2 圓網印花機的控制系統(tǒng)
早期的圓網印花采取機械傳動控制，印花精度低，機械傳動噪聲大，使用壽命短。20世紀90年代末，國產圓網印花機開始采用分電動機獨立傳動控制模式，印花精度和速度大為提高。系統(tǒng)主要由參數設定與顯示、圓網控制系統(tǒng)、圓網對花操作裝置、圓網傳動電動機組成。
與之配套的控制系統(tǒng)構成方式多種多樣，有單片機多機控制、計算機分布式控制、PLC控制及CAN現場總線控制等方式。其控制結果必須達到以下功能：
(1)圓網按照一定的速差與印花導帶同步運行，并可以通過操作界面對圓網與印花導帶的速差進行調整，調整幅度為+8‰—-8‰。
(2)每只圓網運轉過程中保持高精度的位置同步。
(3)每個花位能夠獨立地對圓網超前和滯后可控插補。
步進電劫機(或伺服電動機)通過減速器帶動傳動齒輪繼而帶動圓網轉動，圓網的傳動速度為nZ2/iZ1(n為電動機轉速，Z1、Z2為兩齒輪齒數，i為減速器傳動比)，每個網頭安裝一個高精度傳感器，用于網頭的定位，將網頭實際轉動量和圓周方向移動量轉換成數字脈沖信號發(fā)送給網頭控制單元進行計算，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可防止任何原因引起的電動機失步等現象，各個網頭之間依靠計算機多閉環(huán)檢測，達到定位的目的。
同時，在圓網印花機導帶傳動軸上安裝一個高精度逮度比反饋編碼器，用于精確測量橡膠導帶實際運行速度。根據印花導帶的速度由編碼器給每個印花單元傳輸信號，達到備個鎳網與導帶一直保持同步并提高對花精度。
2.1 圓網印花機控制系統(tǒng)結構
采用步進電動機獨立傳動圓網印花機控制系統(tǒng)結構如圖7（a）所示，采用交流伺服電動機傳動時系統(tǒng)結構如圖7（b）所示。
2.2 圓網和導帶的同步控制
圓網與導帶的同步控制是整個獨立傳動的核心，其控制方式為圓網和導帶主從之間的跟隨的同步控制方式。其核心是控制圓網傳動電動機以一定的比例關系跟隨導帶做位置同步運行，要求所有的圓網電動機在任何時候都保持相同的位置關系。圖8是圓網花位的示意圖，安裝在導帶上的編碼器信號進人控制系統(tǒng)后，經過電子齒輪分頻后同對花插補信號疊加輸出控制圓網傳動步進電動機或伺服電劫機。要求從編碼器采集的信號到輸出處理實時性要高，否則會出現對花精度差、升降速跑花的現象。同時要求操作和參數設定要方便，實現的方式基本上有以下三種。
(1)采用單片機系統(tǒng)，往往是結合特定的應用開發(fā)，一般為專用設備，通常使用8051系列單片機、DSP數字信號處理器或ARM芯片。其特點是：專用、保密，具有自已的知識產權，軟/硬件更改方便，成本低。缺點是：開發(fā)困難，周期長，穩(wěn)定性要經過考驗，需耍專門人才，人力資本高。
特點是：通用性好，穩(wěn)定，開發(fā)平臺好(梯形圖/邏輯語言等)，用于開發(fā)應用程序時周期大大縮短，節(jié)約人力成本。缺點是：知識產權不屬于使用者，保密性差，功能無法由使用者更改；由于是掃描執(zhí)行程序，速度較慢，實時性較差，一般缺乏復雜運動控制功能，控制精度不是很理想。
(3)采用運動控制器系統(tǒng)，專門用于控制運動元件完成復雜運動軌跡、復雜運動程序的控制器，邏輯控制功能是它的輔助功能。其特點是：高速、高精度控制，復雜的數學模型和算法，優(yōu)化的軌跡控制，模塊化的控制功能；很好的編程調試平臺，可以與多種軟件結合，可以控制多種運動元件(伺服電動機，步進電動機)，二次開發(fā)較方便，一般有較好的保密方法。缺點是，成本高，耍求開發(fā)者有較高的專業(yè)水平，功能不能由使用者隨意增加。
2.3 彩虹系列印花機電控系統(tǒng)
彩虹系列磁棒印花機是晉江佶龍機械公司在多年生產圓網印花機的基礎上開發(fā)的一種新機型，該機型采用PLC控制及計算機分布式控制投術，圓網采用交流伺服電動機獨立傳動。具有印制效果好、可靠性高、操作方便的特點。
如圖9所示，彩虹系列磁棒印花機運用計算機分布式控制投術，圓網伺服電動機獨立傳動。該控制系統(tǒng)采用了基于CANBUS現場總線和RS-485通信的雙層網絡架構，主機邏輯控制采用三菱FX2N系列PLC控制，每個花位由一臺帶有CANBUS現場總線和RS -485通信接口的嵌人式PLC控制。所有信息通過CANBUS現場總線和RS-485通信在控制網關上集成并通過人機界面觸摸屏顯示。
2.3.1 CAN總線控制
CAN全稱Controller Area Network，即控制器局域網。 CAN是國際上應用廣泛的一種現場總線。它作為一種串行通信總線，最初被設計為汽車工業(yè)中的微控制器用，由于它具有高可靠性和獨特的設計、在多種系統(tǒng)中的優(yōu)勢及很高的適時性，現在CAN總線已經在汽車工業(yè)、航天工業(yè)等領域的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，并且是到目前為止唯一一種成為國際標準(ISO)的現場總線。CAN的特征如下：
(1) CAN是一種有效支持分布式控制和適時控制的串行通信網絡。
(2)CAN協議遵循ISO/OSI參考模型，采用了其中的物理層、數據鏈層與應用層。
