基于PLC的全自动三维织机控制系统设计.pdf

总第2 3 1 期2023年第9 期技术创新摘要：深入探究当前国内三维纺织生产设备存在大量空白情况，设计了基于PLC的三维平板织机控制系统用以织造新型织物。分析了当前控制系统的组成，对该控制系统进行硬件设计，选择合理的电气元件搭建控制系统，再对软件进行设计，最后通过该控制系统的实际应用验证其可行性。结果表明，全自动运行状态下对于浅交弯联织物的最终织造效率达到1 2 0 mm/h以上。关键词：三维纺织；三维织机;PLC;控制系统中图分类号：TP2730引言近几年国内纺织工业增加值逐年增长，纺织纤维加工总量、化纤产量、纺织服装出口量均居全球首位。三维织物材料是近年来备受关注的材料，具有制备方法多样、制备工艺简单等优势 1 。与二维结构材料相比，三维织物材料具有比强度高、比模量高、抗冲击性能优越等优势，是一种被广泛应用于航空航天、汽车、军工等领域的先进材料,具有广阔的发展前景 。由于三维织物的生产投资高，回报较低，目前国内三维织物主要采用手动或者半自动方式进行织造，存在着织造效率低下、织物良品率低、织造流程不稳定等缺点。三维纺织设备领域存在大量空白，且三维纺织设备已经成为制约三维纺织技术在特殊材料领域广泛应用的瓶颈 3 。此外,对于当前国内的三维纺织设备，还存在以下问题：1)织机的控制系统所采用的硬件过多，接线复杂，容易存在机械故障或元件接触故障，一方面运行可靠性差,另一方面不能保证操作人员的自身安全。2)织物存在多种工艺结构,普通织机所织造的织物结构有限。研制不同织物结构对应的织机耗时耗力。同时设备长期工作还会存在磨损、浪费电能的问题。为解决以上问题,设计了一种基于PLC的全自动三维平板织机控制系统,该控制系统以PLC为核心，由引纬、打纬、卷取、触摸屏交互系统等各个系统构成。该控制系统具有反应迅速、便于操作、系统稳定、控制精确、多功能织造等优点，对全自动三维织机的控制系统设计具有较强的参考意义。1三维织机控制系统简介该全自动三维平板织机的控制系统由以下部分构成。1.1主电路主电路包括空气开关、接触器、2 4 VDC电源等各收稿日期：2 0 2 3-0 5-1 9第一作者简介：郑好(2 0 0 0 一),男，安徽池州人，武汉纺织大学硕士在读，研究方向为机械电子工程。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and Informationization基于PLC的全自动三维织机控制系统设计郑好，周展（武汉定达慧科技有限公司，湖北武汉4 3 0 0 0 0）文献标识码：A种电器元件组成，它将所有的控制系统连接起来，通过传递信号使整个系统实现全自动运行。1.2PLCPLC(可编程逻辑控制器,Programmable Logic Con-troller,简称PLC)是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算操作的电子系统。它使用可编程存储器以存储指令、运行逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过数字或模拟输人输出模块，控制各种的机械工作程序。1.3提综控制系统提综系统的作用是提起经纱，使经纱层形成开口，便于纬纱与经纱形成织物。该系统由2 0 个综框、控制综框移动的气缸及磁性开关组成。在织造过程中可通过更改提综顺序改变织物工艺。1.4引纬控制系统引纬系统的作用是引导纬纱位置,将纬纱由织机的一侧引入经纱层。该系统由引纬剑杆、垂针、水针、副垂针、控制剑杆与垂针移动的气缸及磁性开关组成。通过接收磁性开关信号,结合PLC的控制程序实现引纬控制。1.5打纬控制系统打纬系统的作用是把新引人的纬纱推向织口形成织物。该系统由打纬扣板、打纬气缸及磁性开关组成。通过接收磁性开关信号,结合PLC的控制程序实现打纬控制。1.6卷取控制系统卷取系统的作用是将在织口处初步形成的织物引离织口，并进行输送。采用步进电机带动夹持装置实现自动卷取功能。1.7触摸屏交互系统触摸屏接入控制程序，采用触摸屏实现参数设定、机器操作。全自动三维织机的控制系统组成见图1。Total 231No.9,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.09.041文章编号：2 0 9 5-0 7 4 8(2 0 2 3)0 9-0 1 3 4-0 32023年第9 期郑好：基于PLC的全自动三维织机控制系统设计135表2 触摸屏参数西门子S7-200PLC提综控制系统2三维织机控制系统硬件设计2.1PLC的选取全自动三维平板织机需要进行需要实时的信号采集，并实时输出相应的信号带动各个系统运动。各个系统外接大量元件，这需要PLC具有迅速的计算能力 4 。