工控机和数据采集卡在剑杆织机控制系统的应用
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。
本文论述的HEJ-2000型剑杆织机控制系统硬件的核心部分采用CompactPCI工控机和CompactPCI数据采集卡。软件部分的运行平台基于DOS，开发语言为Borland C++ 3.1。控制程序控制织机各部件协调动作，并综合运用各种算法对经纱张力进行实时控制。
织机控制系统硬件部分
2． 1 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 制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
当织机在短时间停车后又开车时，张力传感器会产生一个瞬时的扰动。若此时计算机采样，则采到的是错误的信号，这个信号会使计算机输出较大的送经量，相应地送经电机错误的送出较多经纱，使经纱张力下降，布面产生开车痕。
实践证明，织机在数秒钟内停车又开车，张力并没有发生多大的变化，所以，在织机运转的前几纬内仍按照原来的送经量送经，计算机不必进行数据计算，织造完前几纬后，张力恢复正常，经纱张力的控制仍按原来的综合控制算法进行。
3．2 软件总体方案
由于DOS的实时性和稳定性较好，HEJ-2000型剑杆织机控制软件的操作系统选用了DOS平台，用Borland C++ 3.1 for DOS 语言编制了控制程序。
为了以后便于调试和维护，采用模块化编程思想。软件从功能上分为六大模块：界面模块、主控模块、多臂模块、选纬模块、送经卷取模块、安全模块。
织机上电初始化后，织机主轴每转1°，主轴上的编码器有一次中断申请，进入中断服务程序，依次运行各个模块，当主轴停转时由软件实现中断申请。
4．结论
由于织机处于高温、高湿、粉尘、静电的工作环境中，加上织机本身的剧烈震动，所以剑杆织机的工作环境十分恶劣。选用一种具有高可靠性的控制机是剑杆织机控制系统的关键。基于CompactPCI总线的工控机具有良好的散热结构、针孔总线接头防潮湿和腐蚀、垂直安装的欧规卡结构具有良好的抗振性等优点。CompactPCI总线是一个开放的总线标准，硬件成本大大低于VME等传统高可靠控制平台，软件架构与商用PC完全兼容。因此CompactPCI总线自1995年诞生以来，已经在军工、电信、交通、工业自动化等领域得到广泛应用。，基于CompactPCI控制机的HEJ-2000型剑杆织机在实际应用中稳定可靠，大大减少了使用者的维护费用，得到用户的一致好评。
本文论述的HEJ-2000型剑杆织机控制系统硬件的核心部分采用CompactPCI工控机和CompactPCI数据采集卡。软件部分的运行平台基于DOS，开发语言为Borland C++ 3.1。控制程序控制织机各部件协调动作，并综合运用各种算法对经纱张力进行实时控制。
织机控制系统硬件部分
2． 1 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 制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
当织机在短时间停车后又开车时，张力传感器会产生一个瞬时的扰动。若此时计算机采样，则采到的是错误的信号，这个信号会使计算机输出较大的送经量，相应地送经电机错误的送出较多经纱，使经纱张力下降，布面产生开车痕。
实践证明，织机在数秒钟内停车又开车，张力并没有发生多大的变化，所以，在织机运转的前几纬内仍按照原来的送经量送经，计算机不必进行数据计算，织造完前几纬后，张力恢复正常，经纱张力的控制仍按原来的综合控制算法进行。
3．2 软件总体方案
由于DOS的实时性和稳定性较好，HEJ-2000型剑杆织机控制软件的操作系统选用了DOS平台，用Borland C++ 3.1 for DOS 语言编制了控制程序。
为了以后便于调试和维护，采用模块化编程思想。软件从功能上分为六大模块：界面模块、主控模块、多臂模块、选纬模块、送经卷取模块、安全模块。
织机上电初始化后，织机主轴每转1°，主轴上的编码器有一次中断申请，进入中断服务程序，依次运行各个模块，当主轴停转时由软件实现中断申请。
4．结论
由于织机处于高温、高湿、粉尘、静电的工作环境中，加上织机本身的剧烈震动，所以剑杆织机的工作环境十分恶劣。选用一种具有高可靠性的控制机是剑杆织机控制系统的关键。基于CompactPCI总线的工控机具有良好的散热结构、针孔总线接头防潮湿和腐蚀、垂直安装的欧规卡结构具有良好的抗振性等优点。CompactPCI总线是一个开放的总线标准，硬件成本大大低于VME等传统高可靠控制平台，软件架构与商用PC完全兼容。因此CompactPCI总线自1995年诞生以来，已经在军工、电信、交通、工业自动化等领域得到广泛应用。，基于CompactPCI控制机的HEJ-2000型剑杆织机在实际应用中稳定可靠，大大减少了使用者的维护费用，得到用户的一致好评。
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