CN108776463A - 一种智能花式纱线控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能花式纱线控制系统，包括上位工控机、下位机PLC控制模块、译码器、数字信号处理模块、显示模块和电机驱动模块；上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；下位机PLC控制模块的高速数据口与数字信号处理模块相连；下位机PLC控制模块的低速数据口与译码器输入端相连；译码器输出端与数字信号处理模块相连；数字处理模块与电机驱动模块相连。本发明改造于现有的细纱机，通过智能花式纱线控制系统实现多伺服机构协同工作，在下位机采用SPI端口控制信号处理模块实现中后罗拉、空心锭子等机构的协同工作，实现符合花式纱线的生产，具有加工精度更高、新产品开发更简易、更容易实现等特点。

Description

一种智能花式纱线控制系统及方法

技术领域

本发明属于信息与自动控制领域，涉及一种智能花式纱线控制系统及方法。

背景技术

花式纱线是多种原料、多种结构和多种色彩复合而成的，能使织物外观立体感强、风格独特，满足现代人追求美及个性化生活的需求，是当前纺织产品的流行趋势。花式纱线对生产设备的要求相对较高，要求设备具有优异的性能和强大的功能。随着智能制造和工业4.0的快速兴起，花式纱线的生产智能化迫在眉睫，实现花式纱线智能制造是必然趋势。

国内大多数花式纱线开发与生产是在传统环锭细纱机或并线机上进行，或在其它纺纱机上加装某种花式纱线的控制装置。进入21世纪，我国花式纱线的生产设备有了较大的发展，花式纱线机从过去的纯机械式发展到目前的部分微电脑控制式。

1992年，由中国纺织大学与仪征纺织机械厂协作，陈瑞琪教授牵头研制出了多单片机控制的空心锭花式捻线机，该机的牵伸部分采用三罗拉，外加喷射罗拉，成纱部件采用空心锭，卷绕部分采用槽筒。此项研究在当时纺织机械一体化方面做出了典范。

1997年，苏州华飞纺织科技有限公司等单位联合设计制造的微电脑双牵伸双空心锭双卷绕多功能型的花式捻线机别具一格。该机采用单摇架四罗拉双牵伸机构，满足双组分纤维原料、双色粗纱喂入，可生产复合型花式纱线，丰富了产品的花色品种，技术上有创新，取得了多项实用专利。

2001年，苏州大学和苏州华飞纺织贸易有限公司联合开发了一种以单片机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，该控制器能够对4根罗拉进行联动运动控制，适合多种花式捻线机使用，初步实现了花式捻线机的机电一体化。

2004年，西安工程科技学院的任学勤和王香香应用小针筒织带机采用不同工艺开发生产了睫毛纱、包芯带子纱和彩色麦穗纱等，并详细介绍了纺纱工艺过程，同时指出小针筒织带机的调节方法，提出了生产新型花式纱时应注意的问题。

2008年，江南大学的陆丽娜、杜守刚和吴敏等人将夜光长丝作为饰纱原料，利用五罗拉花式捻线机纺制圈圈线、辫子线、结子线等夜光花式纱线，从原料准备、辅助装置设计及工艺参数的设定等方面介绍了纺制夜光花式纱线的技术关键，并探讨了相关工艺参数对花式纱线外观和结构的影响。

2010年，江阴职业技术学院的周方颖和周恒磊介绍了桑子纱的形态特点、使用原料、成纱方式，对桑子纱的生产加工过程尤其是生产过程中出现的疵点进行了阐述，又针对这些疵点产生的原因进行了分析，根据分析的结果提出了合理可行的解决措施。

2011年，盐城工学院的马志鹏、施延刚和西安工程大学任学勤采用小针筒织带机形式的多功能纺纱小样机纺制了羽毛纱，详细介绍了纺纱工艺原理和工艺过程，探讨了羽毛的密度和长度与其他参数的关系，并且总结了生产羽毛纱的影响因素，认为纺制羽毛纱时主副电动机频率应协调配合，并调节好织针、割刀和导纱钩的位置。

同年，武汉纺织大学的叶汶祥和沈小林探讨了粗节波形复合线的纺制方法，分别采用一步法和两步法在花式捻线机上试制出了粗节波形复合线，并进行了对比试验与分析，试验结果表明，一步法所纺的粗节波形复合线较好，外观饱满，手感蓬松柔软。一步法生产流程短，但必须在带有牵伸机构和环锭的空心锭花式捻线机上进行生产。

