基于PLC的全自动三维平板织机控制系统研制

2023-12-13汪林俊林富生宋志峰余联庆

机电工程技术 2023年11期

汪林俊，林富生，宋志峰，余联庆

（1.武汉纺织大学机械工程与自动化学院，武汉 430200；2.三维纺织湖北省工程研究中心，武汉 430200；3.湖北省数字化纺织装备重点实验室，武汉 430200）

0 引言

近年来，我国纺织行业的发展逐渐与国防军工、航空航天行业发展相融合，需要研发特定织机对特殊纤维材料进行织造。纺织行业“科技、时尚、绿色”的发展理念，以科技创新为引领，以新思维增活力，以产业布局促发展，不断整合军、民优势资源，精准对接现在需求和研究成果，积极推动军民两用技术成果转化应用，不断打造融合发展的军民两用产业新体系，纺织军民两用技术转化工作正逐步走向全面、协调、可持续发展[1]。本文所述的三维平板织机装备主要用来织造立体织物，但是国内目前极其缺少这方面的全自动化织机，即便存在小型二维织机，也存在以下问题。

（1）使用较多传统继电器、接触器，织机织造过程复杂，使用较多低压电器元件，织机走线复杂，存在接触故障和元件故障，且无法观察到织机控制系统故障，维修困难。

（2）行业对织物要求严格，并且常常存在多种织物，织造工艺无法改变，无法满足较多织物的要求，研发投入巨大且效率低。

为解决以上问题，本文采用整体运动控制，包括主控制器、卷曲系统、引纬系统、打纬系统、人机界面系统、纬纱张力控制系统等。利用PLC 控制大大减少线束数量，检修方便、抗干扰能力强，运行过程中按照既定的程序运行，保证了织机的稳定性[2-3]。

1 织机控制系统描述

1.1 总体功能设计

全自动三维平板织机的控制系统由以下几部分构成。

（1）主控制器：合信PLC，CPU 型号H226IM，通过CANopen通信和I/O双总线信号控制来协调各子系统的动作，组成一个自动化设备，实现织机的高效运转。

（2）卷曲系统：增加位置传感器，卷曲数据输入的方式取代传统机械传动结构，对已织造的织物进行输送。

（3）引纬系统：负责纬纱的位置驱动，对引纬系统引出的纬线进行松放，保证纬纱密度。

（4）打纬系统：对预制物的经密进行整合。

（5）人机界面系统：实现人机交互，方便操作员进行参数设定、机器操作和错误查看[4]。

1.2 织机传动控制系统功能框图

机械部分主要由筒子架、张力系统、笼纱系统、提纵引纬系统、打纬系统、卷曲系统六大系统组成[5]。控制部分由PLC、触摸屏、电磁阀、传感器、电机组成。整体功能如图1所示。

图1 控制系统整体功能框图

2 织机总控制硬件系统设计

2.1 硬件选型

2.1.1 PLC型号选取

本文设计的全自动三维平板织机需要反应迅速、可操作性强、维护便捷，需要外接大量元件，对于控制器的程序和数据空间都有一定要求。在合信PLC 可编程逻辑控制器中，CTH200 系列16 小型CPU 模块具备存储空间大、处理速度快、运控和通信能力强、支持远程操控等优点。本文所选CPU H226M 还支持2×20 kHz 的PTO/PWM输出，方便程序编写控制硬件动作[6]。

2.1.2 磁性开关

考虑到是对气缸的磁环进行位置诊断，结合日常实验和机械振动，最终选择亚德客CMSG-020 双线制感应开关，其产品规格如表1所示。

表1 磁性开关CMSG-020参数规格

2.1.3 触摸屏

根据全自动三维平板织机的控制需求，实现人机交互，方便操作人员操作，控制执行元件或机构的运动参数，定制专属触摸屏盒子进行安装。此外，在机器运转过程中，为方便观察与维修，将织机的步数显、PLC 内部参数、织机动作、电机状态等显示在触摸屏上，并且可以根据现场运行状态修改触摸屏上的PLC 设定参数。最后，选择可操作性高、兼容性强、功能强大的约17.78 cm（7 英寸）MT8071IE 的威纶通触摸屏[7]。触摸屏以其便于操作、坚固耐用、反映迅速、节省空间等优点，在工业控制领域得到了广泛应用[8-9]。

2.2 电路设计

为满足三维平板织机可以实现全自动运行的的功能需求，需增加PLC 从站来满足所有外部输入和输出的接入，使整个机构运动流畅，另外，还需保证产品的美观[10]。整个机器的电气控制系统硬件接线如图2所示。

图2 控制柜主电源接线图

3 织机总控制软件系统设计

3.1 PLC软件

3.1.1 PLC的I/O地址分配

根据全自动三维平板织机的动作要求，对PLC 上的I/O 点进行设计，共需要96个I点、48个Q 点，同类型简略录入，如表2所示。

表2 PLC控制的I/O地址分配表

3.1.2 程序流程

全自动三维平板织机的软件系统设计主要采用PLC梯形图编程基本原则，使用MagicWorks PLC V2.22 进行编程，如图3～4 所示。使用MagicWorks Tuner V1.61 对卷曲系统中所使用的电机进行初始值设定，如图5所示。使用EasyBuilder Pro 对威纶通触摸屏进行设置和编译，如图6所示。

