花式捻线机控制器的智能化

 苏州大学 王富东 李云飞   苏州华飞纺织贸易有限公司 沈晓飞　　

    摘要：花式捻线机构的工艺控制十分复杂，花式纱线的加工设备要能够适应多品种变化的需要，除了相应的机构结构以外，最重要的是要有功能完善、控制灵活的控制器。本文介绍了两种花式捻线机控制器，即基于单片机的经济实用型控制器和基于工业PC机的高档控制器。

    关键词：控制器 花式捻线机 微型计算机

    1 引言

    与普通纱线相比较，花式纱线的生产工艺较为复杂。由于花式纱线的种类很多，目前还无法以单一的机构结构适应所有花式纱线的工艺要求。普通纺纱机只要求各个罗拉以一定的速度恒速运转，而花式纱线纺纱机则要复杂得多。只有部分花式线品种的生产工艺要求罗拉以恒速运行。像结子纱一类的花式纱线，则要求纺纱机的控制罗拉以分段变速的方式运行，有些纱型还要求控制罗拉有短时间的停顿甚至反转。这不仅要求控制系统本身具有相应的控制功能，而且要有相应的性能良好的驱动元件和传动系统。

    为了满足实际应用的需要，除了基本的控制功能以外，控制器还要具备相应的辅助控制功能。这些功能包括：启动/停机的过渡过程控制；整机联动调速功能；纱锭成型控制功能；计数计长功能以及故障保护功能等等。由此可见，完善的花式捻线机控制系统是一套复杂的机电一体化系统，整体实现具有相当大的难度。

    早期的花式捻线机是在原有的环锭细纱机基础上改进而成的，仍然采用原来的集中驱动、分散传动的机械结构。因此这种花式捻线机的控制也很简单，但难以满足复杂纱型的生产工艺需要。

    随着控制技术的发展，传统的集中驱动已经逐渐为分散驱动所取代。即锭子采用一台交流电机驱动，为了使锭子速度可调，通常采用变频调速。控制罗拉均采用独立的电机驱动。根据不同的控制要求，驱动电机可以采用步进电机、直流电机或交流变频调速电机。这样，不仅可以省去集中驱动系统中复杂的传动机构，而且由于可以分别对每根罗拉进行单独的控制，便于实现复杂的运动控制，可以纺出传统的集中驱动式纺纱机所无法纺出的纱型。对于分散驱动的花式捻线机，目前主要有以下几种控制方式：第一是利用有些变频器所具备的多段速运行控制功能；第二是采用PLC作为控制器实现所需要的控制；第三是采用专用的花式捻线机控制器。

    以上几种控制方式中，第一种方式只能实现基本的分段变速运行功能，由于只能控制交流电机，因此无法实现反转控制，瞬时停顿也很困难。采用简单PLC所能够实现的控制功能也是有限的，如果采用高档的PLC，则势必增加控制器的成本，且还需要增加相应的辅助控制电路。采用专用的控制器是花式捻线机发展的方向，因为只有专门设计的控制器才能够满足花式捻线机的所有功能要求。国外先进的花式捻线机均采用专用的控制器。国内也有不少厂家自行开发了专用的控制器。

    专用控制器通常以CRT或液晶显示屏作为显示界面，也有的以LED数码管进行显示，配合以相应的操作面板，可以实现各种控制参数和工艺参数的设置和显示。再根据不同的驱动元件输出相应的控制信号（频率信号或电压/电流信号），可以实现复杂的运动控制。同时还配有相应的辅助控制电路以实现整机的运行控制。

    笔者在几年以前就开发成功了基于STD总线系统变频调速交流电机驱动的花式捻线机控制器。在随后的几年里，不断地积累经验、改进设计以适应更为复杂的生产工艺和控制要求，分别开发了基于单片机的普通型花式捻线机控制器和基于工业PC机的高档花式捻线机控制器，能够满足大多数花式纱线的生产工艺要求，并取得了相应的经济效益。

