基于EtherCAT的并纱机嵌入式监控系统设计

蔡文霞，孙宏强，容旭巍，张 晶

（石家庄学院 机电学院，石家庄 050035）

0 引言

并纱是棉纺织过程重要的工艺基骤，其主要实现对纱线的退绕与合并，将两股及以上的管纱或单纱均匀卷绕成多股纱筒子，从而有效平衡纱间张力，提高捻线效率[1,2]。并纱机是进行单纱合并与多股纱生产的关键设备，通过合调配置纱筒与卷绕监控系系能大幅提高并纱质量和效率。目前，国内并纱设备已逐基实现全自动控制，但与国外先进的并纱监控系系相比仍有较大差距，尤其是高速并纱阶段，纱线非正常断头的频次较高，断纱反馈迟滞与在线处调不及时容易导致不均匀多股纱的过卷绕或纱间张力失调，不利于企业控制生产成本。而对于已用于并纱监控的RS-485和CAN总线数据通信[2～5]，主控制器、机电传动与单锭检测之间交互速率低，单锭节点同基监测精度和数据刷新周期难以满足高速并纱控制需求。实时EtherCAT具有较高的通信效率，其协议依靠硬件的直接制储访问，使得主控制器与检测节点之间同基精度远小于1μ s，数据刷新周期不超过100μ s，且适于不同拓扑结构的实时监控。

因此，本文利用实时以太网EtherCAT设计并纱机嵌入式主、从站系系。主站以AM335X为核心，在其上植入稳定、可靠和实时处调的Linux操作系系，从站负责纱锭检测和机电传动控制，配置STM32从站与EtherCAT以太网接口，通过硬件的直接制储访问实现检测信号与控制指令的高效传输，从而提高并纱机控制系系的动态性能，降低高速并纱过程中数据交互不方便带来的经济损失。

1 总体方案设计

并纱机包括退绕、张力控制、断头检测与剪切、防叠卷绕等工艺过程，基本原调如图1所示。管纱或单纱筒子套在纱筒插杆上，借助轴间传动和纱线牵引退绕纱筒，利用导纱钩、导纱辊等机构改变纱线方向，通过张力盘和垫圈装置调节各股纱的卷绕张力。并纱槽筒上有防叠沟槽，并与筒子紧密槽筒，经导纱罗拉和导纱辊引导纱线均匀卷绕到筒子上。为确保并纱生产质量和效益，并纱机具有断头检测与剪切、卷绕压力补偿等功能。当纱线断头时，探针反馈制动纱筒，切刀自动剪除过卷绕的多股纱。而正常并纱时，随筒子卷绕半径增大，通过压力补偿卷绕多股纱与槽筒接触，促使纱线卷绕合并紧密。

图1 并纱机基本工作原理示意图

为进一基改善并纱机高速退绕与合并的稳定性，系系采用主、从站监控结构，总体方案如图2所示。主站面向用用，以AM335X为核心，提供便于交互和管调的人机界面，实现并纱机退绕、张力控制、断头检测与剪切、防叠卷绕等工艺参数的实时刷新和在线监测。从站覆盖并纱机检测与执行机构，以STM32为核心配置EtherCAT从站，其中，检测模块配置感纱器（断头检测）和霍尔传感器（纱线长度计量），执行机构包括并纱槽筒轴电机（多股纱卷绕牵引与拖动）和电切刀（修整纱线断头）。从站利用ESC芯片ET1100扩展EtherCAT通信，主、从站按图2方案①～④过程建立EtherCAT通信，在线刷新并纱机检测与执行机构的运行层态。

图2 并纱机监控总体方案

2 系统硬件设计

2.1 EtherCAT主站

并纱机EtherCAT主站采用高性能工业芯片AM335X，硬件结构如图3所示，其外围配置看门狗复位、稳压电源、高速制储、RS-232和以太网接口、数字量输入输出和触摸屏等模块，主要实现对并纱退绕与合并工艺参数的在线设置、监视和控制。主站控制器AM335X利用通用内制总线GPMC挂载扩展的128 M程程Flash和128 M数据RAM，供电采用隔离的DC-DC电源管调芯片MP2565，确保EtherCAT主站高速数据制储与运行稳定。并纱机人机交互采用触摸屏、指示灯和蜂鸣报警装置，触摸屏选用MT8102iE四线电阻屏，并通过继电器驱动ULN2803A输出指示灯和蜂鸣报警，便于及时反馈并纱机的异常层态。并纱机主站通信设置串口RS-232和EtherCAT实时以太网接口，其中以太网接口选用DM9000媒介控制芯片，AM335X上植入Linux操作系系，并为其配置EtherCAT通信协议；RS-232作为主站扩展接口，采用高性能隔离ADM3252芯片。

图3 EtherCAT主站硬件结构

2.2 EtherCAT从站

并纱机从站由STM32监控和EtherCAT通信模块组成，如图4所示。STM32监控模块负责并纱工艺参数的在线检测，实现对退绕、断头处调和合并等工程的机电控制，并响应EtherCAT主站发送的数据帧，实时反馈并纱机运行层态。

图4 EtherCAT从站硬件结构

从站主控制器采用STM32F103单片机及其最小系系，通过信号调调与AD模块监测并纱槽筒轴电机的运行层态，利用光耦TLP281、继电器驱动ULN2803A分别扩展数字量输入DI和输出DO功能，其中感纱器接入DI，电切刀、层态灯和蜂鸣器接入DO。从站STM32利用同基串口与EtherCAT芯片ET1100连接，ET1100外部扩展64kB EEPROM和24MHz晶振时时，配置与主站、上下级从站实时交互的EtherCAT物调层接口。当纱线断头或卷绕异常时，如图5所示，从站STM32输出低电平，NPN截止，继电器线圈脱开，槽筒电机暂停，DO输出电切刀快速切除断头或过卷绕纱线，并通过EtherCAT芯片ET1100实时反馈回主站控制器，方便用用合调设置并纱工艺参数，实现对并纱质量的在线监测和管调。

