一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统
技术领域
本实用新型涉及剑杆织机控制系统技术领域，具体涉及一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统。
背景技术
剑杆织机的机械结构和电控系统是决定剑杆织机织造性能的两大主要因素，目前国产剑杆织机的电控系统主要有单片机控制系统和PLC控制系统。申请号为201721758416.5的一种基于单片机的剑杆毛巾织机主控系统的专利提出单片机搭建剑杆织机控制系统，优势在于单片机控制系统制作成本低、制作容易，集成性强，因此备受生产厂家的青睐，然而单片机控制系统对技术要求比较高，一旦出现系统故障，非专业人员很难容易的对故障进行处理，这就大大增加了后期维护成本；专利号为ZL201710185288.8的中国专利公开一种基于PLC的剑杆织机控制系统，利用PLC搭建剑杆织机控制系统，优点在于PLC系统由于PLC的编程语言简单易学，其原理模仿了硬件接线原理，因此PLC控制系统在出现故障的时候，很容易获知故障原因并且进行处理，但是PLC系统的价格昂贵，从用户以及生产厂家的角度而言使用PLC为核心搭建剑杆织机控制系统成本较高。
软PLC(SoftPLC)又称为软逻辑(SoftLogic),是近年来在工业控制领域发展起来的一项新技术。其特点在于，采用面向现场总线网络的体系结构、开放的通信接口和各种相关的国际工业标准，全部用软件来实现硬PLC的功能。软PLC除保留了硬PLC可靠性高、抗干扰能力强、故障排查简单和编程门槛低等优点，还具有系统架构灵活、系统开放性好和性价比高等优点。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型要解决的问题是：提出一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统，使其同时兼具硬PLC的剑杆织机控制系统可靠性高、抗干扰能力强、故障排查容易和基于单片机的剑杆织机控制系统系统集成度高、制作成本低、可拓展性强、可以实现实时工业互联的优点。
本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：提出一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统，其特征在于，该系统采用模块化设计，包括软PLC开发模块、多电源转换模块、普通输入模块、普通输出模块、高速信号发送模块、高速信号采集模块、模拟输入模块、模拟输出模块、Flash存储拓展模块、通信接口模块、JTAG调试模块、Ethernet模块和无线模块；其中所述多电源转换模块分别与软PLC开发模块、普通输入模块、普通输出模块、高速信号发送模块、高速信号采集模块、模拟输入模块、模拟输出模块、Flash存储拓展模块、通信接口模块、JTAG调试模块、Ethernet模块和无线模块连接，为其提供电源；软PLC开发模块分别与普通输入模块、普通输出模块、高速信号发送模块、高速信号采集模块、模拟输入模块、模拟输出模块、Flash存储拓展模块、通信接口模块、JTAG调试模块、Ethernet模块和无线模块连接实现信号的传递；
所述软PLC开发模块固化入软PLC下位机底层驱动；
所述普通输入模块与剑杆织机数字信号输入机构连接，剑杆织机数字信号输入机构包括开关、接近传感器、绝对值编码器、数字传感器，实现数字信号的输入，并传到与普通输入模块连接的软PLC开发模块，通过软PLC开发模块对输入信号进行判断处理；
所述高速信号采集模块与剑杆织机伺服编码反馈机构连接，剑杆织机伺服编码反馈机构包括送经机构伺服编码器和卷取机构伺服编码器，实现伺服电机转动脉冲信号的采集；
所述普通输出模块与剑杆织机数字信号输出机构连接，剑杆织机数字信号输出机构包括剑杆织机机构的开口机构、选纬机构、启动机构、刹车离合机构、主电机机构、慢电机机构、报警指示灯机构，通过软PLC开发模块向普通输出模块发出具体的控制信号，控制剑杆织机的开口机构、选纬机构、启动机构、刹车离合机构、主电机机构、慢电机机构、报警指示灯机构进行相应的工作；
所述高速信号发送模块与剑杆织机伺服驱动机构连接，剑杆织机伺服驱动机构包括送经机构伺服电机、卷取机构伺服电机，通过软PLC开发模块发出控制信号，控制伺服电机实现送经机构与卷取机构的运转；
所述模拟输入模块和模拟输出模块连接剑杆织机的模拟传感器机构，模拟传感器机构包括张力传感器和验纬器，张力传感器和验纬器通过模拟输入模块将传感器信号传入软PLC开发模块，并对信号进行运算处理，进而实现对剑杆织机的准确控制，软PLC开发模块通过所述模拟输出模块将模拟信号传递给张力传感器和验纬器，用以调节传感器的灵敏度；