2014年，江苏省纺织工业协会的周燕以圈圈纱花式纱线的强伸性能为研究对象，就影响其强伸性能的各项因素与其它花式纱线进行了对比研究，通过选取不同的原料、纱支、纱线形态、加捻程度等，研究了圈圈纱强伸性能的变化规律。

综上所述，目前国内花式纱线机仅能生产一些结构简单、造型与造型之间差别较小的复合产品，尚缺乏国际市场竞争力。生产设备综合性能不高，加工精度不高，影响了最终的成纱速度，仅为国外同类产品的1/4～1/2，低速还造成成纱三角区较大、花型不稳定、生产能力相对低下等问题，新产品的开发难度大、工作量大、周期长。

当前中国的大多数企业都想成为工业4.0的先行者，工业4.0核心是智能制造。但目前的纺织厂在生产复合花式纱线中实现智能化仍存在很多问题：一是自动化程度低，二是专业化与信息化融合程度低。对于纺织行业而言，若智能化与纺纱不融合，将无法实现复合花式纱线市场变化快速性和多样性的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种花式纱线控制系统及方法，以解决花式纱线控制系统的控制精度不高和单机控制自动化程度低的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种智能花式纱线控制系统，包括上位工控机、下位机PLC控制模块、译码器、数字信号处理模块、显示模块和电机驱动模块；上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；下位机PLC控制模块的高速数据口与数字信号处理模块相连，用于控制各罗拉电机转速，给数字信号处理模块发出数据信息；下位机PLC控制模块的低速数据口与译码器输入端相连，用于选通各路数据信号处理模块，进行每一路控制数据设置；译码器输出端与数字信号处理模块相连；数字处理模块与电机驱动模块相连，数字处理模块输出的数字脉冲，控制电机驱动模块。

进一步地，所述上位工控机的人机界面使用台达DOP-B系列触摸屏，上位工控机与触摸屏连接完成显示及设置功能，用于设置花式纱线参数，将伺服电机运动控制指令经总线传输到下位机PLC。

进一步地，所述下位机PLC控制模块使用台达系列PLC，通过串行485总线与上位工控机相连。

进一步地，所述下位机PLC控制模块用于中后罗拉伺服电机的伺服控制，通过模拟量控制模块读取电机转速检测传感器来控制伺服电机转速，通过对伺服电机编码器信号的处理可计算出罗拉的转速，再根据上位机传输过来的工艺设置参数，通过伺服控制算法，控制数字信号处理模块输出脉冲信号和模拟信号控制伺服电机。除了基本的控制功能以外，控制器还有启动停机、整机联动调速、纱锭成型等辅助控制功能。

进一步地，所述数字信号处理模块采用可编程波形发生芯片AD9833，其采用DDS技术、功耗低、外围电路简单；AD9833通过SPI接口和下位机PLC控制模块的高速数据输出端口相连，通过设置控制寄存器的值生成控制伺服电机的0～200kHz数字脉冲。AD9833与PLC的连接图如图3所示，数字脉冲从AD9833的VOUT引脚输出。

进一步地，所述电机驱动模块采用功率放大运算芯片OPA541完成，可以完成双向功放功率放大，输入电压范围为-1V-10V，输出脉冲频率为20KHz。OPA541是一款功率放大集成块，该模块功率带宽为70KHz，输出功率在20W以上。

本发明还提供了一种智能花式纱线控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；通过上位工控机的控制界面设置复合花式纱线参数，并将复合花式纱线参数转换为对应的运动控制指令经总线传输到下位机PLC控制模块1；

步骤2、下位机PLC控制模块根据步骤1得到的运动控制指令，通过20KHz的低速数据输出端口Y4、Y5、Y6输入译码器74LS138选择控制对象，由74LS138的Y0到Y7当中的一个输出端口输出低电平信号输入数字信号处理模块AD9833芯片的端口FSYNC进行使能；

步骤3、下位机PLC控制模块由Y0与数字信号处理模块AD9833芯片的同步时钟输入端口SCLK相连，输出100KHz同步时钟脉冲信号；

步骤4、下位机PLC控制模块接收步骤1传来的运动控制指令，同时伺服电机的编码器测出伺服电机的实际转速并以数字脉冲信号反馈给下位机PLC控制模块，下位机PLC控制模块使用增量型PID算法计算控制量，把该控制量通过Y2口发送给数字信号处理模块AD9833芯片的数据输入端口ADATA；AD9833的输出端口VOUT输出不同频率的数字脉冲；