    2 基于单片机的控制器

    图1 花式捻线机控制器总体结构

  开发基于单片机的控制器的初衷是为了满足低价位普通花式线纱纺机的需要，因此在设计时十分重视性能/价格比，而以单片机为核心的控制系统具有控制功能强、体积小巧、价格低廉的特点，正好能够满足此种控制器的需要。

    基于单片机的控制器应该具有如下的功能：

    （1）能够控制一台交流变频电机（用于驱动锭子）和4根控制罗拉，控制罗拉采用步进电机驱动或独立于锭子的交流变频电机驱动。

    （2）能够适应多数花式线的生产工艺要求（圈圈纱、结子纱等），罗拉可以3种运动方式工作，即连续的匀速运行方式、分段的匀速运行方式和随机化的分段运行方式。

    （3）清晰简洁的用户界面，用LED数码管作为显示部件以显示必要的运行参数和状态，用户通过操作面板上尽量少的按键进行工艺参数的设置，线型工艺参数可以存储以便用户随时调出使用。

    （4）尽可能高的性能/价格比，要与国内目前花式线的生产设备状况相适应。

    根据上述整机的功能要求与技术指标要求，我们设计了以8位微处理器为核心的花式捻线机控制器。整机共分为CPU及外围电路、电池供电RAM电路、LED显示及操作按键电路、频率（脉冲）输出电路、方向控制电路、频率-电压转换电路以及辅助控制电路。系统的总体结构如图1所示。其中CPU采用目前应用较广的MCS-51系列单片机；电池供电RAM用于存放线型工艺参数；CPU根据用户所输入的线型工艺参数通过频率发生器输出相应的频率信号用于驱动步进电机，通过方向控制电路输出步进电机的方向信号；频率信号还通过频率-电压转换电路转换为电压信号，以便用于控制交流变频驱动电机或直流电机；辅助控制电路用于提供花式捻线机所必需的运行控制，包括锭子转速控制、启动/停止控制与故障保护等。

    通常变频调速器提供3种外部速度控制信号接口：电流/电压信号控制、外接端子控制与串行通讯接口控制。本控制器采用外接端子控制，通过3个外接端子的不同连接组合可以8种不同的速度，用一个波段开关即可实现这种控制。

    LED显示与操作面板分为左右2个部分，左边为4位功能与指针显示区，右边为4位数值显示区。左边第1位为操作状态显示，第2位为罗拉序号显示，第3位为时间段指针显示，第4位为速度段指针显示。在每位显示的正下方都设有一个操作按键，分别为状态键、罗拉键、时间键与速度键。在数值显示区下设有增量键和减量键，按状态键可以使状态轮流显示R、C、R、P、E，分别表示设置状态、运行状态、参数读与参数写状态。

    在设置状态下可以对当前运行的参数进行修改，按罗拉键可以使罗拉轮流显示1、2、3、4，分别指4根控制罗拉。按时间或速度键可以分别使时间或速度轮流显示0-9，分别指示第0段到第9段时间或速度，此时相应的数值显示即为对应的时间或速度值。这时按增量键或减量键可以对所显示的参数在规定的范围内进行修改。为了设定运行方式，特别增加了一个0号罗拉显示，当罗拉显示为0时，对应的数值显示为运行方式。

    在运行状态下可以显示各个控制罗拉的运行状态，按时间键则显示该罗拉在当前时间段运行的剩余时间（倒计时），按速度键则显示该罗拉在当前时间段的运行速度。

    在参数读状态下可以将用户指定线号的线型工艺参数从参数库中调出至当前运行参数区；在参数写状态下则可以将当前所运行的线型参数存入参数库中用户所指定的线号，按增量和减量键可以改变参数库的线号，这些线型参数存放于电池供电RAM中，断电后也能长期保存。

