摘 要：該文簡介了特里科經(jīng)編機的構(gòu)成和工藝原理以及對其控制系統(tǒng)性能的要求，著重描述了系統(tǒng)配置及特點和系統(tǒng)功能及其實現(xiàn)。B&R系統(tǒng)的強大算法功能、多軸伺服驅(qū)動同步關(guān)系模型和科學(xué)實用的HMI設(shè)計模式在該系統(tǒng)開發(fā)中體現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：特里科經(jīng)編機；控制系統(tǒng)；技術(shù)方案
中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：
The Control System Solution of High Speed Warp Knitting Machine Based on B&R Automation Products
LI Ning-bo, SONG Hua-zhen
(B&R Industrial Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233)
Abstract: The paper introduces in brief the composition and process theory of the tricot warp knitt and the requirements for its control system performances with emphasis on the description of the configuration and features of the system and also the system functions and its implementation. The powerful algorithm functions, the synchronous relational model of multi-shaft servo drive and the scientific and practical design mode for HMI graphics of B&R system embody an enormous technological superiority in the system development.
Keywords: Tricot Warp Knitt; Control System; Technical Scheme
0. 前言
很多漂亮的鞋子、婚紗、旅行包的面料都是采用經(jīng)編機編織出來的，還有玻璃纖維的高速公路隔離柵材料、游艇、沖浪板的材料、飛機的外殼、風(fēng)力發(fā)電的葉片、集裝箱、摩托車頭盔、甚至到潛艇、航空飛機很多領(lǐng)域都使用由經(jīng)編機編織的材料，經(jīng)編機的種類非常多，針對不同的工藝有拉舍爾和特里科兩種經(jīng)編機，又按照襯緯與否可分為帶襯緯的經(jīng)編機等等，有雙針床、單針床等。以下主要介紹采用B&R工控產(chǎn)品的高速特里科經(jīng)編機控制系統(tǒng)。
1. 特里科經(jīng)編機工藝及對控制系統(tǒng)的要求
1.1 經(jīng)編機的構(gòu)成和工藝簡介
經(jīng)編機的外觀如圖1所示，由送經(jīng)、成圈機構(gòu)、牽拉、卷取幾個單元構(gòu)成，經(jīng)線通過盤頭放卷為成圈機構(gòu)提供穩(wěn)定的送紗量，針床的成圈機構(gòu)通過退圈、墊紗、帶紗、閉口、套圈等一系列動作完成對材料的編織，牽引單元將織好的材料隨著每個橫列的完成向前牽引，而卷取單元則將完成的材料卷成整卷。
傳統(tǒng)的經(jīng)編機是通過機械的方式進(jìn)行連接，即渦輪蝸桿進(jìn)行傳動的變化組合，而這些對于變化的需求來說就非常不靈活，而現(xiàn)代伺服技術(shù)提供了更靈活的系統(tǒng)設(shè)計。經(jīng)編機的送經(jīng)量控制是關(guān)鍵，對于在每個周期里沒有變化的送經(jīng)而言，采用變頻器即可，這種送經(jīng)單元稱為EBA。