步骤5、从步骤4得到的电机控制数字脉冲输入电机驱动模块的OPA541的输入端口，通过不同频率的数字脉冲控制伺服电机转速从而控制超喂比。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明主要用于改造现有的细纱机纺织生产花式纱线，通过智能花式纱线控制系统实现多伺服机构协同工作。本发明在下位机采用SPI端口控制信号处理模块实现中后罗拉、空心锭子等机构的协同工作，实现花式纱线的生产，解决了目前国产控制器生产设备综合性能不高，加工精度不高的问题，具有加工精度更高、新产品开发更简易、更容易实现等特点。

2.本发明通过PLC控制模块高速数据输出数字信号选通AD9833控制各罗拉，由单独的变频异步电机、步进电机或伺服电机带动进行调速，能够生产多种花式纱线，基本达到国外进口的花式纺纱机的生产水平和生产效率。

3.本发明不要求一机一电脑控制，能使复合花式纱线的自动化生产水平和生产效率大大提高，对花式纱线的生产具有很大的应用意义和推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例智能花式纱线控制系统的系统框图。

图2为本发明实施例智能花式纱线控制系统中的下位机PLC控制模块的电路示意图；

图中：1-下位机PLC控制器，2-译码电路，3-数字信号处理模块，4-电机驱动模块，5-伺服电机。

图3为本发明实施例智能花式纱线控制系统中的上位工控机程序流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能花式纱线控制系统，包括上位工控机、下位机PLC控制模块、3-8译码器、数字信号处理模块、显示模块和电机驱动模块；上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；下位机PLC控制模块的高速数据口与8路数字信号处理模块相连，用于控制各罗拉电机转速，给数字信号处理模块发出数据信息；下位机PLC控制模块的低速数据口与3-8译码器输入端相连，用于选通各路数据信号处理模块，进行每一路控制数据设置；3-8译码器输出端与8路数字信号处理模块相连；数字处理模块与电机驱动模块相连，数字处理模块输出的数字脉冲，控制电机驱动模块。

所述的下位机PLC控制模块1采用台达32ES200T小型可编程控制器完成与上位机通信功能；32ES200T与触摸屏连接完成显示及设置功能。下位机PLC控制器1具有两个100KHz的高速数据输出端口Y0、Y2，三个20KHz的低速数据输出端口Y4、Y5、Y6。

所述的译码电路2由74LS138构成，完成各执行机构单独控制、协同工作的功能。A0、A1、A2为译码芯片74LS138地址输入端，Y0到Y7为74LS138的8个通道输出。

所述的数字信号处理模块3采用可编程波形发生芯片AD9833，频率寄存器是28位的，主频时钟为1MHz时，精度可以达到0.004Hz。AD9833通过SPI接口和PLC的高速数据输出端口相连，SCLK为同步时钟输入端口，ADATA为数据输入端口，FSYNC为芯片AD9833的使能端，由下位机PLC通过编程控制AD9833产生控制伺服电机的数字脉冲。

所述的电机驱动模块4采用功率放大运算芯片OPA541实现数字脉冲功率放大功能，完成伺服电、步进电机的驱动。

所述的伺服电机5为本发明控制对象，可为前罗拉、中罗拉、后罗拉、空心锭子等伺服电机或步进电机。

本发明实施例还提供了一种智能花式纱线控制方法，包括以下步骤：

步骤1、将上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；通过上位工控机的控制界面设置花式纱线参数，并将花式纱线参数转换为对应的运动控制指令经总线传输到下位机PLC控制模块1；

步骤2、下位机PLC控制模块1根据步骤1得到的运动控制指令，通过20KHz的低速数据输出端口Y4、Y5、Y6输入译码器74LS138选择控制对象，由74LS138的Y0到Y7当中的一个输出端口输出低电平信号输入数字信号处理模块3的芯片AD9833端口FSYNC进行使能；AD9833通过设置控制寄存器的值生成控制伺服电机的0～200kHz数字脉冲；

步骤3、下位机PLC控制模块1由高速数据输出端口Y0与数字信号处理模块3的芯片AD9833同步时钟输入端口SCLK相连，输出100KHz同步时钟脉冲信号；通过不同通道罗拉转速的设定实现复合花式纱线生产中各电机的同步配合；

步骤4、下位机PLC控制模块1接收步骤1传来的运动控制指令，同时伺服电机5的编码器测出伺服电机的实际转速并以数字脉冲信号反馈给下位机PLC控制器1，下位机PLC控制器1使用增量型PID算法计算控制量，把该控制量通过Y2口发送给数字信号处理模块3的芯片AD9833的数据输入端口ADATA；AD9833的输出端口VOUT输出不同频率的数字脉冲；

