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(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

LabVIEW與Beckhoff PLC控制的電液開口機構(gòu)

謝志宴，馬訓(xùn)鳴，肖亮，霍建鋒

(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引言

織機開口機構(gòu)的作用是把經(jīng)絲按一定的規(guī)律分成上下2層，形成能通過緯線的通道-梭口。根據(jù)所制織物組織的要求，由紋板圖所定的提綜順序，控制綜框或綜絲的升降次序，以織出一定組織的織物[1]。開口機構(gòu)是噴氣織機運動的關(guān)鍵部件，決定織機運動的平穩(wěn)性和織物組織的品質(zhì)。目前，國內(nèi)大多噴氣織機采用的是共軛凸輪開口機構(gòu)[2-3]，但是一組凸輪只能適用于一種織物品種的織造，在翻改品種時，需要調(diào)換凸輪。因此，這種機構(gòu)無法適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,高檔新穎的紡織品面料供不應(yīng)求,我國出口服裝的面料50%～60%還要依賴進口,這在于我國紡織品面料質(zhì)量和檔次低,花色品種不能滿足服裝發(fā)展的要求。此外，為了適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)的需求，共軛凸輪的弧線應(yīng)具有極高的共軛精度，因而對材料的加工也提出了很高的要求，而且在一個綜框的間隔內(nèi)需有兩個凸輪，凸輪厚度薄，接觸應(yīng)力大,易磨損，因而對材料、加工質(zhì)量要求亦高。

針對凸輪開口機構(gòu)的不足，為解決織機對織物的適應(yīng)性，提高系統(tǒng)自動化功能，設(shè)計了一種新型的電液開口裝置。液壓系統(tǒng)采用電液伺服閥控制伺服缸，控制系統(tǒng)采用Beckhoff PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，通過對電液伺服閥的換向和流量大小的控制，從而控制伺服缸活塞桿按照一定的規(guī)律伸出或縮回，實現(xiàn)綜框上下運動。其中，系統(tǒng)主硬件采用了高性能的Beckhoff控制器CX5020-0111作為核心處理器，保證了執(zhí)行機構(gòu)的輸出檢測、采樣、跟蹤、開口數(shù)據(jù)以及與其它設(shè)備的數(shù)據(jù)交換提出的強實時性要求，并以較高的處理速度和控制精度保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。上位機軟件采用LabVIEW的圖形化語言[4]，LabVIEW編程軟件結(jié)合了簡單易用的圖形式開發(fā)環(huán)境與靈活強大的G編程語言，功能強大，簡單易學(xué)，能很好地實現(xiàn)所要求的功能。

1 電液開口機構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計

1.1 織機機構(gòu)機架總裝設(shè)計

噴氣織機機構(gòu)機架總裝設(shè)計簡圖如圖1所示，開口機構(gòu)是由4個液壓缸來驅(qū)動綜框上下運動的，每一個液壓缸驅(qū)動一頁綜框。以驅(qū)動一頁綜框為例來進行說明，由于噴氣織機不是只有一片綜框，比如咸陽紡機廠生產(chǎn)的GT369就有8片綜框，有的甚至有16片。因此，為了盡可能的減小驅(qū)動機構(gòu)的體積，應(yīng)選用缸徑盡量小而又能滿足輸出力要求的液壓缸。每頁綜框由一個伺服缸控制，電動機驅(qū)動液壓泵，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)過伺服閥進入伺服缸，控制連桿機構(gòu)的運動，進而控制綜框的上下運動。伺服閥的流量和換向采用電動控制，即通過給伺服閥輸入信號的變化實現(xiàn)其流量大小和換向控制[5-6]，從而控制液壓缸活塞桿按一定的規(guī)律伸出或縮回，實現(xiàn)綜框的上下運動。

圖1 機構(gòu)機架總裝

1.2 織機液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓回路的設(shè)計及其控制是液壓開口機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵部分，現(xiàn)在噴氣織機的轉(zhuǎn)速已經(jīng)在1000r/min以上，液壓機構(gòu)完全可以滿足噴氣織機對轉(zhuǎn)速的要求。液壓回路的設(shè)計必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、反映迅速準(zhǔn)確、抗干擾能力強等特性。對于配備4片綜框的機構(gòu)，液壓回路采用一個油泵帶動4個伺服缸，4個伺服缸驅(qū)動綜框有規(guī)律的運動。

噴氣織機的液壓系統(tǒng)主要由油箱、電動機、液壓泵、液壓缸、三位四通電液比例伺服閥、過濾器、壓力閥和溢流閥等組成。當(dāng)噴氣織機開始工作時，電動機帶動液壓泵從油箱中吸取壓力油，經(jīng)過過濾器進入液壓泵，當(dāng)伺服閥處于左位時，壓力油通過伺服閥進入伸縮油缸，油缸的活塞桿伸出，帶動連桿機構(gòu)完成綜框的下降動作。當(dāng)伺服閥處于中位機能時，液壓缸左右兩側(cè)的油路被封死，此時綜框處于最低位置完成引緯。當(dāng)綜框需要上升到最高位置時，將伺服閥的右側(cè)接通，此時油缸右側(cè)進油，左側(cè)出油，完成綜框的上升動作。伺服閥處于中位機能時，綜框在最高位置停止，完成引緯，綜框運動一個周期。過濾器主要起到過濾油液的作用，溢流閥對液壓回路起到安全保護的作用，當(dāng)回路中油液壓力超過壓力閥的設(shè)定壓力時，溢流閥開啟使壓力油回流油箱，起到限壓作用。

