工控机和数据采集卡打造升级剑杆织机控制系统

　　织机是一种将经纱与纬纱交织成织物的设备，用细长的剑杆作往复运动伸入梭口将纬纱引入织口的方法叫剑杆引纬，用剑杆引纬的织机称为剑杆织机。1931年，西班牙巴尔培公司展出世界上第一台剑杆织机后，剑杆织机就在不断地发展进步。近年来，随着现代科学技术的发展以及机电一体化和计算机技术的广泛应用，剑杆织机更加高速化、自动化。

2. 织机控制系统硬件部分

2. 1系统硬件方案

HEJ-2000型剑杆织机控制系统的硬件方案为：

　　①采用基于ComPACtPCI总线的工控机及其数据采集卡。

　　②采用电子送经：选用三菱公司的交流伺服驱动器和交流伺服电机。伺服电机单独传动织轴，通过压力传感器测量经纱张力，张力信号经A/D转换后送给计算机。计算机数据处理后控制伺服电机保持稳定的送经量和经纱张力。

③采用电子卷取，以实现均匀的织物纬密。

④采用电子多臂和电子选纬。

　　⑤选择可靠的电气元件，设计专用外围电路板;合理布局布线，兼顾电磁兼容性，使控制系统有很强的抗干扰能力、很好的稳定性和可靠性。

2. 2系统硬件的核心部分

　　2.2.1 CompactPCI工业控制计算机

HEJ-2000型剑杆织机采用凌华科技有限公司的cPCIS-2650 型工控机。cPCIS-2650是一款4U高度的3U CompactPCI系统。考虑到织机工作环境温度高、震动强的特点，在cPCIS-2650系统中选用的CPU模块为cPCI-3500A。cPCI-3500A支持低功耗耗奔腾MMX-266 CPU，只需散热片就能满足散热要求。此外系统的存储介质采用cPCI-3500A上8M DiskOnChip电子盘，以适应现场震动要求。

基于CompactPCI总线的工控机采用有如下优点：

　　无源底板结构，适配卡与无源底板的连结器采用高密度、屏蔽型，针孔式连接器。有利于避免电磁干扰。

机架采用欧规卡结构，适配卡垂直插入机箱，有利于通风冷却。

适配卡可前后走线，便于连接外设。

适配卡四周分别由定位螺丝、导轨和针孔连接器固定，抗冲击和震动。

适配卡可带电热插拔，可选配冗余电源，便于维护。

。CompactPCI制定了严格的抗静电和接地规定，适合工作在静电较强的场合

与标准的PCI芯片和软件兼容，可在商用机上编程后灌入既可进行。

2.2.2、数据采集和输入输出接口卡

HEJ-2000型剑杆织机选用的数据采集卡是凌华科技有限公司的CompactPCI总线的数据采集卡。其中A/D卡的型号为cPCI-9112，此卡的采样频率为100KHz，具有 16路单端或8路差动输入，2路DA输出、16路DI和16路DO。DA卡的型号为cPCI-6208，它有 8路DA输出，分辨率为16位。DI/DO卡的型号是cPCI_7432，此卡为带5000 V rms隔离的32路DI和32路DO数字量输入输出卡。

　　以上数据采集卡和信号接口板的使用实现了各种外部信息的输入和控制信息的输出，其中包括按钮命令的接收、张力传感器的数据采集、可控件(如各继电器等)状态的输入、可控件(如伺服驱动器等)的控制输出和信号灯的显示等。

3. 机控制系统软件部分

3. 1 控制算法

对于剑杆织机控制系统来说，控制的关键是经纱张力。控制好经纱张力才能保证良好的布面质量。在织机主轴的一个回转周期内，因开口、打纬、送经、卷取的作用会引起张力的变化，随着织机转速的日益提高，对经纱张力的动态控制显得尤为重要。因此，本控制系统综合了多种算法以实现恒定的经纱张力。具体算法如下：

(1)算术平均值法

在织机运转一周期内连续采样12次，取其平均值作为本周期内的平均张力y(n)。

(2)、限幅滤波法

随机干扰和采样器的不稳定有时使得采样数据偏离实际值太远，所以采用限幅滤波，即：

当y(n) > yH时，则取y(n) = yH

当y(n)< yL时，则取y(n) = yL

当yL< y(n) < yH时，则取y(n)

这里y(n)为当前采样值，yH为上限值，yL为下限值

(3)、死区非线性法

当采样变化在一定范围时，仍保持原来的采样值，可减少运算以提高实时性和避免振荡。即：

当 y(n)- y(n-1) < k 时，则取y(n) = y(n-1) .

(4)、滑动滤波法

为了防止系统过于灵敏而产生超调，把本次和前四次的采样值加权平均后作为本次的张力值，参与PID控制，处理公式为

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算法来控制经纱张力，经纱张力的大小由计算机给送经电机伺服驱动器发的脉冲数定义。这里我们称之为送经量(cont)，送经量的计算在织机主轴角度0 o时进行。采取的增量式PID 控制的计算式为

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 为经纱张力设定值，A、 B、 C为PID控制参数。此外 cont 不小于零，当cont < 0 时，令 cont = 0 。

(6)、滞后控制

当织机在短时间停