工控機和數據采集卡在劍桿織機控制系統的應用
織機是一種將經紗與緯紗交織成織物的設備，用細長的劍桿作往復運動伸入梭口將緯紗引入織口的方法叫劍桿引緯，用劍桿引緯的織機稱為劍桿織機。1931年，西班牙巴爾培公司展出世界上第一臺劍桿織機后，劍桿織機就在不斷地發展進步。近年來，隨著現代科學技術的發展以及機電一體化和計算機技術的廣泛應用，劍桿織機更加高速化、自動化。
本文論述的HEJ-2000型劍桿織機控制系統硬件的核心部分采用CompactPCI工控機和CompactPCI數據采集卡。軟件部分的運行平臺基于DOS，開發語言為Borland C++ 3.1。控制程序控制織機各部件協調動作，并綜合運用各種算法對經紗張力進行實時控制。
織機控制系統硬件部分
2． 1 統硬件方案
HEJ-2000型劍桿織機控制系統的硬件方案為：
①采用基于CompactPCI總線的工控機及其數據采集卡。
②采用電子送經：選用三菱公司的交流伺服驅動器和交流伺服電機。伺服電機單獨傳動織軸，通過壓力傳感器測量經紗張力，張力信號經A/D轉換后送給計算機。計算機數據處理后控制伺服電機保持穩定的送經量和經紗張力。
③采用電子卷取，以實現均勻的織物緯密。
④采用電子多臂和電子選緯。
⑤選擇可靠的電氣元件，設計專用外圍電路板；合理布局布線，兼顧電磁兼容性，使控制系統有很強的抗干擾能力、很好的穩定性和可靠性。
2． 2 制系統硬件的核心部分
2.2.1 CompactPCI工業控制計算機
HEJ-2000型劍桿織機采用凌華科技有限公司的cPCIS-2650 型工控機。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系統。考慮到織機工作環境溫度高、震動強的特點，在cPCIS-2650系統中選用的CPU模塊為cPCI-3500A。cPCI-3500A支持低功耗耗奔騰MMX-266 CPU，只需散熱片就能滿足散熱要求。此外系統的存儲介質采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip電子盤，以適應現場震動要求。
基于CompactPCI總線的工控機采用有如下優點：
無源底板結構，適配卡與無源底板的連結器采用高密度、屏蔽型，針孔式連接器。有利于避免電磁干擾。
機架采用歐規卡結構，適配卡垂直插入機箱，有利于通風冷卻。
適配卡可前后走線，便于連接外設。
適配卡四周分別由定位螺絲、導軌和針孔連接器固定，抗沖擊和震動。
適配卡可帶電熱插拔，可選配冗余電源，便于維護。
。CompactPCI制定了嚴格的抗靜電和接地規定，適合工作在靜電較強的場合
與標準的PCI芯片和軟件兼容，可在商用機上編程后灌入既可進行。
2．2．2、數據采集和輸入輸出接口卡
HEJ-2000型劍桿織機選用的數據采集卡是凌華科技有限公司的CompactPCI總線的數據采集卡。其中A/D卡的型號為cPCI－9112，此卡的采樣頻率為100KHz，具有 16路單端或8路差動輸入，2路DA輸出、16路DI和16路DO。DA卡的型號為cPCI－6208，它有 8路DA輸出，分辨率為16位。DI/DO卡的型號是cPCI_7432，此卡為帶5000 V rms隔離的32路DI和32路DO數字量輸入輸出卡。
以上數據采集卡和信號接口板的使用實現了各種外部信息的輸入和控制信息的輸出，其中包括按鈕命令的接收、張力傳感器的數據采集、可控件（如各繼電器等）狀態的輸入、可控件（如伺服驅動器等）的控制輸出和信號燈的顯示等。
3． 機控制系統軟件部分
3． 1 控制算法
對于劍桿織機控制系統來說，控制的關鍵是經紗張力。控制好經紗張力才能保證良好的布面質量。在織機主軸的一個回轉周期內，因開口、打緯、送經、卷取的作用會引起張力的變化，隨著織機轉速的日益提高，對經紗張力的動態控制顯得尤為重要。因此，本控制系統綜合了多種算法以實現恒定的經紗張力。具體算法如下：
（1）算術平均值法
在織機運轉一周期內連續采樣12次，取其平均值作為本周期內的平均張力y(n)。
（2）、限幅濾波法
隨機干擾和采樣器的不穩定有時使得采樣數據偏離實際值太遠，所以采用限幅濾波，即：
當y(n) > yH時，則取y(n) = yH
當y(n)< yL時，則取y(n) = yL
當yL< y(n) < yH時，則取y(n)
這里y(n)為當前采樣值，yH為上限值，yL為下限值
（3）、死區非線性法
當采樣變化在一定范圍時，仍保持原來的采樣值，可減少運算以提高實時性和避免振蕩。即：
當 y(n)- y(n-1) < k 時，則取y(n) = y(n-1) .
