秦 霞，姜 宇

（南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院有限公司，南京 210012）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求也越來(lái)越高，新材料和新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科技水平的重要體現(xiàn)。疊層織物是一種將布或纖維層在外力的作用下加密壓實(shí)并由 Z 向纖維建立連接的立體織物。該類(lèi)織物具有良好的整體結(jié)構(gòu)和較高的纖維體積含量，解決了航天航空等領(lǐng)域用立體織物大尺寸、高厚度成型難題，逐漸應(yīng)用于航天航空、化工、汽車(chē)、醫(yī)療以及其他高新技術(shù)領(lǐng)域［1，2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外疊層織物的研究主要集中在立體織物成型工藝與復(fù)合成碳/碳復(fù)合材料的力學(xué)和熱力學(xué)性能方面［3-5］，但是對(duì)織物成型過(guò)程的集中監(jiān)控技術(shù)鮮有研究。而集中監(jiān)控織物成型過(guò)程中的關(guān)鍵信息，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性，而且織物信息的完整性有利于追溯與分析過(guò)程數(shù)據(jù)。為此，針對(duì)疊層織物成型過(guò)程開(kāi)展集散監(jiān)控系統(tǒng)研制與開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)方案與構(gòu)成

疊層織物主要成型設(shè)備如圖1所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)底板、橫梁直線向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)織物施加壓力，并且壓力大小、持續(xù)時(shí)間對(duì)織物疊層高度起著決定性的作用，故在織物成型過(guò)程中需對(duì)影響織物質(zhì)量的高度、壓力、時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

本文研制的集散監(jiān)控系統(tǒng)包含設(shè)備層、監(jiān)控層、管理層，如圖2所示，具體方案如下：

（1）設(shè)備層：通過(guò)設(shè)計(jì)高度、壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與安裝方式以實(shí)現(xiàn)過(guò)程信息準(zhǔn)確測(cè)量，構(gòu)建分布式在線采集單元；

（2）監(jiān)控層：PLC 通過(guò)兩路 RS485總線通訊集中接收信息以達(dá)到數(shù)據(jù)集中分析、處理的目的，構(gòu)建 PLC 監(jiān)控單元；

（3）管理層：上位機(jī)上的組態(tài)系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線對(duì)信息集中監(jiān)視、自動(dòng)生成織物數(shù)據(jù)庫(kù)，并輔助生產(chǎn)管理，構(gòu)建上位機(jī)管理單元。

圖1 疊層織物成型設(shè)備示意圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 在線采集單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

疊層織物的成型設(shè)備類(lèi)型多，在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計(jì)一種滿(mǎn)足測(cè)量精度、穩(wěn)定性和通用性的在線采集單元。

2.1.1 位移傳感器設(shè)計(jì)與安裝

疊層織物具有細(xì)密化的特點(diǎn)，對(duì)均勻性、一致性要求較高。單次施加壓力后，織物的疊層高度達(dá)毫米級(jí)，且織物總高度有多種規(guī)格，因此，對(duì)位移傳感器的檢測(cè)精度與量程有一定要求。

系統(tǒng)選用精密級(jí)多圈絕對(duì)值編碼器作為位移傳感器采集成型過(guò)程中的織物高度，量程為2 m，測(cè)量精度為0.01 mm，并以拉繩方式安裝。拉繩一端縛在設(shè)備底板上，拉繩直線運(yùn)動(dòng)軌跡與底板運(yùn)動(dòng)軸線平行，底板移動(dòng)帶動(dòng)拉繩運(yùn)動(dòng)并驅(qū)動(dòng)編碼器軸旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的弱電檢測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。而傳統(tǒng)編碼器拉繩式安裝采用輪轂回收拉繩，不同的量程會(huì)需要不同的輪轂半徑、拉繩長(zhǎng)度，且輪轂半徑比編碼器軸大的多；在拉繩回收過(guò)程中，易出現(xiàn)拉繩重疊現(xiàn)象，影響編碼器測(cè)量精度。輪轂半徑對(duì)編碼器測(cè)量分辨率的影響，見(jiàn)式（1）：

式中：

α——編碼器測(cè)量分辨率，mm/pulse；

r——回收拉繩的輪轂半徑，mm；

n——編碼器位數(shù)。

當(dāng)編碼器位數(shù)n不變時(shí)，測(cè)量分辨率α的數(shù)值隨著輪轂半徑增大而增大，但測(cè)量靈敏度隨之降低。針對(duì)一定位數(shù)的編碼器，以提高位移測(cè)量的靈敏度，保證測(cè)量精度，本文在傳統(tǒng)輪轂回收方式的基礎(chǔ)上，增加過(guò)渡輪1替代輪轂與編碼器軸直接連接，且過(guò)渡輪1的半徑極小，比編碼器軸半徑略大，通過(guò)將拉繩的一端與底板固定，分別經(jīng)過(guò)編碼器上的過(guò)渡輪1、設(shè)備支架上的過(guò)渡輪2與重錘連接，以保證拉繩的張力，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)織物高度精確測(cè)量的目的。

