引言

絲線張力是紡紗、假捻等加工過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量與加工效率的一個(gè)重要參數(shù)。其中，絲線張力波動(dòng)越大，產(chǎn)品質(zhì)量越差，并將影響后序加工產(chǎn)品的外觀及舒適性。因此需對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中絲線張力加以監(jiān)測(cè)、控制，以減小絲線張力的波動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)絲線張力的監(jiān)測(cè)大多還停留在隨機(jī)抽檢階段，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性不高，效率較低；國(guó)外的一些監(jiān)測(cè)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)絲線張力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但價(jià)格昂貴且技術(shù)保密。因此迫切需要自主研究設(shè)計(jì)一套絲線張力在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體運(yùn)行機(jī)制

基于LabVIEW和C8051F350單片機(jī)的紡絲在線張力監(jiān)控系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)自主研制的專用張力傳感器，以嵌入式混合信號(hào)微處理芯片8051F350單片機(jī)為下位機(jī)，運(yùn)用虛擬儀器圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW作為上位機(jī)，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、精準(zhǔn)可靠的紡絲張力監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，總體運(yùn)行機(jī)制為：

（1）張力傳感器獲取紡紗、假捻等加工過(guò)程中絲線張力信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路處理。

（2）信號(hào)調(diào)理完畢后，輸入控制器，經(jīng)單片機(jī)處理輸出信號(hào)完成閉環(huán)控制，信息通過(guò)串口傳到上位機(jī)。

（3）上位機(jī)用功能強(qiáng)大的LabVIEW圖形化編程實(shí)現(xiàn)，完成參數(shù)設(shè)置，張力在線監(jiān)控顯示。其中，顯示內(nèi)容包括設(shè)定張力值、實(shí)測(cè)張力值、張力控制器運(yùn)行狀態(tài)（手動(dòng)、自動(dòng)及參數(shù)設(shè)置狀態(tài)）等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 處理器選擇

根據(jù)張力控制原理，本文采用稱重法實(shí)現(xiàn)張力檢測(cè)與控制。它需二路傳感器輸入信號(hào)和一路恒流輸出控制信號(hào)，并對(duì)其信號(hào)進(jìn)行A／D，D／A轉(zhuǎn)換。為此，該系統(tǒng)控制器需選用具有A／D和D／A功能的嵌入式混合信號(hào)微處理芯片，避免采用片外A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，從而簡(jiǎn)化線路，降低成本。本文依據(jù)上述需要選擇C8051F350 MPU為嵌入式處理器，其內(nèi)部含有一個(gè)全差分24位∑-△A／D、帶模擬多路開(kāi)關(guān)、2個(gè)8位電流輸出DAC，具有在片校準(zhǔn)和抽取濾波器及內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和8種增益設(shè)置等多項(xiàng)功能。其中，D／A利用C8051F350的可編程計(jì)數(shù)陣列（PCA）脈寬調(diào)制（PWM）功能，具有16位轉(zhuǎn)換精度，且便于光電隔離。硬件實(shí)現(xiàn)參數(shù)包括SPI，SMBus／IIC和1個(gè)UART串行接口，8 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，768 B（512+256）的片內(nèi)RAM，片內(nèi)看門狗定時(shí)器，1個(gè)比較器，以及VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，17個(gè)I／O端口，-40～+85℃工業(yè)級(jí)溫度范圍，2．7～3．6 V工作電壓。

2．2 張力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

傳感器選擇主要通過(guò)分析絲線張力傳感器的原理與種類，選擇電阻應(yīng)變式張力傳感器，F(xiàn)K6張力傳感器（Tension Sensor）可替代進(jìn)口的張力傳感器，具有指標(biāo)優(yōu)越穩(wěn)定、免校準(zhǔn)、測(cè)量精準(zhǔn)、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于加彈應(yīng)用環(huán)境具有針對(duì)性的抗干擾能力，抗破壞能力強(qiáng)，免維護(hù)，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。其性能指標(biāo)如下：

FK6張力測(cè)量范圍CN0-80／0-120／0-180；綜合誤差％FS1．2；長(zhǎng)期零位漂移％FS1．2；一年長(zhǎng)期增益漂移％FS1．2；一年零位漂移％FS1．2≥48 h（同上）；溫度漂移％FS／10℃0．325～70℃；非線性％FS1．2。FK6傳感器輸出為DC 4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)（或電壓信號(hào)DC 0～10 V／0～5 V），接口電路形式較為簡(jiǎn)單。在此，主要對(duì)采用稱重法的應(yīng)變片傳感器電路進(jìn)行說(shuō)明，圖2為其接口電路圖。