所述Flash存储拓展模块用于存储剑杆织机的用户指令，即剑杆织机上位机开发指令；所述JTAG调试模块用于实现对软PLC下位机底层驱动的调试工作；所述通信接口模块用于将上位机开发指令下载到软PLC开发模块，实现写入上位机开发指令的功能；所述Ethernet模块和无线模块连接工业网络，实现数据实时网络共享以及远程监控的作用。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统，将软PLC技术应用在嵌入式剑杆织机控制领域，实现将软PLC下位机底层驱动固化到软PLC开发模块，使其同时兼具硬PLC的剑杆织机控制系统和基于单片机的剑杆织机控制系统系统的优点。多电源转换模块、普通输入模块、普通输出模块、高速信号发送模块、高速信号采集模块、模拟输入模块、模拟输出模块均与软PLC开发模块连接，相对于现有剑杆织机领域的单片机控制系统和PLC控制系统而言，PLC控制系统属于内置固定模式的输入、输出接口，单片机控制系统是需要将输入输出通道接入到单片机引脚，本实用新型专利所述软PLC开发模块不同于单片机和硬PLC任意一种形式，软PLC开发模块是依托STM32F407ZGT6实现PLC功能的一种组建方式。应用Flash存储拓展模块拓展剑杆织机控制领域的内存空间，在本实用新型中，从存储结构上看将存储空间分为两个方面，一方面存储软PLC下位机底层驱动，另一方面存储上位机开发指令，以实现软PLC开发模块通过软PLC下位机底层驱动解析编译上位机开发指令，进一步控制剑杆织机的目的。使该控制系统具备开发周期短、编程简单、后期维护成本低的优点；
2)本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统特点在于，全新的设计思路使得该控制系统克服了硬PLC主控系统和单片机主控系统的缺陷，使该剑杆织机主控系统同时具有可靠性高、抗干扰能力强、故障排查容易、集成度高、制作成本低、可拓展性强和可以实现实时工业互联等优点；
3)本实用新型控制系统设置了通信接口模块，该通信模块包括RS232接口、RS485接口、JTAG调试接口、Ethernet接口和无线接口。通过可选的RS232接口和RS485接口，可实现下位机底层驱动指令的植入；JTAG调试接口采用边界扫描测试技术标准，在调试阶段可较大程度地方便硬件调试，在使用阶段可采用该接口实现控制系统故障诊断；运用Ethernet接口和无线接口实现织机与上位机之间的通信，实时监控织机的运行状态，为实现全自动化工厂提供解决方案。
附图说明
图1为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统的嵌入式控制平台结构框图；
图2为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统与剑杆织机机构连接结构图；
图3为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统中软PLC功能结构图；
图4为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统普通输入模块的1个通用数字量输入通道；
图5为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统模拟输入模块的1个模拟量输入通道；
图6为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统高速信号采集模块的1个高速信号输入通道；
图7为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统普通输出模块的1个通用数字量输出通道；
图8为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统模拟输出模块的1个模拟量输出通道；
图9为本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统高速信号发送模块的1个高速信号输出通道；
图1中：1.软PLC开发模块、2.多电源转换模块、3.普通输入模块、4.普通输出模块、5.高速信号发送模块、6.高速信号采集模块、7.模拟输入模块、8.模拟输出模块、9.Flash存储拓展模块、10.通信接口模块、11.JTAG调试模块、12.Ethernet模块、13.无线模块，101.RS232接口、102.RS485接口；
图2中：3.普通输入模块、301.剑杆数字信号输入织机机构、3011.开关、3012.接近传感器、3013.绝对值编码器、3014.数字传感器、4.普通输出模块、401.剑杆织机数字信号输出机构、4011.开口机构、4012.选纬机构、4013.启动机构、4014.刹车离合机构、4015.主电机机构、4016.满电机机构、4017.报警指示灯机构、5.高速信号发送模块、501.剑杆织机伺服驱动机构、5011.送经机构伺服电机、5012.卷取机构伺服机构、6.高速信号采集模块、601.剑杆织机伺服编码反馈机构、6011.送经机构伺服编码器、6012.卷取机构伺服编码机构、7.模拟输入模块、701.模拟传感器机构、7011.张力传感器、7012.验纬器、8.模拟输出模块；
图3中：101.RS232接口、1011.上位机开发指令、1012.软PLC下位机底层驱动、1013.嵌入式软PLC底层主函数、1014.通讯函数、1015.输入采样函数、1016.输出刷新函数、1017.循环扫描周期函数。
图4中：普通输入模块包括32个通用数字量输入通道。
图5中：高速信号采集模块包括4个高速信号输入通道。
图6中：模拟输入模块包含3个模拟量输入通道。
图7中：普通输出模块包括49个通用数字量输出通道。