穿纱后需要对织机进行详细调试,这需要PLC具有维护便捷的特点。本系统选择了西门子S7-200型PLC及对应拓展模块。该型号PLC工作电压为2 4 V,与本织机的工作环境契合。S7-200型PLC的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输人状态，改变输出状态以达到控制目的 5。本控制系统采用PROFIBUS协议,通过 DP通讯模块EM277进行通信。2.2感应元件的选取由于全自动三维平板织机采用电信号控制气动的方案，为保证织机系统的稳定性与安全性，需要对气缸进行状态检测。最终确定使用Sqeldt的CS1-U磁性开关（见表1)。该开关为有触点两线式开关，具有开关寿命长、耐高压、动作范围大等优点。表 1 磁性开关参数指标名称规格型号CS1-U有无触点有传感器型式2线式使用电压/V5240输出规格100 mA Max保存温度/-20 802.3触摸屏的选取使用触摸屏可降低全自动三维平板织机的操作与调试难度。触摸屏上可显示机器参数、监控机器状态，大大降低了机器的操作难度。本设计使用kinco的MT4500T触摸屏（见表2)。2.4主电路的设计为连接所有电气元件，设计了整个系统的主电路（见图2）。通过主电路可以完成信号的传输与织机的触摸屏交互系统PROFIBUS总线引纬控制打纬控制系统系统M图 1 控制系统指标名称型号显示尺寸分辨率额定电压/V外形尺寸/(mmmmmm)卷取控制CPU系统-x2M-K1-X1/.2-QF1AC220V全自动运行。其中,QF为空气开关,K为接触器,H为指示灯，X为接线端子，V为2 4 V直流电源。3三维织机控制系统软件设计3.1PLC 硬件 I/O 设备地址全自动三维平板织机的运行需要检测当前机器的状态,现对PLC上的I/O口进行定义(见表3)。表3 PLC控制的VO地址输人I/0地址功能10.010.1急停按钮/开关旋钮10.210.3控制关/开按钮10.4自动/单步模式旋钮10.5开始/点动按钮11.011.7综框位置1 812.012.7综框位置9 1 613.013.3综框位置1 7 2 013.413.5左、右剑杆位置13.613.7左、右垂针位置14.014.1左、右水针位置14.2 14.3左、右副垂针位置14.414.5打纬位置3.2程序流程设计由于全自动三维平板织机选用的是S7-200系列PLC,故采用STEP7MICROWIN编写PLC的程序。采用STL语言，简单易懂，方便调试修改。一个周期由多次梭数组成。每一梭数的循环内，都将执行一次流程（见图3）。一个完整周期分为上半周期与下半周期。此外，在每半周期之间进行一次打纬并卷取。在每一梭数内打纬前，都改变一次综框分布，通过这种方式更改织规格MT4500T10.4 TFT(211.2 158.4 mm)640*480像素DC243102305532-bit 400 MHz RISC-V1-QF2-K1H2卓-SB1-SB2KI-K1号-H-x3OL+ON触摸屏供电卷取步进电机供电图2 主电路设计输出I/0地址功能Q0.0自动/单步指示灯Q0.1运行指示灯Q0.2停止指示灯Q1.0Q1.7提综1 8Q2.0Q2.7提综9 1 6Q3.0Q3.3提综1 7 2 0Q3.4Q3.5左、右剑杆伸出Q3.6Q3.7左、右垂针伸出Q4.0Q4.1左、右水针伸出Q4.2Q4.3左、右副垂针伸出Q4.4Q4.5打纬弹出Q4.6卷取电机旋转+4L+4N2代电话-X41L+1N2L+2N3L+3NPLC输入输出供电现代工业经济和信息化第1 3 卷文提综物的织造工艺。当织造完成时，重新点击控制关、开按钮,复位机器,以此结束一个周期。本设备在系统调试时使用的是浅交弯联织物工艺。全自动三维平板织机有三种工作模式，分别是全自动模式、单步模式、点动模式。三种模式的切换由操作人机交互界面中的触摸屏与按钮完成。无论在何种模式，都需要打开控制开按钮操作。全自动模式下，织机按照图3 所示的织造流程循环进行织造。通过每次打纬计算梭数,再通过判断梭数执行上半或下半周期。当一周期结束后，系统自动复位,执行下一个周期。此模式的功能是进行三维织物的全自动织造。当暂停织机的运行时，旋转自动单步旋钮,此时织机切换为单步模式。单步模式下，按下点动按钮，织机会按照全自动模式的运动方式一步步运动,运动步骤间的切换由点动按钮完成。此模式的功能是三维织物织造的检测，通过单步运动判断提综、引纬、打纬系统能否在织机穿纱后稳定运行。调试稳定后，即可旋转自动/单步旋钮进入全自动模式。点动模式由人机交互界面的触摸屏进入。该模式下可以控制每一个可运动的机构进行运动。此模式的功能是调试机器，织机运行一旦出现故障，可以进入该模式进行详细调试，排除故障。此外还可以通过触摸屏给予卷取系统的步进电机可调整脉冲量，使卷取系统工作，可增加纱线张力并实现被动送经。