圖3 位移傳感器安裝示意圖

2.1.2 壓力傳感器設(shè)計(jì)與安裝

疊層織物成型過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)軸承和軸承座與底板連接并帶動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)織物施加壓力，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出軸與底板連接處輸出的壓力即為織物所受壓力。由于疊層織物規(guī)格存在多樣化，不同的規(guī)格則需不同的成型設(shè)備與施加壓力。因此，為了覆蓋施加壓力的范圍、保證壓力檢測(cè)精度，設(shè)計(jì)壓力傳感器的測(cè)量量程為10 T，精度為0.1 kg。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)與安裝空間尺寸的差異性設(shè)計(jì)2種結(jié)構(gòu)形式的壓力傳感器，分別為軸承座式壓力傳感器與軸型結(jié)構(gòu)壓力傳感器。安裝時(shí)，依據(jù)設(shè)備的類(lèi)型、安裝空間、規(guī)格，選用不同的壓力傳感器替代驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)出軸處的軸承或軸承座參與設(shè)備運(yùn)行，如圖4、5所示。

圖4 軸承座式傳感器安裝圖

圖5 軸型結(jié)構(gòu)傳感器安裝圖

2.1.3 通信方式建立

針對(duì)分布式在線采集單元，建立兩路 RS485總線，分別連接各設(shè)備上的位移傳感器和壓力傳感器。分布式在線采集單元作為 Modbus 從站，以RS485總線通訊方式向 Modbus 主站——PLC 監(jiān)控單元傳輸數(shù)據(jù)，Modbus RTU 從站的數(shù)據(jù)幀與數(shù)據(jù)格式如表1、2所示［6，7］。

表1 Modbus RTU 數(shù)據(jù)幀格式

表2 Modbus RTU 數(shù)據(jù)格式

2.1.4 傳感器校準(zhǔn)與設(shè)置

傳感器安裝完畢后，在設(shè)備空載狀態(tài)下，校準(zhǔn)并設(shè)定傳感器的零點(diǎn)；利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)傳感器，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器與傳感器的測(cè)量顯示值存在差異時(shí)，通過(guò)校準(zhǔn)系數(shù)修正傳感器的測(cè)量值，校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)式（2）：

式中：

ε——新校準(zhǔn)系數(shù)；

ε1——當(dāng)前校準(zhǔn)系數(shù)，初始值為1；

A——標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量顯示值；

B——傳感器的測(cè)量顯示值。

校準(zhǔn)系數(shù)計(jì)算完成后，對(duì)傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)、通訊參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

2.2 PLC監(jiān)控單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為集中監(jiān)控整個(gè)設(shè)備層的織物成型過(guò)程信息并為數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建提供可靠數(shù)據(jù)，本文選用三菱中大型Q 系列 PLC 作為監(jiān)控單元的 CPU 與設(shè)備層在線采集單元總線通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中分析、處理。PLC監(jiān)控單元借助工業(yè)以太網(wǎng)向管理層傳輸數(shù)據(jù)并預(yù)留對(duì)外擴(kuò)展接口，保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)充性，控制原理如圖6所示［8，9］。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

PLC 監(jiān)控單元對(duì)壓力、高度進(jìn)行周期采樣，監(jiān)測(cè)每臺(tái)設(shè)備施加壓力觸發(fā)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，啟動(dòng)壓力保持計(jì)時(shí)；在每次加壓初期，織物所受壓力、高度處于波動(dòng)狀態(tài)，直至中后期趨于穩(wěn)定，即當(dāng)實(shí)時(shí)壓力值每秒波動(dòng)范圍小于0.01 kg 時(shí)，記錄當(dāng)前壓力保持計(jì)時(shí)時(shí)間T1，在T1≤T≤T' 時(shí)間段內(nèi)，記錄測(cè)量壓力Fij、高度Hij，當(dāng)T=T' 時(shí)輸出本次施加壓力完成信號(hào)；當(dāng)T