2 織機控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成

電液開口機構(gòu)控制系統(tǒng)的核心是Beckhoff PLC。根據(jù)這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的要求，PLC控制系統(tǒng)分為3部分，開關(guān)量輸入模塊、模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成

電液開口機構(gòu)的控制主要是對4個液壓缸的控制，在4個液壓缸上分別裝有4個位移傳感器，這4個位移傳感器中有2個是電壓型傳感器，2個是電流型傳感器。系統(tǒng)正常運行后，將采集到的信號傳入EL3102和EL3122模塊，這2個模塊都是模擬量輸入模塊，并通過EL4134模塊將這4組信號輸出至上位機。系統(tǒng)運行控制模塊是一個開關(guān)量模塊，功能是實現(xiàn)簡單的按鈕控制及報警設(shè)置等。

控制系統(tǒng)的控制如圖3所示，從整體上來看系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。噴氣織機采用電液伺服閥作為主控元件，正常工作時，液壓缸活塞桿上的位移傳感器將采集到的位移信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較器，比較器通過將位移傳感器傳回的信號與數(shù)據(jù)庫存儲的信號進行比較，比較結(jié)果經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，控制伺服閥，實現(xiàn)對伺服閥流量和方向的控制，進而實現(xiàn)噴氣織機綜框上下運動的自動控制。

圖3 織機控制系統(tǒng)控制

2.2 控制原理及控制過程研究

2.2.1 PID控制原理[7-8]

隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，于20世紀(jì)30年代，美國開始使用PID調(diào)節(jié)器，它比直接作用式調(diào)節(jié)器具有更好的控制效果，因而很快得到了工業(yè)界的認(rèn)可，至今大部分的閉環(huán)反饋控制回路仍采用PID控制，它包括測量、比較和執(zhí)行3個基本要素。對被控量進行測量，測量的結(jié)果與設(shè)定值相比較，通過它們之間的偏差來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。PID控制算法是模擬控制系統(tǒng)中最基本與常用的一種控制方法，即按照偏差信號的比例P、積分I和微分D進行控制的算法，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。在實際工程中，以其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于整定、操作方便、穩(wěn)定性好而成為目前應(yīng)用最廣泛的控制算法。特別是在工業(yè)過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合要費很大代價，卻不能得到預(yù)期的效果，往往采用PID控制。根據(jù)經(jīng)驗進行現(xiàn)場在線整定，以便得到滿意的效果。

在模擬控制系統(tǒng)中，其系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，系統(tǒng)由模擬PID控制器、執(zhí)行器及被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差，即

e(t)=r(t)-y(t)

PID的控制規(guī)律為:

圖4 PID控制系統(tǒng)原理

u(k)為控制器的輸出信號；e(t)為控制器輸入偏差信號；KP為控制器的比例系數(shù)，又稱比例增益；TI為控制器的積分時間常數(shù)；TD為控制器的微分時間常數(shù)；r(t),z(t)為控制器的給定值、測量值。

PID控制器是一種比例、積分和微分3部分并聯(lián)的控制器，PID控制的各部分作用如下：

a.比例控制是一種最簡單的控制方式，比例作用其實是一種線性放大(或縮小)作用，其輸出量與輸入偏差成正比關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器隨即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差，起到快速響應(yīng)的作用，但不能完全消除偏差。

b.積分控制能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度，但其不能單獨使用，因它的輸出變化不能較快地跟隨偏差的變化而變化，會出現(xiàn)遲緩的控制，總是落后于偏差的變化，作用緩慢，波動較大，不易穩(wěn)定。因此,積分控制必須結(jié)合其他的控制一起使用，才能有效地消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

c.微分控制是依據(jù)偏差變化速度來動作的，其輸出與偏差微分(即誤差的變化率)成正比，能敏感出誤差的變化趨勢，用來克服被控變量的容量滯后，具有超前調(diào)節(jié)的作用。

在這個控制系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)，加入了PID調(diào)節(jié)。通過理論與現(xiàn)場實驗分析，當(dāng)KP=500，KI=5，KP=0時，系統(tǒng)的各項性能達(dá)到最優(yōu)。

2.2.2 控制過程

從液壓系統(tǒng)的組成上不難看出，液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部分在伺服閥的控制上，而控制伺服閥的動作就可以控制伺服油缸的收縮量，從而控制系統(tǒng)中4個油缸的伸縮,所以可以看出，對伺服閥的控制就是系統(tǒng)的技術(shù)難點。