3.3人机交互界面设计人机交互页面由按钮、指示灯、触摸屏三个部分构成。按钮部分由急停按钮、开关旋钮、控制开按钮、控制关按钮、自动/单步模式旋钮、开始/点动按钮构成。指示灯部分由自动/单步指示灯、运行指示灯、停止指示灯构成。触摸屏部分选用的是kinco的MT4500T触摸屏。选用HMI组态编辑软件HMIWarev2.5进行交互界面设计。通过该软件可实现PLC与触摸屏的数据传输。在点动模式下，通过操作触摸屏进行控制调试，编写了部分界面（见图4）。打纬引纬剑杆伸水针伸垂针下图3 织造程序流程引纬回剑杆缩水针缩垂针上副水垂针动作副水针伸副垂针上副垂针下副水针缩卷取点击电机设定参数，进人卷取电机调试页面（见图5）。三维织机控制调试SWOBLO提综向上SW4BL4提综5向上SW10BL8提综9 响上SW15BL12SW16垂直向下水平狗前SW12SW13打纬启动卷曲电机启动图4 触摸屏调试界面卷曲电机参数设定NI2卷曲电机频率#控制运行速度，范围（0-6 553 5），默认3 0 0 0NI3卷曲电机脉冲#控制运行距离，范围（0-9 0 0 0 0 0 0），默认2 4 0SW1卷曲电机方向反转图5触摸屏卷取电机调试界面4系统调试结果现对已完成的控制系统进行调试。调试所用的织物材料为石英纤维。连接所有控制系统，将程序下载进 PLC与触摸屏中,再将所有磁性开关放置就位。接人电源，打开控制开按钮，在单步模式与点动模式下调试好织机，切换至全自动模式，设定好所有参数，即可开始织造。本系统现可稳定运行,织造织物（见图6)优化后制造速度可达到1 2 0 mm/h。图6 成品织物5结语通过系统调试，已经证明本控制系统的设计能够稳定运行。现已基本实现全自动织机的需求：1)通过在控制系统使用PLC,解决了电器元件多与接线复杂的问题，大幅简化电路设计,集成度高,提高了运行可靠性与安全性。2)基于PLC的控制程序使得更改提综顺序快速高效，通过更改周期内的提综顺序可以织造多种织物结构。同时PLC的工作电压为2 4 V，（下转第1 3 9 页）SWT提综2 向上SW7BL5SW8提综6 向上提综狗上SW11BL9SW12提综1 0 向上引纬向前BL13SW17垂直2 狗下FKO电机设定参数BL1SW2提综3 向上BL6SW9提综响向上BL10SW14BL11保留步SW18BL15水平2 向前FK1返回首页BL2SW3气缸4 向上BL7BL32023年第9 期3.4项目分析该案例根据商业综合体的实际用电需求，合理配置了光伏组件、逆变器和储能系统，使得整个系统能够满足约6 0%的日常用电需求,降低了对外部电网的依赖。选用的LONGiSolarLR6-72HPH450W单晶硅组件,具有较高的转换效率(2 0.6%）,确保了光伏发电系统的高性能和稳定性。此外，采用了SungrowSG110CX三相组串式逆变器,具有较高的最大效率，能够适应不同光照条件下的运行，提高了整个系统的能量输出。同时,采用了 CATL LFP锂离子电池作为储能系统,具有较高的能量密度、长寿命和安全性,能够实现光伏发电量的有效储存和利用。通过电力调度与能量管理系统,实现了日间光伏发电量的储存和夜间释放,降低了用电高峰期的电力负荷,提高了整个系统的稳定性。后期还进行了优化，发现并解决了光伏组件发电效率的问题,增加了清洗频率,确保了光伏组件的长期稳定运行。4结语光储一体化屋顶分布式光伏电站将光伏发电和储能系统相结合，具有显著的能源优化和经济效益。Design and Implementation of Rooftop Distributed Photovoltaic Power Plants Based on(State Grid Ezhou Power Supply Company,Ezhou Hubei 436000,China)Abstract:Starting from the composition of the system structure and the key technologies that need to be solved in this project,we designthe rooftop distributed photovoltaic power plant based on the integration of light and storage,and verify the feasibility and superiority of thisscheme through the actual assembly and operation cases,so as to find a practicable solution for rooftop photovoltaic power generation basedon the integration of light and storage.Key words:rooftop;distributed photovoltaic power plant;photovoltaic storage integration;operation effect(上接第1 3 6 页）具有功耗低、使用环境安全的优点。