嵌入式技術(shù)在紡織機械控制系統中的應用

1引言

目前大部分紡織機械的控制系統都是采用觸點(diǎn)式和步進(jìn)式的分離器件式的控制裝置、單片機或單板機控制裝置、上業(yè)PC機控制裝置，還有PLC控制裝置等，這此傳統的控制系統存在以下缺點(diǎn)。

采用傳統的繼電器和分立的電子線(xiàn)路來(lái)作為紡織機械的控制裝置，系統結構復雜、功耗大、叫一靠性差、運行維護小方便、控制柜體積大，同時(shí)控制精度低、上作可靠性差、能耗大、使用成本高(電熱元件消耗太大)，而且各種控制特性和保護特性配合小合理、系統的綜合技術(shù)經(jīng)濟性小高。隨著(zhù)使用時(shí)間的推移，溫度、潮濕、電氣元件老化、灰塵、雜質(zhì)、機械摩擦等等囚素的影響，造成有的系統部件性能下降甚至失控「‘」。

采用單片機控制，邏輯控制繁瑣，增加了維修調試的環(huán)節，線(xiàn)路板驅動(dòng)部件老化程度較高，如果出現問(wèn)題將更換整塊電板路，維修成本高。山于單片機功能單一、速度較慢、網(wǎng)絡(luò )功能小健個(gè)，它經(jīng)常采用中口通信來(lái)交換數據和信息，而中口通信在使用中存在抗十擾能力差、傳輸距離短和傳輸速率低等缺點(diǎn)。即使采用高速單片機來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )傳輸，山于需要額外的ROM/RAM空間，這對于一此內存十分有限、且只能上作在單片方式的單片機來(lái)說(shuō)會(huì )受到限制，并且其內裝的TCP/工P協(xié)議棧簡(jiǎn)單，沒(méi)有內置多任務(wù)操作系統，對大量網(wǎng)絡(luò )廣播包數據、病毒攻擊響應有困難，非常容易導
致卞機網(wǎng)絡(luò )掉線(xiàn)「2」。

PLC控制系統也存在固有的缺陷，山于PLC是一種通用的控制器，應用到紡織機械控制系統作為現地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進(jìn)上作，配置額外的設備和電路。同時(shí)PLC本身存在嚴重的缺點(diǎn)，卞要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而小是開(kāi)放的，絕大多數的PLC是專(zhuān)用總線(xiàn)、專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò )及協(xié)議，編程雖多為梯形圖，但各公!司的組態(tài)、尋址、硬件結構小一致，使各種PLC勺_小兼容。同時(shí)PLC十PC機控制系統監控程序的實(shí)時(shí)性、開(kāi)放性和可靠性無(wú)法得到保障，其通信速度慢和PLC專(zhuān)用聯(lián)網(wǎng)模塊的設訓也是一個(gè)很大的問(wèn)題。

2嵌入式系統的優(yōu)點(diǎn)

嵌入式技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，特別是近幾年無(wú)淪在MCU、軟件系統、開(kāi)發(fā)上具與方法和勺_聯(lián)網(wǎng)的結合，以及在應用上都取得了重大的發(fā)展。目前，嵌入式技術(shù)正處在一個(gè)飛速發(fā)展和激烈競爭的階段。從技術(shù)和市場(chǎng)角度，嵌入式系統硬件特別是嵌入式CPU處理能力提升較快，山8位、16位升級到32位與64位，掌上電腦、PDA、電腦手機、電腦汽車(chē)等新產(chǎn)品層出小窮，產(chǎn)業(yè)規模日益壯大。在中國大陸地區，雖然關(guān)鍵硬件卞要依靠進(jìn)口，技術(shù)基礎相對較弱，但在經(jīng)過(guò)近年的迅速發(fā)展，無(wú)淪是硬件、軟件還是應用，都已取得質(zhì)的突破「3」。

嵌入式系統是指以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可以剪裁，適用于應用系統對功能、叫一靠性、成、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式系統是將計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像等數據傳輸技術(shù)、傳感器等先進(jìn)技術(shù)與具體應用對象相結合的產(chǎn)物，它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、小斷創(chuàng )新的知識集成系統「1」。

在嵌入式系統中，操作系統和應用軟件常被集成于計算機硬件系統之中，使系統的應用軟件與硬件一體化。嵌入式系統卞要包括嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統、以及應用軟件系統四部分囚。根據應用方式的小同，叫一將嵌入式系統分為知識產(chǎn)權核(intellectual property, IP)級、芯片級和模塊級等3種小同的體系結構形式，它們均采用“量體裁衣”的方式，把所需的功能或模塊嵌入到各種應用系統中，實(shí)現對應用對象的控制、監視和管理等功能圈。

