嵌入式技術(shù)在紡織機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1引言

目前大部分紡織機(jī)械的控制系統(tǒng)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(jī)或單板機(jī)控制裝置、上業(yè)PC機(jī)控制裝置，還有PLC控制裝置等，這此傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)。

采用傳統(tǒng)的繼電器和分立的電子線路來作為紡織機(jī)械的控制裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、叫一靠性差、運(yùn)行維護(hù)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(hù)特性配合小合理、系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性小高。隨著使用時(shí)間的推移，溫度、潮濕、電氣元件老化、灰塵、雜質(zhì)、機(jī)械摩擦等等囚素的影響，造成有的系統(tǒng)部件性能下降甚至失控「‘」。

采用單片機(jī)控制，邏輯控制繁瑣，增加了維修調(diào)試的環(huán)節(jié)，線路板驅(qū)動部件老化程度較高，如果出現(xiàn)問題將更換整塊電板路，維修成本高。山于單片機(jī)功能單一、速度較慢、網(wǎng)絡(luò)功能小健個(gè)，它經(jīng)常采用中口通信來交換數(shù)據(jù)和信息，而中口通信在使用中存在抗十?dāng)_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(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，山于需要額外的ROM/RAM空間，這對于一此內(nèi)存十分有限、且只能上作在單片方式的單片機(jī)來說會受到限制，并且其內(nèi)裝的TCP/工P協(xié)議棧簡單，沒有內(nèi)置多任務(wù)操作系統(tǒng)，對大量網(wǎng)絡(luò)廣播包數(shù)據(jù)、病毒攻擊響應(yīng)有困難，非常容易導(dǎo)
致卞機(jī)網(wǎng)絡(luò)掉線「2」。

PLC控制系統(tǒng)也存在固有的缺陷，山于PLC是一種通用的控制器，應(yīng)用到紡織機(jī)械控制系統(tǒng)作為現(xiàn)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(shè)備和電路。同時(shí)PLC本身存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)，卞要是PLC的軟、硬件體系結(jié)構(gòu)是封閉而小是開放的，絕大多數(shù)的PLC是專用總線、專用通信網(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(jié)構(gòu)小一致，使各種PLC勺_小兼容。同時(shí)PLC十PC機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控程序的實(shí)時(shí)性、開放性和可靠性無法得到保障，其通信速度慢和PLC專用聯(lián)網(wǎng)模塊的設(shè)訓(xùn)也是一個(gè)很大的問題。

2嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

嵌入式技術(shù)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，特別是近幾年無淪在MCU、軟件系統(tǒng)、開發(fā)上具與方法和勺_聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，以及在應(yīng)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)和市場角度，嵌入式系統(tǒng)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(jī)、電腦汽車等新產(chǎn)品層出小窮，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。在中國大陸地區(qū)，雖然關(guān)鍵硬件卞要依靠進(jìn)口，技術(shù)基礎(chǔ)相對較弱，但在經(jīng)過近年的迅速發(fā)展，無淪是硬件、軟件還是應(yīng)用，都已取得質(zhì)的突破「3」。

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可以剪裁，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、叫一靠性、成、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器等先進(jìn)技術(shù)與具體應(yīng)用對象相結(jié)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(tǒng)「1」。

在嵌入式系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件常被集成于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之中，使系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件一體化。嵌入式系統(tǒng)卞要包括嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)、以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)四部分囚。根據(jù)應(yīng)用方式的小同，叫一將嵌入式系統(tǒng)分為知識產(chǎn)權(quán)核(intellectual property, IP)級、芯片級和模塊級等3種小同的體系結(jié)構(gòu)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(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用對象的控制、監(jiān)視和管理等功能圈。

具體來說，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(tǒng)中，完個(gè)滿足對象系統(tǒng)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“專用性”的相關(guān)特點(diǎn):軟、硬件的裁剪性，滿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(dǎo)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(shù)應(yīng)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(tǒng)中用C語言和匯編語言編寫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(zhí)行速度。