图3 全自动三维平板织机PLC程序块

图4 全自动三维织机按钮梯形图

图5 卷曲电机参数设置

图6 触摸屏主界面

如图3 所示，PLC 程序设计共包含1 个主程序和7 个子程序。

（1）组织模块OB：OB1 是程序顺序运行的总调度，也称主程序，包含循环程序或通过调用其他块来组织程序。

（2）功能模块FC0：程序的底层块，不修改。

（3）外设按钮模块FC1：固定触摸屏的机盒增加了8个按钮，方便对机器进行简单控制操作，可进行织机的手动与自动运行模式切换，机器的急停与启动。

（4）卷曲系统模块FC2：在织机运行完成一个织物工序之后触发条件进行卷曲，将已经织好的织物进行传送。

（5）系统内部控制序块FC3：对程序的工艺周期进行读取计数，对程序运行前的参数进行初始化设定，设定一个专用区进行程序调用。

（6）指示灯程序块FC4：程序在正常运转时为绿闪，程序存在故障时为红灯，程序正常暂停时为绿灯。

（7）织机运行程序块FC10：在此编写程序的引纬、提纵、打纬等一系列织机运行的过程。

（8）程序块FC100：实现本织机各程序块之间的调用，程序的跳转指令等，使之成为一个全自动设备[11]。

其中，需要对卷曲系统电机进行电子齿轮比计算，设定织物的经密为2 mm，则每次链轮行走的距离为2 mm，所使用的编码器为总线式绝对值编码器，其分辨率为131 072[12]，每转所需脉冲数乘以P86或P87再除以P88等于编码器分辨率。其中，P86（指令脉冲倍频的第1分子）或P87（指令脉冲倍频的第2分子）的参数值为0时，P88（指令脉冲分倍频分母）的参数值即为每转所需脉冲数。

根据齿轮比选型，链轮与卷曲伺服电机之间行程关系为：电机转1 圈，链轮行走2 mm，根据上述可设定P86 为0，P88 参数设定大小在范围内即可满足织物的经密保持在2 mm左右。

3.2 组态

全自动三维平板织机配备电控柜3 个，主控柜1 个，引纬、边线、打纬控制柜1 个，提综控制柜1 个。其中，需要对卷曲系统电机和提综控制柜的从站进行组态，这部分是在MagicWorks PLC V2.22中完成的，如图7所示。

图7 控制系统硬件组态

3.3 控制流程

此部分根据织物的织造工艺不同而有所改变，主要是改变引纬剑杆、综框、边线剑杆的动作方式。本文所织织物为角联锁织物，要求其织物长度在120 mm及以上。

在PLC 上电后，需要对数据进行初始化设置。选择模式之后，按下启动按钮，则会进入各子程序。当PLC接收到来自上位机的自动控制模式信号时，则可点击运行按钮，一直进行半自动模式（按一下运行按钮织机动作一次），也可进入HMI 对各个部分进行单独控制；当接收到自动控制模式信号时，则进入自动模式。在自动模式下，设备将会按照图8所示进行运转。从第1个综框的第1级开始动作，到第1个综框的第2级和第15个综框第1级被提起，再到第1个综框的第2级被放下为一个周期的上半周期，每一个周期分为上下两个半周期，一个周期织机进行卷曲2 次，理想状况共需要30 个周期，为达到织物要求，预留2 个周期的长度，共进行32 个周期运转。当32 个周期运行完成，织机恢复初始状态，如需继续，在自动模式下按下启动按钮[13]。

图8 系统控制流程

3.4 监控状态

通过EasyBuilder Pro 在PLC 和HMI 之间建立通信，实现触摸屏和PLC 之间数据互传，达到人界交互。在运行过程中，点击触摸屏可以写入数据到触摸屏的地址里，从而控制机械动作，并且可通过不断检查机械的动作状态匹配扫描的程序指令，当二者相吻合，则机器可以正常运行下一步，当二者状态不同时，报警灯和触摸屏都会处于报错状态，而通过外接报警灯和操作屏上的参数监控（错误类型）可以直观地看出设备存在的问题[14]，如图9所示。

图9 HMI监控界面

3.5 系统调试和结果分析

系统运行调试是对PLC 程序和组态监控系统功能是否达到控制要求的检验。在MagicWorks PLC V2.22 中将梯形图下载到主站PLC 中，在EasyBuilder Pro 中将程序下载到触摸屏上，将各个部分的系统进行连接，检查通信无误后，先进行单元调试，对出现的传感器松动情况进行上紧无误后，再进行整体调试，对调试过程中出现的问题一一排查之后，不断完善[15]。本系统已投入小规模定做生产，运行状态良好，织造织物如图10 所示。结果表明，角联锁结构织物表面光滑无瑕疵，边角料废弃率在5%～10%之间，织机效率达到150 mm/h，满足生产需求。