（4）、滑動濾波法
為了防止系統過于靈敏而產生超調，把本次和前四次的采樣值加權平均后作為本次的張力值，參與PID控制，處理公式為
y(n+1)= [ y(n) + y(n-1)/2 + y(n-2)/4 + y(n-3)/8 + y(n-4)/16 > / 1.9375 （1）
（5）、增量式PID控制
采取增量式PID算法來控制經紗張力，經紗張力的大小由計算機給送經電機伺服驅動器發的脈沖數定義。這里我們稱之為送經量(cont)，送經量的計算在織機主軸角度0 o時進行。采取的增量式PID 控制的計算式為
cont(n+1)=cont(n)+A* [ y(n)- req > - B*[ y(n-1)- y(n)>+C*[ y(n-2)- y(n-1)> (2) 式中 req 為經紗張力設定值，A、 B、 C為PID控制參數。此外 cont 不小于零，當cont < 0 時，令 cont = 0 。
（6）、滯后控制
當織機在短時間停車后又開車時，張力傳感器會產生一個瞬時的擾動。若此時計算機采樣，則采到的是錯誤的信號，這個信號會使計算機輸出較大的送經量，相應地送經電機錯誤的送出較多經紗，使經紗張力下降，布面產生開車痕。
實踐證明，織機在數秒鐘內停車又開車，張力并沒有發生多大的變化，所以，在織機運轉的前幾緯內仍按照原來的送經量送經，計算機不必進行數據計算，織造完前幾緯后，張力恢復正常，經紗張力的控制仍按原來的綜合控制算法進行。
3．2 軟件總體方案
由于DOS的實時性和穩定性較好，HEJ-2000型劍桿織機控制軟件的操作系統選用了DOS平臺，用Borland C++ 3.1 for DOS 語言編制了控制程序。
為了以后便于調試和維護，采用模塊化編程思想。軟件從功能上分為六大模塊：界面模塊、主控模塊、多臂模塊、選緯模塊、送經卷取模塊、安全模塊。
織機上電初始化后，織機主軸每轉1°，主軸上的編碼器有一次中斷申請，進入中斷服務程序，依次運行各個模塊，當主軸停轉時由軟件實現中斷申請。
4．結論
由于織機處于高溫、高濕、粉塵、靜電的工作環境中，加上織機本身的劇烈震動，所以劍桿織機的工作環境十分惡劣。選用一種具有高可靠性的控制機是劍桿織機控制系統的關鍵。基于CompactPCI總線的工控機具有良好的散熱結構、針孔總線接頭防潮濕和腐蝕、垂直安裝的歐規卡結構具有良好的抗振性等優點。CompactPCI總線是一個開放的總線標準，硬件成本大大低于VME等傳統高可靠控制平臺，軟件架構與商用PC完全兼容。因此CompactPCI總線自1995年誕生以來，已經在軍工、電信、交通、工業自動化等領域得到廣泛應用。，基于CompactPCI控制機的HEJ-2000型劍桿織機在實際應用中穩定可靠，大大減少了使用者的維護費用，得到用戶的一致好評。
本文論述的HEJ-2000型劍桿織機控制系統硬件的核心部分采用CompactPCI工控機和CompactPCI數據采集卡。軟件部分的運行平臺基于DOS，開發語言為Borland C++ 3.1。控制程序控制織機各部件協調動作，并綜合運用各種算法對經紗張力進行實時控制。
織機控制系統硬件部分
2． 1 統硬件方案
HEJ-2000型劍桿織機控制系統的硬件方案為：
①采用基于CompactPCI總線的工控機及其數據采集卡。
②采用電子送經：選用三菱公司的交流伺服驅動器和交流伺服電機。伺服電機單獨傳動織軸，通過壓力傳感器測量經紗張力，張力信號經A/D轉換后送給計算機。計算機數據處理后控制伺服電機保持穩定的送經量和經紗張力。
