，剑杆织机的速度也在不断提升，与此同时对剑杆织机的控制系统的要求也越来越高。目前，剑杆织机的控制系统主要以plc和单片机为控制核心，但随着嵌入式技术的不断成熟，在织机控制系统中plc因其昂贵的价格正逐步被单片机所取代。现有的控制系统整体集成度不高，造成部分功能和成本的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统，以嵌入式控制技术为核心，集成织机控制的各种功能模块于一体，更加智能化、专用化，能实现高速剑杆织机稳定可靠的控制需求，具有集成度高、灵活性强、智能化程度高等优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统，其特征在于：该控制系统包含主控模块、选纬绞边模块、电子送经卷取模块、主传动控制模块、刹车离合控制模块、储纬器控制模块、热熔丝控制模块、智能人机交互系统和智能故障诊断系统；

所述主控模块包括通讯和下载模块、时钟模块、开关量输入模块、最小系统模块、开关量输出模块、纬纱检测模块、振动检测模块和供电模块，振动检测模块连接安装在织机不同位置上的振动传感器，纬纱检测模块连接纬纱检测器；

主控模块通过rs485或rs232接口与智能人机交互系统的触摸屏进行通讯，通过wifi或以太网接口与智能人机交互系统的网络云平台进行通讯；

主控模块通过rs485接口与编码器通讯；

主控模块与选纬绞边模块、电子送经卷取模块、主传动控制模块、储纬器控制模块、热熔丝控制模块和智能故障诊断系统之间通过canbus接口进行双向通讯；

电子送经卷取模块同时与送经电机和卷取电机双向通信，电子送经卷取模块连接张力传感器；

主传动控制模块连接主电机；

储纬器控制模块连接储纬器，

热熔丝控制模块与热熔丝电连接。

本实用新型的有益效果如下：

1、嵌入式模块化设计，按控制部件功能进行划分，使结构更加清晰明了；增加了储纬器控制模块和热熔丝控制模块，且都通过canbus与主控模块进行通讯，使控制系统更加完整，且集成度更高；主控模块支持多种通讯方式，为后期系统物联化提供了可能；各模块之间通过canbus进行通讯，简化了模块之间的连接形式；

2、根据织机发展不均衡的现状，部分中高档剑杆织机已无慢车结构，而绝大部分中低档剑杆织机仍保留慢车结构，本实用新型将慢车结构的控制部分单独划为一个较独立的功能模块，称为慢车控制模块，用户可根据织机的实际结构增加或删减该模块而不影响其他部分的使用；

3、摘取变频器的变频调速功能和伺服驱动器的速度控制和转矩控制功能，用主传动控制模块和电子送经卷取控制模块代替，满足高速剑杆织机对主电机大扭矩启动和调速的需求，以及满足对送经卷取电机的速度控制和转速控制的需求，能降低开发成本和避免使用变频器和伺服驱动器带来的功能和成本的浪费(现有变频器和伺服驱动器功能较多，对于织机来说并不需要用这些功能，比较浪费)；

4、本实用新型的主空模块中设置振动检测模块，配合安装在织机上的多个振动检测传感器，实时采集织机的振动信号，并通过主控模块的最小系统模块进行处理后，将振动波形通过触摸屏进行显示，同时，振动信号也作为智能故障诊断系统所需分析信号的一种，可以此分析织机运行时的振动状态，并可在织机振动异常时进行故障报警。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的主控模块1的结构示意图；

图3为本实用新型的开关量输出模块15的电路结构图；

图4为本实用新型的纬纱检测模块16的电路结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。

本实用新型为一种基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统，系统结构示意图如图1所示，包含主控模块1、选纬绞边模块2、电子送经卷取模块3、主传动控制模块4、慢车控制模块5、刹车离合控制模块6、储纬器控制模块7、热熔丝控制模块8、智能人机交互系统9和智能故障诊断系统10；

智能人机交互系统包括现场触摸屏和网络云平台。其中现场触摸屏选用昆仑通态的mcgs组态触摸屏，能够在触摸屏上实现监测织机的当前转速、张力、主电机角度、故障等工作状态的功能，并且可以直接在触摸屏上对转速等织机的参数进行修改操作，使得织机的控制更为直观便捷。