(3) CAN可以多種方式工作，本質上也是一種CSMA/CD方式，網絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，節(jié)點之間有優(yōu)先級之分，因而通信方式靈活；CAN采用非破壞性逐位仲裁投術，優(yōu)先級發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時閘，在重負載下表現良好的性能；CAN可以點對點、一點對多點(成組)及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據。
(4) CAN的直接通信距離最遠可達10km(傳輸速率5kbit/s)，最高通信逮率1Mbit/s(傳輸距離為40m) 。
(5)CAN上的節(jié)點數實際可達110個。
(6)CAN數據鏈路層采用短幀結構，每一幀為8個字節(jié)，易于糾錯；CAN每幀信息都有CRC效驗及其他檢錯措施，有效地降低了數據的錯誤率；CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉的功能，使總線上的其他節(jié)點不受影響。
(7)信號調制解調方式采用不歸零(NRZ)編碼/解密方式，并且采用插入填充位(位填充)技術。
(8)數據位具有顯性”0”( Dominant dit)和隱性“1”(Recessive bit)兩種邏輯值，采用時鐘同步技術，具有硬件自同步和定時時間自動跟蹤功能。
2.3.2 串行數字接口通信
RS-232、RS-422與RS-485都是串行數據接口標準，是由電子工業(yè)協會（EIA）制定并發(fā)布的，RS-232在1962年發(fā)布。RS-422由RS-232發(fā)展而來，為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長到約1200m(速率低于100kbps時)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS-422是一種單機發(fā)送、多機接收的單向、平衡傳輸規(guī)范，被命名為TIA/EIA-422-A標準。為擴展應用范圍，EIA又于1983年在RS-422基礎上制定了RS一485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。RS-232、RS-422與RS-485標準只對接日的電氣特性做出規(guī)定，簡單說只是物理層的一個標準。沒有規(guī)定接口插件電纜以及使用的協議。在此塞礎上用戶可以根據自己的實際應用建立高層通信協議。
2.3.2.1 目前RS-232是PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口
RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通信。收、發(fā)端的數據信號是相對于信號地。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5—+15V，負電平在-5—-15V當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3—+12V與一3—12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2—3v，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15m，最高速率為20kbps。RS-232是為點對點(即只用一對收、發(fā)設備)通信而設計的，其驅動器負載為3k-7kΩ。所以RS-232適合本地設各之間的通信。
2.3.2.2 RS-422、RS-485串行接口標準
(1)平衡傳輸。RS-485與RS-232不一樣，數據信號采用差分傳輸方式，也稱作平衡傳輸，它使用一對雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B。通常情況下，發(fā)送驅動器A、B之間的正電平在+2一+6V，是一個邏輯狀態(tài)，負電平在-2—-6V，是另一個邏輯狀態(tài)。另有一個信號地C，在RS-485中還有一”使能端，而在RS-422中這是可用可不用的。“使能”端是用于控制發(fā)送驅動器與傳輸線的切斷與連接。當”使能”端起作用時發(fā)送驅動器處于高阻狀態(tài)，稱作”第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。
(3)RS-422電氣規(guī)定。由于接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅動器比RS-232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節(jié)點，最多可接10個節(jié)點。即一個主設備，其余為從設備，從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。RS- 422四線接口由于采用單獨的發(fā)送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式(XON/XOFF握手)或硬件方式(一對單獨的雙絞線) 實現。RS-422的最大傳輸距離為1219m(4000英尺)，最大傳輸速率為10Mbps。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kbps速率以下，才可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100m長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。RS-422需要一終接電阻，要求其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時可不需終接電阻，即一般在300m以下不需終接電阻。終接電阻接在傳輸電纜的最遠端。