具體來(lái)說(shuō)，嵌入式技術(shù)卞要有以下優(yōu)點(diǎn): (1)山于是嵌入到對象系統中，完個(gè)滿(mǎn)足對象系統的環(huán)境要求，如物理環(huán)境(小型)、電氣/氣氛環(huán)境(叫一靠)、成本(價(jià)廉)等要求。同時(shí)它還具有與“專(zhuān)用性”的相關(guān)特點(diǎn):軟、硬件的裁剪性，滿(mǎn)足對象要求的最小軟、硬件配置等。

(2)軟件代碼要求高質(zhì)量、高可靠性:盡管半導體技術(shù)的發(fā)展使處理器速度小斷提高、片上存儲器容量小斷增加，但在大多數應用中，存儲空間仍然是寶貴的，還存在實(shí)時(shí)性的要求。嵌入式系統中用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼和編譯上具的質(zhì)量高，減小了程序一進(jìn)制代碼氏度、提高了執行速度。

(3)嵌入式系統以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、適應各種應用的、對功能、叫一靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式系統是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物，這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、小斷創(chuàng )新的知識集成系統。

(4)嵌入式系統軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統開(kāi)發(fā)平臺(RTOS):通用計算機具有完善的操作系統和應用程序接口，是計算機基本組成小叫一分離的一部分，應用程序的開(kāi)發(fā)以及完成后的軟件都在。S平臺上面運行，但一般小是實(shí)時(shí)的。嵌入式系統則小同，應用程序在RTOS環(huán)境下直接在芯片上運行，保證程序執行的實(shí)時(shí)性、叫一靠性，并減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。

(5)嵌入式系統具有強大的網(wǎng)絡(luò )和通信功能:它除含工EEE1394-2 (USB火線(xiàn))外，還包含有傳統的RS232和工EEE488接口，以及以太網(wǎng)接口和相應的TCP/工P協(xié)議，非常適合于低層控制和與上層通信。

在嵌入式系統的基礎上，利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和自動(dòng)化檢測技術(shù)，對紡織機械控制系統進(jìn)行準確、叫一靠的群控、群測，從而將整個(gè)系統的運行狀況在網(wǎng)絡(luò )的基礎上建立實(shí)時(shí)和歷史數據庫提供統計分析，實(shí)現及時(shí)、準確和可靠的信息采集、管理和傳輸。在嵌入式系統的基礎上，實(shí)現功能綜合化、網(wǎng)絡(luò )勺_聯(lián)化、開(kāi)放化和標準化是新一代紡織機械控制系統的特征。

3嵌入式技術(shù)在紡織機械控制系統中的應用

以圓網(wǎng)印花機控制系統為例。圓網(wǎng)印花}L是一個(gè)多部分協(xié)調運動(dòng)的電氣傳動(dòng)系統，要求各個(gè)印花圓網(wǎng)之間以及圓網(wǎng)與送布皮帶之間保持嚴格的同步運動(dòng)。印花傳誦帶經(jīng)卞電}L拖動(dòng)，以穩定的速度運行，各個(gè)印花篩網(wǎng)分別山步進(jìn)電機拖動(dòng)跟蹤送步帶，達到同步轉速，再經(jīng)過(guò)快速調整，使各個(gè)篩網(wǎng)的零與第一級篩網(wǎng)的零位標志會(huì )合，此時(shí)織物進(jìn)入印花機，進(jìn)入生產(chǎn)過(guò)程，如圖1所示。在穩態(tài)運行過(guò)程中，要求各個(gè)篩網(wǎng)小僅能夠自動(dòng)調整皮帶速度變化和自身十擾等誤差，而且能夠根據前級誤差確定自身的最佳會(huì )合點(diǎn)。

山于圓網(wǎng)印花機被控設備較多，而且它們之間存在大量通信，囚此圓網(wǎng)印花機控制系統多采用分布式控制系統方案。在各從機中，0號下位機用于測量導布皮帶速度，1號一n號下位機分別完成對各級圓網(wǎng)位置和速度的控制，上位機卞要完成對下位機的監控、協(xié)調和管理?；谇度胧郊夹g(shù)的分布式圓網(wǎng)印花機控制系統如圖2所示，其中的下位機用嵌入式CPU實(shí)現，采用ARM9處理器和實(shí)時(shí)嵌入式操作系統，協(xié)調并控制其他幾個(gè)模塊的正常上作，系統的導帶單元配備編碼器，印花單元配備光電檢測開(kāi)關(guān)，同時(shí)一個(gè)嵌入式驅動(dòng)節點(diǎn)叫-以管理1-}-4個(gè)單元的驅動(dòng)，一個(gè)嵌入式操作節點(diǎn)管理1-}-4個(gè)圓網(wǎng)的操作。

上、下位機之間采用PROF工BUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行通信，PROF工BUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采用了公開(kāi)化、標準化的開(kāi)放式解決方案，實(shí)現真正的個(gè)分布式控制，將控制功能傳輸到現場(chǎng)印花設備，使控制系統更加趨于分布化、扁平化、網(wǎng)絡(luò )化、集成化和智能化。它采用一對一的工//0連接方式，對于圓網(wǎng)印花控制系統這種大規模系統來(lái)說(shuō)，減少了山于接線(xiàn)點(diǎn)造成的小叫一靠囚素。同時(shí)系統具有現場(chǎng)級設備的在線(xiàn)l改障診斷、報警、記錄功能，叫一完成現場(chǎng)控制設備的遠程參數設定、修改等上作，也增強了系統的可維護性。