而對于每個周期送經(jīng)量有最大64種變化的編織圖案設(shè)計而言，則送紗量要通過伺服進(jìn)行可靠的輸送，在主軸的每個旋轉(zhuǎn)周期里，按照經(jīng)編工藝的要求，送經(jīng)量的變化可能最大達(dá)到64種，伺服需要據(jù)此進(jìn)行速度的調(diào)整以適應(yīng)經(jīng)編工藝對送紗量的精確需求。另一個控制維度在于隨著送經(jīng)的變化盤頭的周長不斷減小，需要不斷的加快盤頭角速度，以保證送經(jīng)量的穩(wěn)定輸出，這就是所謂的EBC單元，對于僅僅是簡單的變化而言，EBA即可實現(xiàn)，但是，對于變化復(fù)雜的花樣而言，則EBC就非常的有必要了。
圖1 特里科經(jīng)編機的外觀
1.2 對控制系統(tǒng)的要求
（1）性能要求
客戶對這臺機器提出了3000RPM的設(shè)計目標(biāo)（針距E32，密度最小2C/cm），這是一臺真正意義的高速經(jīng)編機，目前國內(nèi)經(jīng)編機大多為主機轉(zhuǎn)速在800～1200RPM的速度，效率較低，并且多設(shè)計為固定的EBA系統(tǒng)，而該客戶設(shè)計的起點較高，設(shè)計為3000RPM的高速經(jīng)編機，這對機器的伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力提出了較高的要求，采用國際先進(jìn)的EBC設(shè)計使得對于控制算法的設(shè)計也提出了要求，最大支持64橫列（Courses）的送經(jīng)量變化，考慮到極端情況，運行在3000RPM的機器對于64橫列變化送經(jīng)量的支持，需要控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)擁有非常高速的運算和處理能力及通訊能力。
ACOPOS伺服驅(qū)動器配合Ethernet POWERLINK實時以太網(wǎng)提供了最快400uS的數(shù)據(jù)刷新周期，因此，B&R的ACOPOS和EPL在方案交流階段即得到了認(rèn)可。
（2）功能要求
客戶除了對性能提出了嚴(yán)格的要求，對于功能設(shè)計也提出了很多要求，例如：EBC的設(shè)置算法設(shè)計、電子牽拉和電子卷取（中心卷取方式）、打印機功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能設(shè)計、掉電停車功能、人機操作的科學(xué)和實用性設(shè)計等。
2. 系統(tǒng)配置
2.1伺服驅(qū)動技術(shù)
配置了6個B&R高性能的ACOPOS伺服驅(qū)動器，提供了送經(jīng)和卷繞的高速響應(yīng)能力。其中主軸運行為異步伺服模式，ACOPOS驅(qū)動器采用模塊化設(shè)計，在其插槽上插入外接編碼器模塊使得每個軸可以直接計算送經(jīng)羅拉的編碼器反饋值，并高速運算。
2.2控制顯示
500MHz的處理器，128MB的SDRAM。B&R Power Panel 400系列不僅僅是一個人機界面，同時它也是一款高性能的CPU，支持高達(dá)200uS的循環(huán)周期，EBC的復(fù)雜算法與科學(xué)的人機設(shè)計均由其獨立完成。
2.3現(xiàn)場總線
Ethernet POWERLINK實時通信技術(shù)提供的高達(dá)400uS的實時通信刷新速率，100Mbps的傳輸速度，確保了整機控制的數(shù)據(jù)交換通暢。
該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3. 系統(tǒng)功能及其實現(xiàn)
該系統(tǒng)的功能很多，包括電子送經(jīng)EBC單元設(shè)計、電子牽拉和電子卷?。ㄖ行木砣》绞剑MI操作功能、打印機功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、掉電停車功能、人機操作的科學(xué)和實用性設(shè)計等。其中某些功能具有一定的前瞻性，具體分為以下幾個單元：
3.1電子送經(jīng)EBC單元設(shè)計(Electric Beam Control)
圖3 EBC單元原理圖