图8中：高速信号发送模块包括4个高速信号输出通道。
图9中：模拟输出模块包括3个模拟量输出通道。
具体实施方式
下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请的保护范围。
本实用新型嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统该系统采用模块化设计，包括软PLC开发模块1、多电源转换模块2(采用国产莞誉D-120电源变压模块将220V电源电压转换成5V3A、12V3A和24V3A直流电压输出，在模块内部采用AMS1117稳压芯片完成5V电压到3.3V的转换)、普通输入模块3、普通输出模块4、高速信号发送模块5、高速信号采集模块6、模拟输入模块7、模拟输出模块8、Flash存储拓展模块9、通信接口模块10、JTAG调试模块11、Ethernet模块12和无线模块13；其中所述多电源转换模块2分别与软PLC开发模块1、普通输入模块3、普通输出模块4、高速信号发送模块5、高速信号采集模块6、模拟输入模块7、模拟输出模块8、Flash存储拓展模块9、通信接口模块10、JTAG调试模块11、Ethernet模块12和无线模块13连接为其提供电源；软PLC开发模块1分别与普通输入模块3、普通输出模块4、高速信号发送模块5、高速信号采集模块6、模拟输入模块7、模拟输出模块8、Flash存储拓展模块9、通信接口模块10、JTAG调试模块11、Ethernet模块12和无线模块13连接实现信号的传递。
在控制剑杆织机时需要实现普通输入模块3与剑杆织机数字信号输入机构301连接。所述普通输入模块3包括32个通用数字量输入通道，其中每个通用数字量输入通道由EL817光电耦合隔离电路组成，图4所示为其中一个通用数字量输入通道；所述剑杆织机数字信号输入机构301包括开关3011、接近传感器3012、绝对值编码器3013、数字传感器3014，实现数字信号的输入，并传到与普通输入模块3连接的软PLC开发模块1，通过软PLC开发模块1对输入信号进行处理判断；所述绝对值编码器3013安装于主轴上，具体型号采用JSP520，该编码器为10位1024线格雷码并行口光电编码器；所述数字传感器3014包括停经片和油位油压检测传感器。
所述高速信号采集模块6包括4个高速信号输入通道，每个高速信号输入通道由6N137高速光电耦合隔离器构成的低延时特性电路组成，图5所示为其中一个高速信号输入通道。高速信号采集模块6与剑杆织机伺服编码反馈机构601连接，剑杆织机伺服编码反馈机构601包括送经机构伺服编码器6011和卷取机构伺服编码器6012，实现伺服电机转动脉冲信号的采集。
所述普通输出模块4包括49个通用数字量输出通道，其中每个通用数字量输出通道由EL817光电耦合隔离电路构成，在电路的输出端采用PMOS管IRF9530N扩展后级驱动，具有性能可靠、性价比高和驱动能力强等优点，图7所示为其中一个通用数字量输出通道。普通输出模块4与剑杆织机数字信号输出机构401连接，分别连接剑杆织机数字信号输出机构401的开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014、主电机机构4015、慢电机机构4016、报警指示灯机构4017，通过软PLC开发模块1向普通输出模块4发出具体的控制信号，控制剑杆织机的开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014、主电机机构4015、慢电机机构4016、报警指示灯机构4017进行相应的工作。
所述高速信号发送模块5包括4个高速信号输出通道，其中每个高速信号输出通道由6N137单通道高速光电耦合隔离电路构成，该电路具有结构简单、寿命长、抗干扰性好、隔离电压高和电平匹配兼容性好等优点，图8所示为其中一个高速信号输出通道。高速信号发送模块5与剑杆织机伺服驱动机构501连接，剑杆织机伺服驱动机构501包括送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012，通过软PLC开发模块1发出控制信号，控制伺服电机实现送经机构与卷取机构的运转。
所述模拟输入模块7包括3个模拟量输入通道，其中每个模拟量输入通道是由两个LM358运算放大器设计的高共模抑制比放大电路构成，图6所示为其中一个模拟量输入通道。
所述模拟输出模块8包括3个模拟量输出通道，其中每个模拟量输出通道是由一个LM358运算放大器设计的具有钳位功能的同相比例放大电路组成，图9所示为其中一个模拟量输出通道。模拟输入模块7和模拟输出模块8连接剑杆织机的模拟传感器机构701，模拟传感器机构701包括张力传感器7011和验纬器7012，张力传感器7011和验纬器7012将传感器信号传入软PLC开发模块1，并在软PLC开发模块1内部对信号进行运算处理，进而实现对剑杆织机的准确控制。所述模拟输出模块8将模拟信号传递给张力传感器7011和验纬器7012，用以调节传感器的灵敏度。