應(yīng)變片組成的橋路包括恒壓供電和恒流供電兩種形式。設(shè)計(jì)采用恒流供電形式，電路采用OP07運(yùn)算放大器形式。該電路形成恒流供電主要是運(yùn)算放大器同相端接2 V穩(wěn)壓管，加在運(yùn)算放大器U1反相端電阻R2（68 Ω）上的電壓也為2 V。因此，流過(guò)電阻R2上的電流不因負(fù)載變化而變化。此外，在收放卷過(guò)程中，因張力變化引起橋路不平衡將有電壓信號(hào)輸出，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)儀表放大器AD623放大后傳送至MPU的A／D

轉(zhuǎn)換器。其中，W1為增益調(diào)整電位器；W0為零點(diǎn)電平調(diào)整電位器。控制電路及通信接口主要采用恒流信號(hào)輸出控制，單片機(jī)與上位機(jī)通過(guò)MAX 232串行接口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 控制程序設(shè)計(jì)

張力控制器軟件采用PID控制方法完成對(duì)各功能模塊的控制，實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定、設(shè)置、張力測(cè)量、恒流信號(hào)輸出等功能。軟件完成初始化設(shè)置后，進(jìn)行張力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理、恒流控制輸出等。根據(jù)實(shí)際工況，張力信號(hào)數(shù)據(jù)采集需要進(jìn)行濾波處理，采用基于提升框架的濾波算法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以有效消除各類噪聲，與國(guó)外產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)相比具有一定的先進(jìn)性。

控制算法采用積分分離式的PID控制，防止偏差較大時(shí)造成PID運(yùn)算的積分積累，避免控制量超過(guò)制動(dòng)器的最大動(dòng)作范圍。當(dāng)控制量與設(shè)定值的偏差較大時(shí)，取消積分作用；當(dāng)控制量接近設(shè)定值時(shí)，加入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。在實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)實(shí)際需要還可以取消微分的調(diào)節(jié)作用，圖3為程序流程圖。

3．2 通信模塊設(shè)計(jì)

上機(jī)位采用PC機(jī)，控制器與上位機(jī)的通信采用RS 232串口通信。控制器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳。采用雙通道多次轉(zhuǎn)換，對(duì)兩個(gè)通道進(jìn)行多次采樣取平均值，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔通過(guò)定時(shí)器來(lái)完成，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)。

3．3 上位機(jī)軟件平臺(tái)LabVIEW及軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件平臺(tái)采用NI公司的LabVIEW。LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序。LabVI-EW用圖標(biāo)表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流向，提供了很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。圖4為紡絲張力監(jiān)控系統(tǒng)的前面板，圖中顯示監(jiān)控1狀態(tài)界面，監(jiān)控2界面包括表格顯示多路張力信號(hào)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用表單文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄，有強(qiáng)大的文件I／O函數(shù)，可以將采集到的數(shù)據(jù)以一定的格式存儲(chǔ)在文件中保存，用以滿足用戶不同的文件操作需要。表單文件可將數(shù)據(jù)數(shù)組轉(zhuǎn)換成ASCII碼存放在電子表格文件中，設(shè)計(jì)中將以測(cè)量日期作為文件的命名，每一天測(cè)量的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)表格中。用戶可以通過(guò)前面板界面輸入日期來(lái)查看歷史數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)Excel等第三方軟件進(jìn)行查看。其他界面選區(qū)卡可實(shí)現(xiàn)顯示紡絲卷筒落筒記錄，跟蹤調(diào)試以及系統(tǒng)信息，跟蹤調(diào)試界面設(shè)計(jì)參數(shù)修改接口。當(dāng)落筒或者斷絲后，系統(tǒng)產(chǎn)生落筒記錄，記錄信息包含產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)信息、張力信息等。同時(shí)將落筒記錄和異常點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)使用以上的原始采集信息作為統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)，根據(jù)目前廠家對(duì)產(chǎn)量、質(zhì)量的分析需求提供不同的分析報(bào)表和圖表。

4 結(jié)論

（1）利用C8051F350的全差分24位∑-△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器及抽取濾波器，有效地抑制各種干擾因素的影響，可以穩(wěn)定地進(jìn)行張力信號(hào)采集與恒流控制輸出；

（2）利用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)控制軟件，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)；

（3）張力控制系統(tǒng)經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了所要求的張力控制。

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