上述主控模块1可与外部智能人机交互系统进行数据交互，具体为主控模块1通过rs485或rs232接口与触摸屏进行通讯，用于工业现场织机运行数据的显示及控制信息的输入，通过wifi或以太网接口与网络云平台进行通讯；主控模块1通过rs485接口与编码器通讯，实现对编码器编程和读取角度信号，所述编码器为gas60系列光电编码器，编码器分辨率可根据精度要求自由选择13～16位的支持rs485通讯的光电式编码器；此外，主控模块1与另外的功能模块如选纬绞边模块2、电子送经卷取模块3、主传动控制模块4、储纬器控制模块7、热熔丝控制模块8和智能故障诊断系统10之间通过canbus接口进行双向通讯；选纬绞边模块2用于控制选纬器和绞边器从而实现选纬和绞边功能，电子送经卷取模块3通过读取张力传感器采集的张力信号，控制送经电机和卷取电机从而控制经轴和卷取辊的运行并保持布面张力的稳定，主传动控制模块4用于控制主电机的运行从而带动主轴运动，储纬器控制模块7用于控制储纬器的运动，热熔丝控制模块8用于驱动热熔丝从而熔掉废边，智能故障诊断系统10用于读取和分析主控模块1送出的相关信息，用于故障诊断及预警；

电子送经卷取模块3也以stm32f4芯片为核心，辅助以igbt三相逆变模块以及外围电路构成，实现织机的送经卷取的功能。

慢车控制模块主要为包括输入接口、输出接口和几个继电器，通过24v的电压信号控制继电器的通断，用于控制慢电机启停、正反转以及控制慢离的吸合与断开，该模块适用于含慢车模块的剑杆织机，当织机不含慢车模块时，则可拿掉该模块，且不影响其它模块的运行。

上述主控模块1如图2所示，包括通讯和下载模块11、时钟模块12、开关量输入模块13、最小系统模块14、开关量输出模块15、纬纱检测模块16、振动检测模块17和供电模块18；其中通讯和下载模块11包括jtag和wifi两种下载接口以及rs232、rs485、wifi、以太网、can等多种通讯接口，便于与其它功能模块进行通讯；时钟模块12用于计算时间和定时服务；以pcf8563时钟芯片为核心，且其晶振输入端osci引脚接一个5pf到20pf微调电容，可通过微调电容校正时钟频率，首次设定完成后即可准确实现日期/时间信息的显示，便于生产时班次信息的显示及效率计算；最小系统模块14以stm32f4芯片为核心，负责整个系统的数据处理及各功能模块之间的协调配合；振动检测模块17用于读取安装在织机不同位置上的振动传感器发出的信号，当智能故障诊断系统接入时，该模块失效；供电模块18以外部24v直流电源为输入，可输出12v、5v和3.3v直流电压，用于主控模块1供电；上述纬纱检测模块主要由一个adc/dac芯片pcf8591和两个双运算放大器及外围电路组成，可将纬纱检测器输出的4-20ma纬纱张力信号转化为数字量信号通过i²c总线传入最小系统模块的主控芯片stm32f4进行计算，同时也可将最小系统模块的主控芯片stm32f4输出的数字量转化为0-24v输出，用于控制纬纱检测器的灵敏度。上述开关量输入模块13和开关量输出模块15均以光耦作为隔离器件，且开关量输入模块13用于读取织机横梁和控制柜上的按键、旋钮以及各种织机上的各种接近开关等开关量信号，开关量输出模块15主要用于控制指示灯及电子多臂等开关量控制部件；开关量输入模块主要由光耦6n135及外围电路组成，可将外部输入的24v或0v电平信号转化为最小系统模块的主控芯片stm32f4的gpio可识别的开关量信号，且最高支持1mhz的脉冲输入；开关量输出模块主要由光耦tlp2301和pmos管irf9540及外围电路组成，用于继电器等外围器件的驱动，且最高支持100khz的24v脉冲输出。由于控制点数较多，相应的输入和输出电路也较多，现只以开关量输出模块15其中一个开关量输出电路作为示例进行说明(见图3)，具体为光耦tlp2301的输入端anode引脚通过r1接vcc3.3v，另一输入端cathode引脚接最小系统模块14中的主控芯片stm32f4的某一个i/o口，记为gpiox，光耦tlp2301的输出端collector引脚接gnd，另一个输出端emitter引脚连接pmos管irf9540的g极且通过上拉电阻r2接24v，pmos管irf9540的s极接24v，d极为输出端，记为yout，通过限流电阻r3和输出指示灯led1接gnd，二极管m7的负极接yout，正极接gnd；