(3)嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)各種應(yīng)用的、對功能、叫一靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)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(tǒng)。

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

(5)嵌入式系統(tǒng)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)和通信功能:它除含工EEE1394-2 (USB火線)外，還包含有傳統(tǒng)的RS232和工EEE488接口，以及以太網(wǎng)接口和相應(yīng)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(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動化檢測技術(shù)，對紡織機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、叫一靠的群控、群測，從而將整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫提供統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠的信息采集、管理和傳輸。在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能綜合化、網(wǎng)絡(luò)勺_聯(lián)化、開放化和標(biāo)準(zhǔn)化是新一代紡織機(jī)械控制系統(tǒng)的特征。

3嵌入式技術(shù)在紡織機(jī)械控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

以圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)為例。圓網(wǎng)印花}L是一個(gè)多部分協(xié)調(diào)運(yùn)動的電氣傳動系統(tǒng)，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(yán)格的同步運(yùn)動。印花傳誦帶經(jīng)卞電}L拖動，以穩(wěn)定的速度運(yùn)行，各個(gè)印花篩網(wǎng)分別山步進(jìn)電機(jī)拖動跟蹤送步帶，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，再經(jīng)過快速調(diào)整，使各個(gè)篩網(wǎng)的零與第一級篩網(wǎng)的零位標(biāo)志會合，此時(shí)織物進(jìn)入印花機(jī)，進(jìn)入生產(chǎn)過程，如圖1所示。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，要求各個(gè)篩網(wǎng)小僅能夠自動調(diào)整皮帶速度變化和自身十?dāng)_等誤差，而且能夠根據(jù)前級誤差確定自身的最佳會合點(diǎn)。

山于圓網(wǎng)印花機(jī)被控設(shè)備較多，而且它們之間存在大量通信，囚此圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)多采用分布式控制系統(tǒng)方案。在各從機(jī)中，0號下位機(jī)用于測量導(dǎo)布皮帶速度，1號一n號下位機(jī)分別完成對各級圓網(wǎng)位置和速度的控制，上位機(jī)卞要完成對下位機(jī)的監(jiān)控、協(xié)調(diào)和管理?；谇度胧郊夹g(shù)的分布式圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示，其中的下位機(jī)用嵌入式CPU實(shí)現(xiàn)，采用ARM9處理器和實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，協(xié)調(diào)并控制其他幾個(gè)模塊的正常上作，系統(tǒng)的導(dǎo)帶單元配備編碼器，印花單元配備光電檢測開關(guān)，同時(shí)一個(gè)嵌入式驅(qū)動節(jié)點(diǎn)叫-以管理1-}-4個(gè)單元的驅(qū)動，一個(gè)嵌入式操作節(jié)點(diǎn)管理1-}-4個(gè)圓網(wǎng)的操作。

上、下位機(jī)之間采用PROF工BUS現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行通信，PROF工BUS現(xiàn)場總線技術(shù)采用了公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的開放式解決方案，實(shí)現(xiàn)真正的個(gè)分布式控制，將控制功能傳輸?shù)浆F(xiàn)場印花設(shè)備，使控制系統(tǒng)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(tǒng)這種大規(guī)模系統(tǒng)來說，減少了山于接線點(diǎn)造成的小叫一靠囚素。同時(shí)系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線l改障診斷、報(bào)警、記錄功能，叫一完成現(xiàn)場控制設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等上作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

同時(shí)，基于嵌入式技術(shù)的圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)利用以太網(wǎng)協(xié)議，具有工nternet接入功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程診斷，提供強(qiáng)大的在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持。通過它可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)的狀態(tài)，并且能夠象現(xiàn)場人員一樣對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的交勺_式操作，監(jiān)控各部件當(dāng)前的狀態(tài)、進(jìn)行診斷維護(hù)等。圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)包括以下功能:

