基于A(yíng)RM和FPGA的全自動(dòng)拉絲機控制系統設計

通信和汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了鋼聯(lián)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。鋼聯(lián)線(xiàn)是通信電纜和輪胎的重要組成部分，其質(zhì)量直接影響著(zhù)通信的效果、輪胎的質(zhì)量、品質(zhì)和等級。拉絲機是鋼聯(lián)線(xiàn)的主要生產(chǎn)設備。針對當前主要采用PLC實(shí)現拉絲機控制系統的狀況[1]，本文提出了基于A(yíng)RM和FPGA的拉絲機控制系統，使用先進(jìn)的控制器結構，技術(shù)含量高，穩定性好，向上層軟件提供了良好的硬件接口，易于移植，并且成本低，可以替代PLC進(jìn)行生產(chǎn)控制。

1 拉絲機系統結構和原理

1.1拉絲機工藝過(guò)程

拉絲機種類(lèi)較多，對于不同要求、不同精度規則的產(chǎn)品，不同的金屬物料，可選擇不同規格的拉絲機械。盡管拉絲工藝不同，但其工作過(guò)程基本上可以劃分成放線(xiàn)、拉絲、收線(xiàn)3部分工藝過(guò)程[2]。如圖1為拉絲機工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖。

未拉的絲通過(guò)一個(gè)阻力裝置（一般是一個(gè)夾板之類(lèi)的東西，用來(lái)提供一定的張力，同時(shí)也起到了防止跳線(xiàn)的作用），進(jìn)入細拉槽，即放線(xiàn)環(huán)節；進(jìn)入細拉槽的絲在細拉塔輪和微拉塔輪的多次拉制后，成為所需要的絲，此時(shí)通過(guò)測速傳感器測出速度信號為n1；被拉細后的絲經(jīng)過(guò)滑差輪，該輪的作用主要是保持恒定張力；然后絲再經(jīng)過(guò)測速輪，該輪的作用就是測出當前拉絲的線(xiàn)速度，通過(guò)測速傳感器測出轉速信號為n2；經(jīng)過(guò)測速輪的絲再經(jīng)過(guò)一個(gè)中間環(huán)節，然后通過(guò)擺絲桿，最后把絲繞到卷軸上，即收線(xiàn)環(huán)節[2-3]。

1.2 拉絲機控制器系統

系統的控制方案主要有以下4部分：

(1) 放絲伺服的恒線(xiàn)速度控制

要求放絲電機能夠最大程度地抗干擾，能夠盡量在一個(gè)穩定的速度下運行，同時(shí)還要具備平滑的加減速功能。因為系統在啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，要以一個(gè)比較低的速度來(lái)運行,然后操作人員在HMI上通過(guò)總線(xiàn)把電機手動(dòng)加速到合適的速度才開(kāi)始拉絲，同時(shí)在停機時(shí)也要求電機能夠平滑地把速度降下來(lái)[4]。

(2) 調節伺服的跟隨控制

調節伺服驅動(dòng)器直徑接收拉絲伺服電機高速脈沖的信號，按一定的電子齒輪比跟隨放線(xiàn)速度，以保證出絲的線(xiàn)速度，同時(shí)與卷繞伺服做到了很好的協(xié)調，保證系統張力控制的穩定性[4]。

(3) 卷繞伺服的恒張力控制

要求卷繞伺服在半徑不斷增大的情況下保持與調節伺服的線(xiàn)速度相等，以保證繞出來(lái)的線(xiàn)平滑、不塌邊，提高線(xiàn)絲的成品質(zhì)量。而要實(shí)現恒線(xiàn)速度控制，必須通過(guò)一個(gè)反饋回路來(lái)檢測實(shí)際的繞線(xiàn)輪的線(xiàn)速度。先通過(guò)層數大致計算出繞線(xiàn)輪的半徑，然后再得到大致的卷繞電機的轉速，最后再加上PID誤差計算結果，這樣得到的線(xiàn)速度才比較精確，也就是線(xiàn)速度差最小[5]。