基于PLC的全自动三维平板织机控制系统实现了三维织物的全自动织造，为将来的三维织机控制系统设计提供了参考。参考文献1孙蕊.三维织物复合材料防护用具及设施应用优势 J.合成纤维.2021,50(10):5152.2谭冬宜,李学菲,何斌.蜂窝结构三维织物的设计及复合材料的制PLC-Based Control System Design of Fully Automatic Three-Dimensional Loom(Wuhan Dingdahui Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430000,China)Abstract:This paper analyzes the current domestic three-dimensional textile production equipment exists in a large number of gaps,thedesign of PLC-based three-dimensional flat loom control system for weaving new fabrics.Briefly analyse the composition of the currentcontrol system,hardware design of the control system,choose reasonable electrical components to build the control system,and then designthe software,and finally verify the feasibility of the control system through the practical application of the control system.The results showthat the final weaving efficiency for shallow cross-linked fabrics under fully automatic operation reaches 120 mm/h or more.Key words:three-dimensional textile;three-dimensional loom;PLC;control system陈禹萌：基于光储一体化的屋顶分布式光伏电站设计与实现应用,2 0 2 3,4 0(3):52-54.2叶洪吉，卫东，郭倩，等.基于设计信息的分布式光伏电站预测发电量计算方法 J.太阳能学报，2 0 2 1,4 2（4)：2 53-2 59.3杨旭，易坤,左超.光伏电站中光伏组件串联数的优化设计 J.太阳能,2 0 2 1(3):6 8-7 4.4杨洪雷.分布式光伏电站运维管理与发展趋势 J.上海节能，2 0 2 2(9):1 137-1 142.5刘昱,闫安,高建强.基于光储一体化的电力用户低碳节能技术分析 JJ.信息技术与标准化,2 0 2 1(1 2):4 5-4 9（编辑：白龙）Photovoltaic Storage IntegrationChen Yumeng3李静.三维编织机的研究现状与发展趋势 J.纺织科学研究,2 0 2 0(2):78.4汪春华.基于PLC技术的播种机电气控制系统研究 J.农机化研究,2 0 2 3,4 5(1 1):1 4 1.5梁福臣.PLC自动化控制系统优化设计原则及方法 J.自动化应用,2 0 1 8(1 0):2 7-2 8.6仲岑然.自动小样机电动提综系统 J.上海纺织科技，2 0 0 9,3 7(10):27.(编辑：白龙)Zheng Hao,Zhou Zhan139.系统结构包括光伏阵列、逆变器、储能系统和电力调度与能量管理系统。关键技术涉及光伏组件选型与设计、逆变器技术、储能系统技术以及电力调度与能量管理策略。通过实际应用案例分析,可以发现光储一体化屋顶分布式光伏电站在建筑物上具有广泛的应用前景。随着光伏和储能技术的进一步发展以及政策支持，光储一体化屋顶分布式光伏电站的技术优势和经济效益将更加明显。未来,光储一体化屋顶分布式光伏电站将为更多建筑物提供清洁、可持续的能源解决方案，为应对能源危机和应对气候变化做出积极贡献。参考文献1支理想，李蓓.屋顶分布式光伏电站的设计与实现 J.集成电路备 J.上海纺织科技,2 0 2 1,4 9(1):1 8-2 1.