步骤5、从步骤4得到的电机控制数字脉冲输入电机驱动模块4的OPA541的输入端口，通过不同频率的数字脉冲控制伺服电机转速从而控制超喂比。

其中，步骤1中，上位工控机是复合花式纱线智能控制系统的人机接口，人机界面使用DOP-B系列触摸屏，可以根据需要设计的复合花式纱线品种设定花型工艺参数，例如超喂比、牵伸倍数、捻度、芯纱张力系数等，通过工艺参数导出匹配的芯纱罗拉、饰纱罗拉、空心锭、环锭等罗拉的电机转速，将导出的电机转速控制数据实时传送至下位机PLC控制模块1；

本发明的控制系统，主控机通过串行总线控制多个下位机PLC控制模块，实现主控机对多个下位机PLC控制模块，每一个下位机PLC控制模块可以控制八路罗拉以不同或相同转速协同工作，准确控制每路罗拉的转速，实现对前罗拉、后罗拉、芯纱罗拉、空心锭子、环锭锭子的控制，从而控制超喂比、牵伸倍数、捻度、张力系数等，通过不同电机的同步配合，捻出多种复合花式纱线，实现个性化、定制化的智能化控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：包括上位工控机、下位机PLC控制模块、译码器、数字信号处理模块、显示模块和电机驱动模块；上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；下位机PLC控制模块的高速数据口与数字信号处理模块相连，用于控制各罗拉电机转速，给数字信号处理模块发出数据信息；下位机PLC控制模块的低速数据口与译码器输入端相连，用于选通各路数据信号处理模块，进行每一路控制数据设置；译码器输出端与数字信号处理模块相连；数字处理模块与电机驱动模块相连，数字处理模块输出的数字脉冲，控制电机驱动模块。

2.如权利要求1所述的一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：所述上位工控机的人机界面使用台达DOP-B系列触摸屏，上位工控机与触摸屏连接完成显示及设置功能，用于设置花式纱线参数，将伺服电机运动控制指令经总线传输到下位机PLC。

3.如权利要求1所述的一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：所述下位机PLC控制模块使用台达系列PLC，通过串行485总线与上位工控机相连。

4.如权利要求1所述的一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：所述下位机PLC控制模块用于中后罗拉伺服电机的伺服控制，通过模拟量控制模块读取电机转速检测传感器来控制伺服电机转速，通过对伺服电机编码器信号的处理可计算出罗拉的转速，再根据上位机传输过来的工艺设置参数，通过伺服控制算法，控制数字信号处理模块输出脉冲信号和模拟信号控制伺服电机。

5.如权利要求1所述的一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：所述数字信号处理模块采用可编程波形发生芯片AD9833，AD9833通过SPI接口和下位机PLC控制模块的高速数据输出端口相连，通过设置控制寄存器的值生成控制伺服电机的0～200kHz数字脉冲。

6.如权利要求1所述的一种智能花式纱线控制系统，其特征在于：所述电机驱动模块采用功率放大运算芯片OPA541完成，可以完成双向功放功率放大，输入电压范围为-1V-10V，输出脉冲频率为20KHz。

7.一种智能花式纱线控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、将上位工控机和多个下位机PLC控制模块通过串行总线相连；通过上位工控机的控制界面设置复合花式纱线参数，并将复合花式纱线参数转换为对应的运动控制指令经总线传输到下位机PLC控制模块1；

步骤2、下位机PLC控制模块根据步骤1得到的运动控制指令，通过20KHz的低速数据输出端口Y4、Y5、Y6输入译码器74LS138选择控制对象，由74LS138的Y0到Y7当中的一个输出端口输出低电平信号输入数字信号处理模块AD9833芯片的端口FSYNC进行使能；

步骤3、下位机PLC控制模块由Y0与数字信号处理模块AD9833芯片的同步时钟输入端口SCLK相连，输出100KHz同步时钟脉冲信号；

步骤4、下位机PLC控制模块接收步骤1传来的运动控制指令，同时伺服电机的编码器测出伺服电机的实际转速并以数字脉冲信号反馈给下位机PLC控制模块，下位机PLC控制模块使用增量型PID算法计算控制量，把该控制量通过Y2口发送给数字信号处理模块AD9833芯片的数据输入端口ADATA；AD9833的输出端口VOUT输出不同频率的数字脉冲；

步骤5、从步骤4得到的电机控制数字脉冲输入电机驱动模块的OPA541的输入端口，通过不同频率的数字脉冲控制伺服电机转速从而控制超喂比。