式中：

i ——織物層數(shù)，層；

j ——第 i 層在T1≤T≤T' 時(shí)間內(nèi)記錄的次數(shù)，j

Hi——當(dāng)前層織物高度，H0為初始基準(zhǔn)高度，mm；

ΔHi——疊層高度，mm；

Fi——織物所受壓力，kg。

式中：

ΔH' ——工藝設(shè)計(jì)疊層高度，mm；

F' ——工藝設(shè)計(jì)成型壓力，kg；

δH ——疊層高度與設(shè)計(jì)值偏差量，mm；

δF ——織物所受壓力與設(shè)計(jì)值偏差量，kg。

2.3 上位機(jī)管理單元設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與生成

織物數(shù)據(jù)庫(kù)包括織物目錄表和織物生產(chǎn)數(shù)據(jù)表?？椢锬夸洷碛糜诖鎯?chǔ)用戶(hù)輸入信息，結(jié)構(gòu)如表3所示；生產(chǎn)數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)單個(gè)織物成型過(guò)程中的生產(chǎn)信息，結(jié)構(gòu)如表4所示；機(jī)位數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)每臺(tái)機(jī)位上所有成型織物的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，單臺(tái)機(jī)位數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)與表4一致。

上位機(jī)管理單元借助工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)與 PLC監(jiān)控單元交互數(shù)據(jù)，并采用力控組態(tài)與 SQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合的方式，通過(guò) ADO 組件創(chuàng)建織物數(shù)據(jù)庫(kù)與機(jī)位數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)織物成型過(guò)程中壓力保持信號(hào)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)插入，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖7所示［10，11］。

表3 織物目錄表結(jié)構(gòu)

表4 生產(chǎn)數(shù)據(jù)表

圖7 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.3.2 監(jiān)控管理畫(huà)面

總界面：實(shí)時(shí)集中監(jiān)控所有機(jī)位當(dāng)前生產(chǎn)織物的成型狀態(tài)，包含壓力、高度、施加壓力信號(hào)及時(shí)間、異常等信息；

產(chǎn)品目錄畫(huà)面：織物成型前，用戶(hù)錄入織物設(shè)計(jì)、原材料、生產(chǎn)人員等信息，增加至織物目錄表中，并可在當(dāng)頁(yè)實(shí)時(shí)查詢(xún)表中數(shù)據(jù)；

參數(shù)設(shè)定畫(huà)面：設(shè)定每臺(tái)機(jī)位上生產(chǎn)織物所需的控制參數(shù)，如：壓力、疊層高度及其偏差量、壓力保持時(shí)間等；

織物生產(chǎn)記錄畫(huà)面：創(chuàng)建每臺(tái)機(jī)位上生產(chǎn)織物的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表，表名由產(chǎn)品編號(hào)、生產(chǎn)機(jī)位、時(shí)間（年月日時(shí)分秒）進(jìn)行組合，使每個(gè)織物對(duì)應(yīng)一個(gè)且唯一的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表；

報(bào)警畫(huà)面：實(shí)時(shí)預(yù)警每臺(tái)機(jī)位上織物成型過(guò)程中所受壓力、高度的異常；

查詢(xún)畫(huà)面：可根據(jù)查詢(xún)條件查詢(xún)各個(gè)機(jī)位上成型織物的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或追溯某織物成型的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品目錄；

用戶(hù)登錄畫(huà)面：用于操作人員登錄、進(jìn)入系統(tǒng)操作［12］。

2.4 測(cè)試與試運(yùn)行

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，通過(guò)空載、帶載測(cè)試，確定高度、壓力信號(hào)采集精度與量程完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、報(bào)警等功能正常；即使系統(tǒng)出現(xiàn)故障也不影響設(shè)備的正常運(yùn)行與生產(chǎn)任務(wù)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)位移傳感器與過(guò)渡輪一體化設(shè)計(jì)取代重錘以進(jìn)一步優(yōu)化位移傳感器的安裝方式。

3 總結(jié)

實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用效果：

（1）通過(guò)設(shè)備層、監(jiān)控層、管理層的協(xié)調(diào)、配合，實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備生產(chǎn)信息的分布式高精度采集、集中式高效管理與存儲(chǔ)，提高了數(shù)據(jù)測(cè)量精度與存儲(chǔ)效率。

（2）提高了生產(chǎn)監(jiān)控管理水平，保證了織物數(shù)據(jù)信息的完整性與可追溯性。

（3）通過(guò)為設(shè)備、織物成型過(guò)程創(chuàng)建機(jī)位、織物數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況、織物信息追溯提供可靠的數(shù)據(jù)檔案和分析原始數(shù)據(jù)依據(jù)。

（4）為工藝數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究提供了一種新的方式，為優(yōu)化成型工藝提升織物的綜合性能奠定了基礎(chǔ)。