(4) 擺絲位置控制

擺絲的控制主要是保證繞制出來(lái)的線(xiàn)均勻地排列在線(xiàn)軸上。

2 硬件系統設計

拉絲機控制器硬件原理框圖如圖2所示。選用STMicroeletronics 公司ARM7TDMI 系列嵌入式處理器 STR712F作為控制器，能滿(mǎn)足拉絲機張力調節過(guò)程對實(shí)時(shí)性、高速性和精確性，同時(shí)具有高性能低功耗的特點(diǎn)，片內資源豐富，具有極高的集成度，支持工業(yè)級應用。

考慮到拉絲機控制對象復雜，需要較多的輸入輸出口，本系統還在A(yíng)RM芯片外擴展了1片FPGA芯片(選用Actel公司的A3P060)。

2.1 ARM主控制板設計

ARM主控制板是整個(gè)硬件系統的核心，包括ARM主芯片（STR712F）、SRAM、Flash、LCD接口、SPI接口(可選）、FPGA接口、串口、CAN接口、JTAG調試接口等[6]。

主控制板設計完成后，在此控制板上移植Linux操作系統，應用程序、驅動(dòng)程序和操作系統存儲于主控制板的Flash芯片；LCD接口用于擴展液晶顯示器，該主控板可以支持128×64的液晶顯示器；FPGA接口用于擴展FPGA協(xié)控制器板；JTAG接口和串口在調試時(shí)使用。

ARM主控板采用核心板和基板的結構，以節省成本。核心板包含STR712F處理器、SRAM、Flash芯片等，采用4層板布線(xiàn)；其他部分全部放置在基板，采用2層板布線(xiàn)。

ARM與FPGA的通信采用SPI總線(xiàn)協(xié)議——串行通信協(xié)議的方式實(shí)現。ARM與FPGA交換數據采用幀的形式進(jìn)行，每幀包括數據位、地址位、FPGA觸發(fā)位和命令解釋位等，ARM通過(guò)發(fā)送相應的幀來(lái)控制FPGA的執行。故主控制板上的FPGA接口由IO口、中斷線(xiàn)、地線(xiàn)和電源線(xiàn)等組成。

2.2 FPGA協(xié)處理器設計

FPGA協(xié)處理器的硬件電路主要包括電源、晶振、FPGA電路、驅動(dòng)電路等部分。協(xié)處理器及外接電路框架結構如圖3所示。

協(xié)處理器電路與ARM板通信，解析ARM發(fā)出的命令并執行，主要包括讀傳感器命令（位置信號、計數信號、光電信號、啟動(dòng)信號、運行信號、復位信號、停機信號等）、主電機控制命令、主風(fēng)機控制命令、收線(xiàn)電機控制命令、收線(xiàn)風(fēng)機控制命令、主變頻器控制命令、收線(xiàn)變頻器控制命令等，共計24路輸入和16路輸出。該部分是整個(gè)硬件控制電路的關(guān)鍵，起到橋梁的作用，前端面向主處理器，后端直接面向各機械驅動(dòng)電路。

2.3 掉電數據保護電路模塊

掉電數據保護電路由DS1302ZN接口電路、AT45DB021B接口電路、MAX706掉電檢測電路和預警比較電路組成。

2.4 通信接口電路

全自動(dòng)拉絲機系統是一種對速度控制要求高的機械設備，要求控制系統能夠提供非常精確、平滑的線(xiàn)速度。整個(gè)系統比較復雜，控制設備繁多，各個(gè)電機之間要求很高的協(xié)調性。本系統采用4套伺服電機控制，而每套伺服電機間均有數據交換，且數據通信也要求很強的實(shí)時(shí)性，也就是要求系統具有總線(xiàn)通信能力。這樣就要求伺服驅動(dòng)器擁有非常強大的功能才能滿(mǎn)足控制要求。

因此，在這里選擇了自帶CAN總線(xiàn)的ARM7，采用了標準的CANopen協(xié)議，能夠傳送和接收PDO、SDO，以滿(mǎn)足系統對實(shí)時(shí)通信數據的要求。本系統的驅動(dòng)器也集成了PROFIBUS接口，但是價(jià)格比較昂貴，采用CAN總線(xiàn)既滿(mǎn)足了控制要求，又為客戶(hù)節約了成本。