③采用電子卷取，以實現均勻的織物緯密。
④采用電子多臂和電子選緯。
⑤選擇可靠的電氣元件，設計專用外圍電路板；合理布局布線，兼顧電磁兼容性，使控制系統有很強的抗干擾能力、很好的穩定性和可靠性。
2． 2 制系統硬件的核心部分
2.2.1 CompactPCI工業控制計算機
HEJ-2000型劍桿織機采用凌華科技有限公司的cPCIS-2650 型工控機。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系統。考慮到織機工作環境溫度高、震動強的特點，在cPCIS-2650系統中選用的CPU模塊為cPCI-3500A。cPCI-3500A支持低功耗耗奔騰MMX-266 CPU，只需散熱片就能滿足散熱要求。此外系統的存儲介質采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip電子盤，以適應現場震動要求。
基于CompactPCI總線的工控機采用有如下優點：
無源底板結構，適配卡與無源底板的連結器采用高密度、屏蔽型，針孔式連接器。有利于避免電磁干擾。
機架采用歐規卡結構，適配卡垂直插入機箱，有利于通風冷卻。
適配卡可前后走線，便于連接外設。
適配卡四周分別由定位螺絲、導軌和針孔連接器固定，抗沖擊和震動。
適配卡可帶電熱插拔，可選配冗余電源，便于維護。
。CompactPCI制定了嚴格的抗靜電和接地規定，適合工作在靜電較強的場合
與標準的PCI芯片和軟件兼容，可在商用機上編程后灌入既可進行。
2．2．2、數據采集和輸入輸出接口卡
HEJ-2000型劍桿織機選用的數據采集卡是凌華科技有限公司的CompactPCI總線的數據采集卡。其中A/D卡的型號為cPCI－9112，此卡的采樣頻率為100KHz，具有 16路單端或8路差動輸入，2路DA輸出、16路DI和16路DO。DA卡的型號為cPCI－6208，它有 8路DA輸出，分辨率為16位。DI/DO卡的型號是cPCI_7432，此卡為帶5000 V rms隔離的32路DI和32路DO數字量輸入輸出卡。
以上數據采集卡和信號接口板的使用實現了各種外部信息的輸入和控制信息的輸出，其中包括按鈕命令的接收、張力傳感器的數據采集、可控件（如各繼電器等）狀態的輸入、可控件（如伺服驅動器等）的控制輸出和信號燈的顯示等。
3． 機控制系統軟件部分
3． 1 控制算法
對于劍桿織機控制系統來說，控制的關鍵是經紗張力。控制好經紗張力才能保證良好的布面質量。在織機主軸的一個回轉周期內，因開口、打緯、送經、卷取的作用會引起張力的變化，隨著織機轉速的日益提高，對經紗張力的動態控制顯得尤為重要。因此，本控制系統綜合了多種算法以實現恒定的經紗張力。具體算法如下：
（1）算術平均值法
在織機運轉一周期內連續采樣12次，取其平均值作為本周期內的平均張力y(n)。
（2）、限幅濾波法
隨機干擾和采樣器的不穩定有時使得采樣數據偏離實際值太遠，所以采用限幅濾波，即：
當y(n) > yH時，則取y(n) = yH
當y(n)< yL時，則取y(n) = yL
當yL< y(n) < yH時，則取y(n)
這里y(n)為當前采樣值，yH為上限值，yL為下限值
（3）、死區非線性法
當采樣變化在一定范圍時，仍保持原來的采樣值，可減少運算以提高實時性和避免振蕩。即：
當 y(n)- y(n-1) < k 時，則取y(n) = y(n-1) .