本实用新型嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统的Flash存储拓展模块9采用CHENGX的WaveShare K9F1G08U0E NandFlash模块，该模块可直接接入STM32F407ZGT6的FSMC接口，为系统提供1Gbit的Flash存储空间，用于存储剑杆织机的用户指令，即剑杆织机上位机开发指令101；所述JTAG调试模块11采用IEEE通用标准，用于实现对软PLC下位机底层驱动102的调试工作，确保软PLC下位机底层驱动102功能的准确性；所述通信接口模块10包括RS232接口101和RS485接口102，其中RS232接口101采用MAX232芯片完成232电平和TTL电平的转换，主要实现将上位机开发指令1011下载到软PLC开发模块1，实现写入上位机开发指令1011的功能；RS485接口102采用MAX485芯片完成485电平和TTL电平的转换，主要起到拓展接口的作用；所述Ethernet模块12采用TELESKY的W5100网络扩展模块，该模块支持SD卡扩展和可直接接入STM32F407ZGT6的以太网接口，Ethernet模块使本织机具有远程数据传输能力；所述无线模块13采用ESP8266WIFI扩展模块，本模块与STM32F407ZGT6的串口相连接，实现数据的无线传输；Ethernet模块12和无线模块13都是可以连接工业网络的模块，可以实现数据实时在网络共享以及远程监控的作用。
本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统的嵌入式软PLC开发模块1硬件上是以STM32F407ZGT6为核心搭建控制核心电路，软件上将软PLC下位机底层驱动固化到以STM32F407ZGT6为核心搭建的控制核心电路以此形成了软PLC开发模块，这样不仅充分发挥了单片机可拓展性强，电路结构简单的特点，还从软PLC方面对系统固化，使单片机具备软PLC功能。嵌入式软PLC开发模块1固化入软PLC下位机底层驱动1012，这个底层驱动根据具体的控制功能的实现以及被控对象剑杆织机进行设计编程，实现嵌入式平台的PLC功能(在单片机控制系统和PLC控制系统中，单片机只能实现将程序转换成机器语言的识别，不能直接读取PLC编程语言，比如像PLC的梯形图程序，本实用新型所实现的PLC功能通俗的讲就是利用单片机实现PLC的功能，也就是实现单片机可以读取识别PLC梯形图程序的功能)；所述嵌入式软PLC下位机底层驱动1012主要以嵌入式软PLC底层主函数1013为主，分别通过子程序调用函数与通讯函数1014、输入采样函数1015、输出刷新函数1016、循环扫描周期函数1017连接，实现嵌入式软PLC下位机底层驱动1012在软PLC开发模块1对上位机开发指令1011的解析编译工作。
下面以对剑杆织机的控制实例介绍本文的控制系统：
本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统所要实现的功能是实现嵌入式软PLC下位机底层驱动1012在软PLC开发模块1对上位机开发指令1011的解析编译工作。使本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统不仅具备模块化设计集成性高的特点，同时解析编译上位机开发指令1011的实现使本实用新型所述控制系统在搭建剑杆织机控制系统时具备设计过程简单、制造成本低、开发周期短、可编程性简单、后期维护成本低的优点；
本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统解析编译上位机开发指令1011的过程主要通过图3来进行说明。
本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统的软件结构分为上位机开发指令1011和软PLC下位机底层驱动1012，其中上位机开发指令1011也可以称作用户指令，在PLC领域称作控制剑杆织机运动的PLC程序，本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统在功能上分为两个阶段：一个阶段是通过软PLC开发模块1固化的软PLC下位机底层驱动1012对上位机开发指令1011进行解析编译，使其可以被本文所述控制系统读取识别，然后对解析识别的上位机开发指令1011生成相应的控制代码；另一个阶段是通过生成控制代码的逻辑关系实现对剑杆织机的实际控制。
本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统所控对象剑杆织机包括剑杆织机数字信号输入机构301、剑杆织机数字信号输出机构401、剑杆织机伺服驱动机构501、剑杆织机伺服编码反馈机构601和模拟传感器机构701组成，其中剑杆织机数字信号输入机构301包括开关3011、接近传感器3012、绝对值编码器3013、数字传感器的连接3014，剑杆织机数字信号输出机构401包括开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014、主电机机构4015、慢电机机构4016、报警指示灯机构4017，剑杆织机伺服驱动机构501包括送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012，剑杆织机伺服编码反馈机构601包括送经机构伺服编码器6011和卷取机构伺服编码器6012，模拟传感器机构701包括张力传感器7011和验纬器7012；本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统主要对上述机构实现控制，进而实现剑杆织机的织造功能。