2.5 高速計數模塊

系統擴展兩路高速計數口，其中一路用來(lái)記錄現場(chǎng)工作車(chē)速，以此計算出拉絲長(cháng)度，另一路用來(lái)計算班產(chǎn)累計、拉絲總長(cháng)、拉絲時(shí)間等工藝參數。這里采用高速光耦HCPL0611將該口擴展為高速計數口?？刂破骶哂懈咚倜}沖計數能力，能夠采集高速脈沖信號，從而計算出進(jìn)絲線(xiàn)速度，然后通過(guò)PDO傳送給收卷伺服驅動(dòng)器，該伺服驅動(dòng)器根據此轉速自動(dòng)調節自身轉速，從而達到控制線(xiàn)張力的目的。

2.6 人機界面模塊

為了便于用戶(hù)管理和操作，增加了一個(gè)拉絲機工藝參數顯示設定模塊，STR712F通過(guò)一路自帶的UART串行口與該顯示模塊（觸摸屏）進(jìn)行通信。系統人機界面采用帶有RS485通信口的Easy View系列觸摸屏，通過(guò)RS485通信方式與中央控制單元連接。設置參數包括：拉絲直徑、系統啟動(dòng)、停車(chē)、跳卷、線(xiàn)速度設定、收卷點(diǎn)動(dòng)、斷線(xiàn)保護有效、防護罩有效、報警、PID參數等。通過(guò)該模塊可控制拉絲長(cháng)度和時(shí)間，實(shí)現定長(cháng)或定時(shí)收絲。利用該模塊還可直接對CPU內的計時(shí)器、計數器、變量存儲器等進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。在系統出現報警時(shí)，觸摸屏上可及時(shí)顯示系統的故障，方便用戶(hù)及時(shí)排除，提高了對生產(chǎn)設備的管理和操作的效率。

2.7 電平轉換模塊

本系統內各個(gè)模塊供電電壓有24 V、5 V、3.3 V、1.5 V等，因此，設計了專(zhuān)門(mén)的電平轉換電路，這里采用低功耗正向電壓調節器D2405S/2 W，它有很低的靜態(tài)電流，性能價(jià)格比高。

2.8 其他部分電路設計

除了以上討論的幾部分電路外，由于是變頻器驅動(dòng)機械工作，故設計了變頻調速通信模塊；同時(shí)考慮到現場(chǎng)惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，采用了一系列抗干擾技術(shù)，如硬件上采用光電輸入輸出隔離、繼電器線(xiàn)圈RC吸收等。為了保證數據和程序有足夠的存放空間，通過(guò)I2C總線(xiàn)擴展了一個(gè)外部EEPROM。

3 軟件設計

本系統程序采用模塊化設計，以有利于系統升級和替代。主要模塊有準備模塊、系統初始化模塊、張力控制模塊、傳感器信號采集模塊、計算處理模塊、故障及報警模塊、通信模塊、數據存儲模塊等，其中張力控制模塊是本設備程序設計的關(guān)鍵而且是難點(diǎn)，它包括采樣模塊、計算處理模塊、輸出模塊和調整模塊。整個(gè)過(guò)程比較復雜，涉及到匯編程序、C語(yǔ)言程序、驅動(dòng)程序、調試程序等?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖4所示。

本系統采用CAN總線(xiàn)通信，增強了系統的抗干擾能力；伺服內部算法自動(dòng)計算自身轉速，系統響應及時(shí)，張力控制得當。本系統支持串口設備，便于人機交互，整個(gè)系統可移植性強，對國內拉絲機控制系統的發(fā)展具有一定推動(dòng)作用。該系統帶來(lái)了效率（拉絲速度）、質(zhì)量（拉絲直徑）的提高，同時(shí)也降低了系統綜合成本。系統已成功應用于工業(yè)現場(chǎng)并能夠長(cháng)時(shí)間穩定運行，能自動(dòng)檢錯，易于升級。運行結果表明，它的控制性能可以與PLC控制系統相媲美。