同時(shí)，基于嵌入式技術(shù)的圓網(wǎng)印花機控制系統利用以太網(wǎng)協(xié)議，具有工nternet接入功能，實(shí)現遠程監視、遠程診斷，提供強大的在線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)支持。通過(guò)它可以遠程實(shí)時(shí)觀(guān)察系統的狀態(tài)，并且能夠象現場(chǎng)人員一樣對設備進(jìn)行相應的交勺_式操作，監控各部件當前的狀態(tài)、進(jìn)行診斷維護等。圓網(wǎng)印花機控制系統監控子系統包括以下功能:

(1)系統設置功能:設置嵌入式控制子系統的通訊接口參數，設置報警狀態(tài)，當系統或者測量值越線(xiàn)時(shí)報警，

(2)數據采集功能:對輸出的頻率、電壓、電流、脈沖及數字編碼等信號的傳感器進(jìn)行常規巡測，定時(shí)巡測以及人上測量等，同時(shí)通過(guò)設置各種數據庫實(shí)現對上程文檔、巡查信息、原始測量、轉換成功、監控指標和數學(xué)模型等進(jìn)行管理，

(3)傳感器設置功能:分別對各類(lèi)傳感器進(jìn)行編程、設置，

(4)系統自檢功能:在數據采集過(guò)程中，先進(jìn)行系統自檢，當系統硬件設備、軟件初始化或者通信線(xiàn)路發(fā)生l改障時(shí)，在計算機上能顯示相關(guān)信息，便于及時(shí)維修，

(5)異常診斷及報警功能:系統通過(guò)檢測值處理、時(shí)空分析，結合巡查新鮮和運行情況，對測量異常進(jìn)行分級報警，以方便防洪決策，

(6)人機界面:叫一按日常要求提供簡(jiǎn)要的報告，包括機器和設備布置情況報告，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構報告，測量和控制程序報告，數據報告，報警報告和系統運行維護情況報告等。

除上述功能外，監測子系統還提供自動(dòng)監測數據和人上觀(guān)測數據的處理，提供監測數據庫與工nternet數據庫接口，提供數據備份。圓網(wǎng)印花機控制系統監控子系統的結構框圖如圖3所示。

為滿(mǎn)足用瀏覽器進(jìn)行遠程操作、控制與監測，上層系統還具有HTTP服務(wù)器功能，為實(shí)現應用程序的遠程更新和文件管理，系統應具有FTP服務(wù)器功能，為實(shí)現設備運行狀態(tài)Web數據庫記錄自動(dòng)填報，系統應具有HTTP客戶(hù)功能，為實(shí)現設備運行狀態(tài)監測數據文件的自動(dòng)發(fā)送，系統應具有FTP客戶(hù)功能，為實(shí)現用Email報警和發(fā)送設備運行狀態(tài)信息，系統還應具有SMTP客戶(hù)功能。圖4是網(wǎng)絡(luò )遠程通訊模塊的運行原理框圖。

通過(guò)嵌入式控制系統，還叫一以在在監控中心計算機上運行監控組態(tài)軟件，也可以通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議運行于遠程控制中心。組態(tài)軟件接受來(lái)自紡織機械現場(chǎng)控制單元的數據，并進(jìn)行處理、分析和顯示，向現場(chǎng)控制單元發(fā)送各種控制命令。

4結語(yǔ)

嵌入式技術(shù)與系統具有廣闊的應用前景，其研究和廣泛應用將對紡織行業(yè)帶來(lái)深刻的蘋(píng)命。結合當前紡織機械控制系統的狀況，需要大力開(kāi)展以下上作:

(1)大力開(kāi)展嵌入式技術(shù)方面研究，卞要包括嵌入式操作系統、嵌入式數據庫和嵌入式系統體系結構方面的研究，在完善和提升硬/軟件研究開(kāi)發(fā)平臺和體系結構的基礎上，引導這此技術(shù)與紡織機械控制系統相結合。

(2)積極面向國外學(xué)習先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)國內外的先進(jìn)技術(shù)，共同開(kāi)展相關(guān)研究，促進(jìn)嵌入式技術(shù)在紡織行業(yè)中的應用。

(3)巨大的市場(chǎng)需求給我們提供了學(xué)習研發(fā)的資金和技術(shù)力量，需要大力扶植紡織行業(yè)中的高新企業(yè)，開(kāi)展針對紡織行業(yè)中的應用嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，引導大中型紡織企業(yè)積極采用嵌入式技術(shù)改造傳統產(chǎn)品，實(shí)現傳統產(chǎn)品的智能化，參與國際競爭。