本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统对剑杆织机数字信号输入机构301和剑杆织机伺服编码反馈机构601信号的输入从软PLC功能实现的角度分析过程如下：(下面内容从图1中各个通信模块以及输入输出模块围绕对剑杆织机和软PLC关系做了简单介绍)
软PLC开发模块1通过嵌入式软PLC底层主函数1013调用输入采样函数1015不断对普通输入模块3和高速信号采集模块6进行扫描，判断剑杆织机数字信号输入机构301中开关3011、接近传感器3012、绝对值编码器3013、数字传感器3014的连接，剑杆织机伺服编码反馈机构601中送经机构伺服编码器6011和卷取机构伺服编码器6012有无信号状态的变化，并将信号变化情况传递给软PLC开发模块1，软PLC开发模块1通过嵌入式软PLC底层驱动主函数1013对信号变化状态进行处理，通过对上位机开发指令1011的解析编译过程，给出输入信号状态变化需要做出的动作反应，并将动作反应信号通过输出刷新函数1016不断通过普通输出模块4或者高速信号发送模块5刷新输出，将输出信号转化成控制剑杆织机数字信号输出机构401中开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014、主电机机构4015、慢电机机构4016、报警指示灯机构4017以及剑杆织机伺服驱动机构501中送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012动作的信号；对于剑杆织机模拟传感器机构701中张力传感器7011和验纬器7012所采集的模拟信号与上面的处理过程类似，是通过扫描模拟输入模块7的信号变化状态，并将状态信息传递给软PLC开发模块1，软PLC开发模块1中的嵌入式软PLC底层驱动主函数1013对模拟信号进行数字化的转换，实现对模拟信号的采集过程；通信函数1014通过对应的RS485接口102不断将数据信号传递给上位机通过上位机保存或者可以选择通信函数1014通过Ethernet模块12和/或无线模块13将数据上传到网络，可以实现远程调用数据的功能，循环扫描周期函数1017在这个期间按照一定的扫描周期不断循环往复上述运行过程，是本实用新型所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统可以实现长时间不间断对剑杆织机进行控制的目的。
本实用新型一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统对剑杆织机实际控制过程如下：
本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统在控制剑杆织机的开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014时需要按照绝对值编码器3013的转动角度的确定控制的时序，本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统在按下开关3011使启动机构4013启动整个剑杆织机后，会通过软PLC开发模块1固化的软PLC下位机底层驱动1012对上位机开发指令1011进行解析编译生成的控制代码读取绝对值编码器3013的转动角度，然后在对应的角度控制剑杆织机的开口机构4011、选纬机构4012、启动机构4013、刹车离合机构4014完成相应的动作，选纬机构4012在选纬过程中，验纬器7012不断对纬纱是否断纬或多纬进行判断，若出现上述情况，则出现故障，报警指示灯机构4017点亮提示出现故障，并控制主电机机构4015停止工作，控制刹车离合机构4014开始工作实现故障停车，若没有出现上述故障，则开口机构4011配合选纬机构4012完成剑杆织机的引纬动作，继续后续的剑杆织机的工作；
本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统在控制剑杆织机送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012需要实现两者的同步性，使张力传感器7011实时采集经纱张力，两者同步性主要是为了维持张力的稳定性，张力传感器7011所测张力信号是实现剑杆织机正常织布的关键因素；送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012在实现送经工艺和卷取工艺的同时，送经机构伺服编码器6011和卷取机构伺服编码器6012实时将送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012转动情况传入软PLC开发模块1，通过控制代码的逻辑关系达到对送经机构伺服电机5011、卷取机构伺服机构5012的闭环控制；
本文所述一种基于嵌入式软PLC的剑杆织机控制系统在控制剑杆织机过程中，还会配合剑杆织机内置的接近传感器3012、数字传感器3014的连接对剑杆织机的运行状态进行判断，达到故障检测和诊断的功能。
本实用新型未涉及之处仍适用于现有技术。