EBC原理，如圖3中，測速羅拉（roller）能夠?qū)崟r測量到盤頭的送經(jīng)速度及周長變化，編碼器數(shù)據(jù)通過編碼器模塊反饋到控制器（PCC）中處理，X20的編碼器模塊X20DC1196支持高速的采樣。PCC綜合主軸編碼器位置變化、每橫列設(shè)定的送經(jīng)量和現(xiàn)時各送經(jīng)軸盤頭的周長變化不斷地優(yōu)化計算出送經(jīng)軸的運動參數(shù)。對于花色變化不大的編織而言，在主軸的一個循環(huán)周期里，送經(jīng)的變化并不頻繁，但是，當(dāng)花色需要在一個循環(huán)周期里提供16段、32段或者更多的橫移動作的話，那么，在一個循環(huán)周期中不同段的送經(jīng)量的變化將會需要伺服電機不斷地進(jìn)行運動參數(shù)調(diào)整來實現(xiàn)，這對伺服響應(yīng)能力提出了嚴(yán)格的要求。
工藝員根據(jù)花盤設(shè)定循環(huán)周期內(nèi)每段所需的送經(jīng)量，系統(tǒng)將實時根據(jù)當(dāng)前經(jīng)軸架的盤頭周長變化來計算下一個循環(huán)周期里每段送經(jīng)量的運動參數(shù)。采用B&R ACOPOS伺服驅(qū)動器內(nèi)置的CyclicCom（循環(huán)讀寫）功能，PCC依據(jù)對主軸單圈絕對值編碼器位置的變化，將下一個橫列對應(yīng)的送經(jīng)量的運動參數(shù)寫入伺服控制器，這樣，伺服將會從一個橫列的送經(jīng)量平滑的切換到另一個橫列的送經(jīng)量。在每一個循環(huán)周期里，我們的系統(tǒng)預(yù)留了最多64個橫列送經(jīng)量的變化，而由于以上的巧妙設(shè)計及我們高性能的PCC和伺服系統(tǒng)提供的硬件保障，其實每一個送經(jīng)軸只使用了1個CAM狀態(tài)就實現(xiàn)了任意多個橫列作為一個循環(huán)周期的不同送經(jīng)量的高速無縫切換。
參考以上的敘述，EBC考慮的并非僅僅是橫列變化時所需的送經(jīng)量變化帶來的伺服運動參數(shù)的調(diào)整，還有一個維度即：盤頭的直徑是不斷減小的，這要求不斷的根據(jù)盤頭周長的變化修正盤頭的角速度來保證每個循環(huán)周期的相應(yīng)橫列的送經(jīng)穩(wěn)定不變。
ACOPOS伺服驅(qū)動器提供了多個編碼器接口的設(shè)計，因此，檢測速度可由X20分布式IO來提供反饋，也可以通過直接接入到伺服驅(qū)動器的編碼器卡槽位上反饋，而且ACOPOS伺服驅(qū)動器可以設(shè)置為變頻模式支持異步電機，它即保證了很好的調(diào)速特性也能夠降低成本，并且ACOPOS與其它軸之間的總線通信保證了軸與軸之間的實時性。
3.2電子卷取單元（EWA）
圖4 電子卷取單元示意圖
如圖4所示，卷取采用中心收卷方式，并非想象的那么簡單，因為，要保證材料的收卷均勻可靠，必須依賴于與主軸的同步，以及在不同階段的力矩變化控制。在啟始、加速、減速時，由于橫列的花樣變化帶來的位置變化都將被考慮在其中，因此，卷取軸與牽拉軸同步并且在不斷進(jìn)行力矩輸出控制計算。
接近開關(guān)兩次觸發(fā)間的計時與電機的速度相乘得到已走過的距離，與設(shè)定的最大距離相除即得到百分比，再以最大扭矩與最小扭矩線性化成100%的區(qū)間，在每個區(qū)間里伺服提供可靠的力矩輸出來獲得對卷取的穩(wěn)定控制，事實上，它是用交流伺服來模擬出直流伺服電機所需的良好線性機械特性曲線，要對卷取材料的在卷取過程中的縮放進(jìn)行補償設(shè)計，使得更加穩(wěn)定而柔和的實現(xiàn)卷取。
3.3 HMI操作設(shè)計
如圖5所示，將整個屏設(shè)計為三個部分，最上面的日常狀態(tài)顯示，它可以顯示客戶公司的LOGO、批號、時間和畫面的頁面名稱，在中間部分顯示狀態(tài)頁、參數(shù)設(shè)置頁內(nèi)容，底部區(qū)域設(shè)計為頁面切換的鍵，采用了Windows風(fēng)格的操作圖標(biāo)。
圖5 HMI的畫面之一
3.4 打印機功能
通過驅(qū)動程序植入和對串口的通信設(shè)計，Power Panel提供了與小型打印機連接的功能，能夠?qū)⑸a(chǎn)批次、產(chǎn)量、故障、歷史記錄等進(jìn)行打印輸出。
3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)RMS（Remote Monitoring System）
采用在Power Panel中添加VNC Server并為機器設(shè)置IP地址，可以實現(xiàn)不增加任何成本的情況下，達(dá)到遠(yuǎn)程對機器的監(jiān)控和操作功能，提供兩級訪問控制，一級是監(jiān)控機器狀態(tài)的權(quán)限，一級是對機器參數(shù)的修改功能授權(quán)給高級工程師。