上述纬纱检测模块16(见图4)主要由芯片u1、u3和u4及外围电路组成，其中u1为具备i²c串行总线接口的ad转换芯片，u3和u4为双运算放大器，具体为纬纱检测器通过端子p1与本模块连接，p1的引脚“黑”连接24v，引脚“蓝”连接agnd，用于纬纱检测器供电，引脚“灰”连接纬纱检测器的电流输出端，记为iout,且经过电阻r11接入u3的in1+引脚，还经过检测电阻r10接入agnd，u3的in1-引脚经过电阻r12接agnd，还经过电阻r13接u3的out1引脚，该out1引脚又经过电阻r14接in2+引脚，u3的in2-引脚与out2引脚直接相连，输出记为uin，u3的gnd引脚接agnd，u3的vcc引脚接+5v，且经过去耦电容c2接agnd，u3的输出uin连接u1的ain0引脚，u1的ain1、ain2和ain3引脚分别连接振动检测模块17输出的电压信号signal_15、signal_25和signal_35，u1的地址引脚a0接vcc3.3v，另外两个地址引脚a1和a2以及vss引脚都接dgnd，u1的vdd引脚和vref引脚接+5v，且经过去耦电容c1接agnd，u1的agnd引脚和ext引脚直接agnd，dgnd与agnd之间通过0ω电阻r19单点连接，0ω电阻r19起到分割两块不同信号地agnd和dgnd的作用，osc引脚浮空，scl引脚和sda引脚分别连接主控芯片的iic_scl和iic_sda两个gpio口,u1的aout引脚为电压输出端，记为uout，经过电阻r15连接u4的in2+引脚，u4的in2-引脚经电阻r16接agnd,另外还经电阻r17与u4的out2引脚相连，out2引脚又经电阻r18与u4的in1+引脚相连，u4的in1-引脚与out1引脚直接相连，且连接p1的引脚“红”，记为vctr，为0-24v电压，用于控制纬纱检测器的灵敏度，u4的gnd引脚接agnd，vcc引脚接24v且经过去耦电容c3接agnd。

本实用新型基于嵌入式的高速剑杆织机专机化控制系统的工作过程如下：

系统上电后，开始自检，各模块分别检测对应的传感器或电压、电流等信号是否正常，主控模块1检测慢车控制模块5和智能故障诊断系统10是否连接，若未连接，则此两部分功能自动屏蔽，且各种信号都可在智能人机交互系统9中进行显示；按下启动按钮，织机开始工作，通过编码器检测主轴角度，若不在启动角织机含慢车模块时则给慢车控制模块5发送指令，由慢电机将主轴慢速带到启动角(不含慢车模块时由主电机代替慢电机)，随后主控模块1给主传动控制模块5指令，主电机开始快速启动，随后刹车控制模块6控制主离吸合，刹车断开，同时选纬绞边模块2、电子送经卷取模块3、储纬器控制模块7和热熔丝控制模块8开始工作，主控模块1根据角度信号和各种传感器或按钮信号协调统筹各功能模块，从而协调控制各执行部件如主电机、电子多臂、选纬器、绞边器、热熔丝等，以及显示部件如指示灯等，开始织造过程。不同织机或织造不同布匹时，工艺流程可能不一样，对应的织造过程也不一样，因而此处工作流程不再详细叙述。

本实用新型控制系统按所需控制部件的不同对系统进行分布式模块化设计，分为主控模块、选纬绞边模块、电子送经卷取模块、主传动控制模块、慢车控制模块、刹车离合控制模块、储纬器控制模块、热熔丝控制模块、智能人机交互系统和智能故障诊断系统等10个功能模块，其中主控模块为该系统的核心模块，负责协调其它功能模块的运行；储纬器控制模块、热熔丝控制模块、电子送经卷取模块、主传动控制模块、智能故障诊断系统、选纬绞边模块都设有与主控模块进行通讯的接口，能统一归属于主控模块的总体调控；本实用新型将各种模块集合到本控制系统中，使其功能更加完善，更加专用化。电子送经卷取模块和主传动控制模块代替现有的伺服驱动器和变频器，同时充分考虑到高速剑杆织机的工作状态及环境，分别用于控制高速剑杆织机的送经、卷取伺服电机和主电机。

本实用新型所涉及的智能人机交互系统、智能故障诊断系统及各功能模块均可采用现有技术实现，关键在于将各功能模块集成在一起，由主控模块统一调控，更加满足高速剑杆织机的使用，降低成本，集成度高、专用性强。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。