控制系統(tǒng)由PC機、位移傳感器、PAC和其他電氣開關(guān)元件所組成。PC機主要用來實現(xiàn)人機交互，位移傳感器用來實時監(jiān)測系統(tǒng)中4個油缸的收縮量，PAC用來實現(xiàn)4個油缸的位移控制、液壓油泵的控制和溢流閥的開關(guān)等?？刂葡到y(tǒng)的控制方法框圖如圖5所示。由圖5中可以看出，用戶在PC機上設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)后，系統(tǒng)就會將用戶設(shè)置的參數(shù)通過網(wǎng)口，使用ADS通信協(xié)議傳輸?shù)絇AC中。系統(tǒng)中的位移傳感器會將伺服油缸的收縮量實時的傳輸?shù)絇AC的數(shù)據(jù)采集端口，通過PAC的數(shù)據(jù)采集端口獲得油缸實時的伸縮量之后，再結(jié)合用戶設(shè)定的給定參數(shù)就可以實現(xiàn)伺服油缸的負(fù)反饋位移閉環(huán)，通過這個閉環(huán)中的比較環(huán)節(jié)就可以得到給定值與反饋值之間的差值，將這個差值通過PAC的數(shù)據(jù)發(fā)送通道發(fā)送給伺服油缸的伺服閥中就可以實現(xiàn)伺服油缸的閉環(huán)伺服控制，并在這個控制過程中，加入PID調(diào)節(jié)，保證控制精度。

圖5 織機控制系統(tǒng)控制過程

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件為LabVIEW,下位機為Beckhoff PLC控制模塊，主要任務(wù)如下：

a.上位機與Beckhoff PLC通信，實時監(jiān)控4個液壓缸的位移、系統(tǒng)的運行狀態(tài)與報警指示等系統(tǒng)運行參數(shù)。

b.在上位機上設(shè)置缸的幾種運動曲線，并改變其頻率、幅值及測試系統(tǒng)的性能。

3 系統(tǒng)試驗

控制系統(tǒng)的實驗條件是,供油壓力為 6.2MPa，額定流量為65L/min;系統(tǒng)供電正常。

通過在上位機上改變伺服油缸的幾種運動曲線(正弦波、三角波和方波)，并分別改變其運行的頻率和幅值，記錄實驗數(shù)據(jù)。分析實驗數(shù)據(jù)可知，控制系統(tǒng)的頻率能達(dá)到10Hz，控制精度能達(dá)到0.2mm,滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

噴氣織機電液開口機構(gòu)采用電液伺服閥控制伺服缸，從而實現(xiàn)綜框上下運動的閉環(huán)控制，是一個機、電、液一體化的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 Beckhoff PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，可實現(xiàn)以時間為控制方式控制綜框上下有規(guī)律的運動；通過Beckhoff PLC控制電液伺服閥，實現(xiàn)對壓力油的流量大小和方向的控制，進而實現(xiàn)對活塞桿的閉環(huán)控制，使綜框?qū)崿F(xiàn)正弦波、方波和三角波等典型位移曲線的運動，其頻率可以在0～10Hz范圍內(nèi)變化，并且還能夠開發(fā)其他位移曲線。

這套開口機構(gòu)位置控制精度高，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，便于自動化控制，改善了凸輪開口機構(gòu)的諸多不足，并且整套開口裝置價格大大低于進口電子原裝機，其性能價格比具有一定優(yōu)勢，具有一定的市場推廣前景。

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Whole Design Project of Shedding Mechanism Based on the Electro-hydraulic Controlled of LabVIEW and Beckhoff PLC

XIEZhiyan,MAXunming,XIAOLiang,HUOJianfeng

(Mechanical and Electrical Engineering College,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China)

相對于傳統(tǒng)的噴氣織機凸輪開口機構(gòu)不能適應(yīng)織物品種更改的現(xiàn)狀等缺點，設(shè)計了一種新型的開口機構(gòu)，基于LabVIEW與Beckhoff PLC控制的電液開口機構(gòu)。液壓系統(tǒng)采用電液伺服閥控制伺服缸，控制系統(tǒng)采用Beckhoff PLC作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，控制算法采用經(jīng)典PID控制算法。通過現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明, 綜框可做預(yù)設(shè)的運動，液壓缸的頻率可達(dá)到10Hz，能很好地達(dá)到設(shè)計要求。

噴氣織機;開口機構(gòu);電液伺服閥;Beckhoff 控制器;LabVIEW

Considering of CAM shedding mechanism of traditional air-jet loom cannot adapt to the changing of quo of fabric variety,a new type of shedding mechanism is designed.A whole design project of shedding mechanism based on the electro-hydraulic controlled of LabVIEW and Beckhoff PLC.The servo cylinder of hydraulicsystem is controlled by Electro-hydraulic servo valve.The Beckhoff PLC is adopted as the core part of whole control system.Classic PID con-trol algorithmisused.The preset movement of heald frame and frequency of the hydraulic cylinder can achieve the requirements are proved by field test data,the frequency up to 10Hz.

jet loom;shedding mechanism;electrohydraulic servo valve;Beckhoff controller;LabVIEW

2014-04-10

TP2

A

1001-2257(2014)08-0041-04

謝志宴(1988-),男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向為機電控制;馬訓(xùn)鳴(1963-),男，陜西西安人，教授，研究方向為機電控制、液壓。