(1)系統(tǒng)設(shè)置功能:設(shè)置嵌入式控制子系統(tǒng)的通訊接口參數(shù)，設(shè)置報(bào)警狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)或者測量值越線時(shí)報(bào)警，

(2)數(shù)據(jù)采集功能:對輸出的頻率、電壓、電流、脈沖及數(shù)字編碼等信號的傳感器進(jìn)行常規(guī)巡測，定時(shí)巡測以及人上測量等，同時(shí)通過設(shè)置各種數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對上程文檔、巡查信息、原始測量、轉(zhuǎn)換成功、監(jiān)控指標(biāo)和數(shù)學(xué)模型等進(jìn)行管理，

(3)傳感器設(shè)置功能:分別對各類傳感器進(jìn)行編程、設(shè)置，

(4)系統(tǒng)自檢功能:在數(shù)據(jù)采集過程中，先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，當(dāng)系統(tǒng)硬件設(shè)備、軟件初始化或者通信線路發(fā)生l改障時(shí)，在計(jì)算機(jī)上能顯示相關(guān)信息，便于及時(shí)維修，

(5)異常診斷及報(bào)警功能:系統(tǒng)通過檢測值處理、時(shí)空分析，結(jié)合巡查新鮮和運(yùn)行情況，對測量異常進(jìn)行分級報(bào)警，以方便防洪決策，

(6)人機(jī)界面:叫一按日常要求提供簡要的報(bào)告，包括機(jī)器和設(shè)備布置情況報(bào)告，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)報(bào)告，測量和控制程序報(bào)告，數(shù)據(jù)報(bào)告，報(bào)警報(bào)告和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)情況報(bào)告等。

除上述功能外，監(jiān)測子系統(tǒng)還提供自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和人上觀測數(shù)據(jù)的處理，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與工nternet數(shù)據(jù)庫接口，提供數(shù)據(jù)備份。圓網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

為滿足用瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作、控制與監(jiān)測，上層系統(tǒng)還具有HTTP服務(wù)器功能，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的遠(yuǎn)程更新和文件管理，系統(tǒng)應(yīng)具有FTP服務(wù)器功能，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)Web數(shù)據(jù)庫記錄自動填報(bào)，系統(tǒng)應(yīng)具有HTTP客戶功能，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)文件的自動發(fā)送，系統(tǒng)應(yīng)具有FTP客戶功能，為實(shí)現(xiàn)用Email報(bào)警和發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，系統(tǒng)還應(yīng)具有SMTP客戶功能。圖4是網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程通訊模塊的運(yùn)行原理框圖。

通過嵌入式控制系統(tǒng)，還叫一以在在監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上運(yùn)行監(jiān)控組態(tài)軟件，也可以通過以太網(wǎng)協(xié)議運(yùn)行于遠(yuǎn)程控制中心。組態(tài)軟件接受來自紡織機(jī)械現(xiàn)場控制單元的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理、分析和顯示，向現(xiàn)場控制單元發(fā)送各種控制命令。

4結(jié)語

嵌入式技術(shù)與系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，其研究和廣泛應(yīng)用將對紡織行業(yè)帶來深刻的蘋命。結(jié)合當(dāng)前紡織機(jī)械控制系統(tǒng)的狀況，需要大力開展以下上作:

(1)大力開展嵌入式技術(shù)方面研究，卞要包括嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫和嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)方面的研究，在完善和提升硬/軟件研究開發(fā)平臺和體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)這此技術(shù)與紡織機(jī)械控制系統(tǒng)相結(jié)合。

(2)積極面向國外學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，共同開展相關(guān)研究，促進(jìn)嵌入式技術(shù)在紡織行業(yè)中的應(yīng)用。

(3)巨大的市場需求給我們提供了學(xué)習(xí)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)，開展針對紡織行業(yè)中的應(yīng)用嵌入式產(chǎn)品開發(fā)，引導(dǎo)大中型紡織企業(yè)積極采用嵌入式技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)品的智能化，參與國際競爭。