    这样，仅使用6个按键和单排8位LED数码管显示就能够完成所有的参数显示、设定与参数库的操作，满足了一般花式捻线机控制器的所有功能要求。在操作面板的右侧还设有锭子速度控制选择开关和启动/停机按钮，以便进行相应的运行控制。

    3 基于工业PC机的高档控制器

    基于单片机的控制器能够满足多种花式线纺纱机需要，但在实际应用中还存在不少欠缺。首先，花式线的生产工艺参数较为复杂，在进行设置时需要有一个容易理解的操作界面，最好能够有相应的图形显示。而单片机控制器由于采用LED数码管显示，无法满足复杂操作界面的要求。其次，花式线纺纱机的机型种类多，控制要求也不一样。一台控制器要能够满足多种机型的工艺需要，用单片机来实现颇为困难。

    为了克服上述不足，我们开发了基于工业PC机的高档花式线纺纱机控制器。工业PC机采用加强的机箱结构、高可靠性电源、液晶屏幕显示、防水薄膜键盘，可以采用电子盘作为外存，能够在恶劣的工作环境下稳定可靠地工作。

    为了实现花式线纺纱机的基本控制功能，专门设计了一块控制接口卡，插在工业PC机的扩展槽上。该卡上具有6路频率输出，8路电压/电流输出，以及相应的辅助I/O接口。

    如此完善配置的控制接口，已经能够满足现有的所有花式线纺纱机的工艺控制要求，并可以方便地与各种驱动电机相连接。

    高档花式纱线纺纱机控制器由于采用平板液晶显示屏作为人机界面，一屏可以显示较多的内容。所有的运行参数均可以在一个屏幕上显示出来，使参数的查询和修改极为方便。

    为了便于用户进行各种操作，在屏幕的上方设置了下拉式菜单。参数库菜单用于纱线工艺参数的存入和调出；参数设置菜单用于调协工作方式、运行时段，修改各个时段的时间值和速度值；显示格式菜单用于实现两种显示方式（表格方式和模拟图方式）的切换。成形控制是一项新增加的辅助控制功能，用于对纱锭成形机构进行相应的运动控制。

     在屏幕上还设置了启动/停机按钮，通过继电器触点输出进行整机的运行控制。主锭子和副锭子的转速随时在屏幕上以数字形式可模拟图方式显示出来，并可以随时进行调整。所有的操作均可采用鼠标完成。

    高档花式线纺纱机控制器的软件采用高级语言编制，分别编写了在Windows下运行的软件和在DOS环境下运行的软件。DOS环境下运行的软件界面粗糙一些，但程度空间小、运行效率高；Windows下运行的软件界面容易制作，且有较好的视觉效果，但需要较大的程度存储空间。在实际应用中，控制器有时需要直接安装在机台上，机台的强震动环境不宜使用硬盘，而大容量的电子盘又价格昂贵。因此需要在性能与价格之间做综合考虑。

    4 结束语

    我国的花式线纺纱机生产技术与设备发展较晚，与国外发达国家相比，在机构结构、驱动系统和控制系统方面还存在一定的差距。加之花式线属于多品种、小批量的生产，各种花式线的生产工艺要求以及所用纺纱机的机械结构都有很大的差别。因此花式线纺纱机的机电一体化具有相当大的难度。

    国内不少厂家和科研机构已经在花式线纺纱机的开发以及控制器的研制方面做了很多探索和尝试，与国外先进技术的差距正在缩小。笔者研制开发的花式捻线机控制器，以国外同类纺纱机为参照，结合自行研制的花式捻线机的机构系统，以较低的造价实现了花式捻线机的智能化控制，达到了国外同类纺纱机控制器的技术水平，在国产花式捻线机的机电一体化方面取得了成功的经验，也取得了较好的经济效益。参考文献

   1 李志峰等，空心锭花式纺纱机主从式多微机控制系统的软件实现，纺织学报，1999（3）