另外，也可以在Power Panel中添加Web Server ，它使得Power Panel可以提供基于B/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程訪問能力，由遠(yuǎn)程端的IE Browser通過Internet訪問該機器，對于未來的維護而言，將會大大的提供便利。
圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控參數(shù)設(shè)置
4. 系統(tǒng)特點
4.1 PCC強大的算法設(shè)計功能
我們從圖7可以看到EBC參數(shù)設(shè)置畫面，對于普通的系統(tǒng)而言，本來最多需要33幅畫面（每個循環(huán)周期橫列總數(shù)最多可以設(shè)定64，如果細(xì)分為64段，每頁顯示6段，一組EBC參數(shù)需要11頁）才能完成的三組EBC參數(shù)設(shè)定，而對于B&R的PCC，這里只用了一幅畫面來實現(xiàn)，完全歸功于程序的編寫技巧，體現(xiàn)了貝加萊軟件強大編程功能，不僅節(jié)省了程序存儲空間，也提高了運行效率，使得程序更加便于維護。
圖7 EBC參數(shù)設(shè)置畫面
4.2 高性能的系統(tǒng)
這個應(yīng)用中，當(dāng)達(dá)到3000RPM轉(zhuǎn)速和64個Courses的應(yīng)用時，系統(tǒng)必須在20mS內(nèi)完成下一個橫列送經(jīng)量的計算、傳輸運動參數(shù)到驅(qū)動器和驅(qū)動器的執(zhí)行動作整個過程，需要計算的任務(wù)周期、數(shù)據(jù)傳輸周期和伺服執(zhí)行周期均高速通暢，這依賴于Power Panel的高速實時任務(wù)處理、Ethernet Powerlink的高速實時數(shù)據(jù)傳輸和ACOPOS伺服驅(qū)動器的快速響應(yīng)能力相互配合，才能實現(xiàn)，經(jīng)測試軟件檢測，即使如此，CPU的使用率也只有30%多點，對于目前全世界最高的4200RPM的高速機應(yīng)用而言，這個系統(tǒng)也是能夠支撐其運行且穩(wěn)定可靠，另外一個事實是： 那臺高速機上采用的正是B&R的系統(tǒng)。
4.3 科學(xué)實用的操作界面
B&R工程師花費很多的時間認(rèn)真與客戶討論如何讓機器更加人性化和易于操作、學(xué)習(xí)，原則是不能讓畫面復(fù)雜、因為對于操作機器的人來說，復(fù)雜就會容易出錯，并且不易于掌握，但是，這個機器又要設(shè)計的功能強大，涵蓋各種可能的生產(chǎn)應(yīng)用變化，這似乎是一個矛盾，但是，B&R工程師和客戶經(jīng)過討論，制定了一個標(biāo)準(zhǔn)的畫面格式，如之前所描述的，它使得看上去矛盾的事情變得簡單，讓其不僅美觀大方而且易于理解，對于操作人員來說，每個界面都是采用固定的格式，他們很容易從圖標(biāo)明白如何切換到不同的頁面。并且那些不必要的、會造成操作人員迷惑的按鈕都被消除了，系統(tǒng)顯得非常的條理化和人性化。
圖8 畫面設(shè)計的條理化和人性化
5. 結(jié)束語
B&R經(jīng)驗豐富的工程師很好地把握了客戶的設(shè)計需求，并在該項目研發(fā)中充分展現(xiàn)了B&R系統(tǒng)的強大算法設(shè)計功能、多軸同步關(guān)系模型和科學(xué)實用的HMI設(shè)計模式。
他們在機器設(shè)計領(lǐng)域積累的豐富的經(jīng)驗已經(jīng)被傳遞到客戶的應(yīng)用中去，雖然控制器、網(wǎng)絡(luò)和驅(qū)動器的功能和性能非常重要，但是，更重要的是其工程師團隊對于客戶需求的把握和實現(xiàn)能力，這才是B&R真正的競爭力。
作者簡介
李寧波 貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司 工程師。
宋華振 貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司 工程師。
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