（4）、滑動濾波法
為了防止系統過于靈敏而產生超調，把本次和前四次的采樣值加權平均后作為本次的張力值，參與PID控制，處理公式為
y(n+1)= [ y(n) + y(n-1)/2 + y(n-2)/4 + y(n-3)/8 + y(n-4)/16 > / 1.9375 （1）
（5）、增量式PID控制
采取增量式PID算法來控制經紗張力，經紗張力的大小由計算機給送經電機伺服驅動器發的脈沖數定義。這里我們稱之為送經量(cont)，送經量的計算在織機主軸角度0 o時進行。采取的增量式PID 控制的計算式為
cont(n+1)=cont(n)+A* [ y(n)- req > - B*[ y(n-1)- y(n)>+C*[ y(n-2)- y(n-1)> (2) 式中 req 為經紗張力設定值，A、 B、 C為PID控制參數。此外 cont 不小于零，當cont < 0 時，令 cont = 0 。
（6）、滯后控制
當織機在短時間停車后又開車時，張力傳感器會產生一個瞬時的擾動。若此時計算機采樣，則采到的是錯誤的信號，這個信號會使計算機輸出較大的送經量，相應地送經電機錯誤的送出較多經紗，使經紗張力下降，布面產生開車痕。
實踐證明，織機在數秒鐘內停車又開車，張力并沒有發生多大的變化，所以，在織機運轉的前幾緯內仍按照原來的送經量送經，計算機不必進行數據計算，織造完前幾緯后，張力恢復正常，經紗張力的控制仍按原來的綜合控制算法進行。
3．2 軟件總體方案
由于DOS的實時性和穩定性較好，HEJ-2000型劍桿織機控制軟件的操作系統選用了DOS平臺，用Borland C++ 3.1 for DOS 語言編制了控制程序。
為了以后便于調試和維護，采用模塊化編程思想。軟件從功能上分為六大模塊：界面模塊、主控模塊、多臂模塊、選緯模塊、送經卷取模塊、安全模塊。
織機上電初始化后，織機主軸每轉1°，主軸上的編碼器有一次中斷申請，進入中斷服務程序，依次運行各個模塊，當主軸停轉時由軟件實現中斷申請。
4．結論
由于織機處于高溫、高濕、粉塵、靜電的工作環境中，加上織機本身的劇烈震動，所以劍桿織機的工作環境十分惡劣。選用一種具有高可靠性的控制機是劍桿織機控制系統的關鍵。基于CompactPCI總線的工控機具有良好的散熱結構、針孔總線接頭防潮濕和腐蝕、垂直安裝的歐規卡結構具有良好的抗振性等優點。CompactPCI總線是一個開放的總線標準，硬件成本大大低于VME等傳統高可靠控制平臺，軟件架構與商用PC完全兼容。因此CompactPCI總線自1995年誕生以來，已經在軍工、電信、交通、工業自動化等領域得到廣泛應用。，基于CompactPCI控制機的HEJ-2000型劍桿織機在實際應用中穩定可靠，大大減少了使用者的維護費用，得到用戶的一致好評。
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