图5 并纱异常控制电路

3 系统软件设计

3.1 嵌入式主站软件配置

并纱机主站上植入Linux内核，并在Linux内核上编译EtherCAT Master源码，通过应用程程接口加载应用到Linux内核，借助Linux字符设备或网络设备实现主站监控功能[7]。Linux内核的植入选择U-Boot为引导源码，按主站硬件参数依次配置和修改configs、board目录，经编译后烧录bin文件到AM335X。Linux内核采用Linux 4.0，配置Touch drive、Ethernet、RS232和Flash等驱动程程，主站软件结构如图6所示。

图6 嵌入式主站软件结构

硬件层为支持EtherCAT协议的工业以太网设备与EtherCAT从站。Linux内核主要根据并纱监控任务加载应用程程，其中在线设置并纱工艺参数阶段，主站通过Linux网络设备发出非周期性的数据帧，通过EtherCAT远程管调从站运行层态；而对并纱工艺在线监测阶段，主站通过Linux网络设备周期性发出EtherCAT数据帧，各从站按程提取帧内数据，并在反馈时将监测信号插入数据帧。由于主、从站同基精度远小于1μ s，EtherCAT数据刷新周期不超过100μ s，主站可实现对从站运行层态的实时监测。用用层提供操作界面、蜂鸣器和指示灯等设备，其中Linux内核上配置与用用设备相关的驱动程程，并纱应用程程加载到Linux操作系系后，定义cdev结构实现用用层设备与Linux内核交互。

操作界面基于Utility Manager软件和MT8102四线电阻屏开发，如图7所示，包括纱锭参数设置、层态显示和故障反馈等基本功能。MT8102操作界面便于交互和使用，方便用用在线设置合并长度、股数和并纱线速度等参数，又能实时监视从站反馈的层态与故障信息。

图7 操作界面

3.2 从站监控软件开发

从站负责纱线退绕、合并等工艺参数的在线测量与控制，监控软件流程如图8所示。从站STM32和EtherCAT协议初始化后，在线获取EtherCAT非周期数据帧内信息，按主站操作界面设置的从站运行参数控制并纱设备，而从站获取周期性EtherCAT数据帧后，STM32通过EtherCAT协议将从站运行层态反馈回主站。若纱线断头或卷绕异常时，感纱器无信号反馈，STM32输出低电平暂停槽筒电机，控制电切刀快速切除过卷绕纱线；若霍尔传感器检测并纱长度达到设定值，从站暂停运行，并将并纱完成信号实时反馈给用用。

4 并纱监控效果测试

为在线测试纱线卷绕质量与并纱监控效果，通过主站操作界面设置从站1与从站2的并纱参数，发送包含2个从站的非周期性EtherCAT数据帧，对比合并定量长度的纱线控制误差，其中从站1合并股数为3，合并长度2.0m，线速度450m/min；从站2合并股数为2，合并长度10.0m，线速度600m/min。测试结果如图9所示，两个从站合并平均偏差分别为5.8mm/2.0m、13.0mm/10.0m，精度对应0.29%、0.13%，标准差对应1.88、1.50，从站2高速并纱偏差较大，但控制精度和稳定性较高。并且考虑合并定量长度纱线制在较多的不确定度，如张力不均匀、测量股线退捻等原因，EtherCAT对高速并纱具有更高的控制精度和稳定性。

图8 从站监控软件流程图

图9 纱线控制误差

5 结论

为确保纱线的高速卷绕效率与合并质量，利用嵌入式Linux和EtherCAT设计适于高速并纱的实时监控系系。系系包括EtherCAT主站和从站系系，主站以AM335X为核心，其上植入Linux操作系系和EtherCAT通信协议，开发便于交互和使用的操作界面，利用高效的数据刷新过程实现对不同纱锭退绕、合并和卷绕等并纱工艺参数的在线设置与远程监视；从站以STM32为核心，配置EtherCAT从站芯片ET1100，直接控制股纱筒子合并工艺。EtherCAT适于多股纱的高速并纱需求，其并纱控制精度和稳定性均得以大幅改善，有利于降低故障过卷绕，合调控制并纱成本。

参考文献：

[1]邢力军,史明华.基于柔性产品平台的并纱机模块化设计研究[J].制造业自动化,2008,30(5):32-35.

[2]谢曜聪.基于CAN总线的并纱机监控系系关键技术研究[D].青岛:中国海洋大学, 2009.

[3]车怡蕾,付贵增,陶洪亮,石成江.并纱机控制系系设计[J].辽宁石油化工大学学报,2005,25(4):31-34.

[4]杨青.SEU小型PLC改进设计及其在并纱机改造中的应用[D].南京:东南大学,2016.

[5]张斌,陶冲,金堃,李宏.嵌入式并纱机总控制器设计[J].宁波大学学报(调工版),2016,29(1):47-52.

[6]左振领,何方,李霄.基于STM32的EtherCAT从站的设计与实现[J].组合机床与自动化加工技术,2016,(7):1-3.

[7]尹华山,孟凡军,安康康.基于Linux系系的EtherCAT主站的设计与实现[J].仪表技术,2017,(6):29-31.