(4)RS-485電氣規(guī)定。由于RS-485是從RS-422基礎上發(fā)展而來的，所以RS-485的許多電氣規(guī)定與RS-422相仿。如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信。在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用Rs-485串行總線標準。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互逢時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。Rs-485與RS-422的不同之處還在于其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7-—+12V，而RS-422為-7—+7V；RS-485滿足所有RS-422的規(guī)范，所以RS-485的驅動器可以用在RS-422網絡中。RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps。平衡雙絞線的長度與傳輸逮率成反比，在100kps速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100m長雙絞線最大傳輸速率僅為1Mbps。因為RS-485的遠距離、多節(jié)點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485在工業(yè)應用的數據傳輸中得到廣泛應用。
2.3.3主從控制模式
介紹了CAN總線和RS -485通信的有關特點，再來看看彩虹系列磁棒印花機的控制系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)方框圖中，主靖是一個具有RS-485、RS-232和CAN總線接口的控制器，通過RS-485接口與FX2N可編程控制器進行數據交換，通過CAN總線與圓網傳動控制器相連，將機臺的所有章行數據及狀態(tài)，通過Rs-232接口在人機界面上顯示，實現工藝集中顯示、控制和管理。
邏輯和單元同步控制采用三菱FXEN系列PLC，實現烘房風機、各種邏輯動作、輔助電動機以及進布傳動、印花導帶傳動、烘房網帶傳動、落布傳動電動機的控制和同步。其中單元同步控鋤采用一個4AD和一個4DA模塊，4DA模擬量輸出模塊輸出的0-10v信號分別作為進布傳動、印花導帶傳動、烘房網帶傳動、落布傳動變頻器的頻率給定。4AD模擬量輸人模塊接收來自進布松緊架、落布松緊架和烘房網帶調節(jié)電位器的速度反饋信號(0-10V)，在PLC內進行PID運算，調整輸出單元的輸出，控制電動機的同步。在導帶傳動電動機上裝有一個光電編碼器，編碼器的脈沖信號經濾波、整形后作為各圓網電動機的速度給定。
每個印花單元由一臺專用控制器來實現，該控制器采用的是嵌入式PLC的結構，內置CAN總線和RS-485接口，具有多路I/O輸人輸出，兩路模擬量輸入、一路摸擬量輸出、一路100kHz脈沖輸人和一路帶有電子齒輪、脈沖插補的高速差分脈沖輸出。能實現印花單元的所有動作和要求。具體工作原理如下：
(1)采用雙CPU的主從控制模式，主控制器采用C8051FO40單片機加載了嵌入式PLC軟件平臺的核心芯片組，完成開關量輸人輸出、UARTO、UARTI、CAN功能。從控制器采用C8051FF30單片機，指令信息處理高達25MIPS。從控制器對輸人脈沖采樣，接受主控制器發(fā)送的命令并迸行相應的處理，輸人脈沖經過分頻后，輸出相應頻率的脈沖，并將有關信息發(fā)送給主控制器。主、從控制器之問以SPI接口連接，SPI通信速率為1Mbits，這樣有利于提高系統(tǒng)實時性。
(2)嵌人式PLC芯片組是一種內部加載嵌人式PLC實時內核，具備PLC功能和CAN、RS-232/RS-485通信功能，能夠完成常規(guī)過程控制(如IO、AD、DA、高速輸人輸出)的控制模塊。過程控制功能的實現使用梯形圖語言編程，通信功能只需簡單設置便可完成，其他接口信號的輸人輸出使用匯編語言或C語言編程，見圖10。
(3)采集開關量輸入信號，輸出控制信號，采用光隔隔離，提高抗干擾性能。所有開關量輸入輸出信號在梯形圖中都可以編程，可根據印花機的實際需要定義每個IO點的功能和用途。I/O輸入可定義為回零開關、斷網保護開關、網頭下限開關、圓網傳動電動機故障等；I/O輸出可以定義為網頭各個電磁閥的開合、網頭電動機的選擇、橫斜向對花電動機正反轉控制磁臺的使能控制等；二路0-10V模擬量輸人用于橫斜向對花的位置檢檢測；一路模擬輸出用于控制磁臺磁力的大小。
(4)UARTO完成梯形圖下載、監(jiān)控、接字符屏或人機界面。
