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基于矩阵开关的气流纺断纱接头控制系统的设计

作　者: 刘秀
导　师: 吴凌云
学　校: 长江大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: FPGA 断纱接头矩阵开关气流纺纱机
分类号: TS103.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

纱线是纺织产品的基本因素,对于纺织加工和最终的产品来说,纱线本身的质量起着决定性的作用,在很大程度上影响穿着和实用特性。而纺纱机性能的优劣与否决定着所纺纱线的质量和品质,常用的气流纺纺纱中,纱锭数量一般都非常的庞大(每台机多达上千路),并且要满足多工人、多路同时操作,工作量相当的大,而断纱接头又是其中一个重要的环节,因为要及时发现纺纱过程中断掉的纱头,准确定位断纱并高效自动地将其重新接起来使每锭纱在足够长度下只有两个头,并且保证接头处与非接头处具有相同的粗细和强度标准,避免在织布过程中出现纱的长短不齐、粗细不均、强度不一等问题,这关系到整个纺纱工艺的质量和所纺纱线的质量。我们现在所使用的纺纱机的接头工艺通常为工人人工接头、单片机系统控制接头和PLC系统控制接头,但是工人人工接头需要工人具有非常熟练的手工技艺,且接头时机不易控制,往往会造成接头时间冗长且纱线质量得不到保证,效率低下；对于单片机系统来说,要想满足庞大的设备输入输出接口,仅靠单片机的I/0口是远远不够的,即使是经过扩展后也很有限,如果一味地想要满足机器设备的输入输出接口,就必须大大增加单片机的数量,这样就会导致每台单片机的一致性能受到严峻的挑战,从而大大增加了设计和维护的成本,可靠性降低且性价比不高；而PLC控制虽然基本上解决了断纱接头的关键问题,但同样面临I/0口有限的问题,另外由于PLC的价格相对来说比较昂贵,所以为了满足I／0数目而增加PLC数量也会造成整个设计的性价比低下,并且会使数据设置不灵活,每当我们改变所纺纱线的规格都需要专业的人员重新设置和调试逻辑控制器才能正常运行,会给生产和维护带来很大的不便。所以很需要研制出新的自动化程度高的控制系统来满足生产和市场的需要。而本设计是经过对以上方法中所面临的问题的分析和改进所提出的,比较详细地论述了气流纺断纱接头控制系统的具体设计和实现过程,主要包括了它的需求分析、硬件设计、软件设计和性能测试等内容。本设计中使用单片机作为上位机,以FPGA为核心的控制系统作为下位机,由一个上位机系统和多个下位机控制系统组成,而上位机系统包含了一个CPU运算中心、一个液晶显示屏、键盘和通信端子。下位机控制系统包含24路信号检测端口、电源、FPGA运算控制核和48路功率输出控制端口,每路信号检测端口各自对应控制两路功率输出端口。它能独立的完成德国气流纺RU-14型整机216路纱锭的断纱接线的所有功能。上位机提供了不同纱线断纱接线所需要的不同延时的需求,可提供10ms-990ms步进连续的可任意设置的时间控制信号,且同步显示在液晶显示屏上。两路延时输出信号的功率应满足于控制48V/2A的继电器工作。本系统构成了一套基于矩阵开关的控制系统,且该系统具有庞大的工/0口,通过对上位机和下位机的软件设计和硬件设计,来完成气流纺纱机的断纱接头的自动控制。硬件电路部分大致可由三大部分组成,它们是上位机系统控制板、FPGA核心控制板、FPGA控制板底板,上位机主要是完成两路输出延时时间的设置以及与FPGA之间的通信,并且可以通过键盘任意设置断纱接头所需要的时间同步显示在液晶屏上。时间设置可以通过键盘来操作,根据软件的设计可以完成加减的操作来达到改变时间的目的,灵活性大,上位机与FPGA的接口采用RS485串口。FPGA核心控制板主要采用ALTERA公司的cyclone系列的EP1C3T144C8芯片作为核心及相关的开发板电路构成,通过插座连接在FPGA控制底板上,FPGA控制底板主要是完成输入输出信号的对应控制,中间通过FPGA芯片连接,还有与上位机系统板的连接。该方案具有集成度高、可靠性高、通用性强等优点,并且大大的提高了劳动生产率和降低了劳动强度。在多家纺织企业的气流纺机上已经得到了成功的应用。

基于矩阵开关的气流纺断纱接头控制系统的设计

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