嵌入式技术在纺织机械控制系统中的应用

1引言

目前大部分纺织机械的控制系统都是采用触点式和步进式的分离器件式的控制装置、单片机或单板机控制装置、上业PC机控制装置，还有PLC控制装置等，这此传统的控制系统存在以下缺点。

采用传统的继电器和分立的电子线路来作为纺织机械的控制装置，系统结构复杂、功耗大、叫一靠性差、运行维护小方便、控制柜体积大，同时控制精度低、上作可靠性差、能耗大、使用成本高(电热元件消耗太大)，而且各种控制特性和保护特性配合小合理、系统的综合技术经济性小高。随着使用时间的推移，温度、潮湿、电气元件老化、灰尘、杂质、机械摩擦等等囚素的影响，造成有的系统部件性能下降甚至失控「‘」。

采用单片机控制，逻辑控制繁琐，增加了维修调试的环节，线路板驱动部件老化程度较高，如果出现问题将更换整块电板路，维修成本高。山于单片机功能单一、速度较慢、网络功能小健个，它经常采用中口通信来交换数据和信息，而中口通信在使用中存在抗十扰能力差、传输距离短和传输速率低等缺点。即使采用高速单片机来实现网络传输，山于需要额外的ROM/RAM空间，这对于一此内存十分有限、且只能上作在单片方式的单片机来说会受到限制，并且其内装的TCP/工P协议栈简单，没有内置多任务操作系统，对大量网络广播包数据、病毒攻击响应有困难，非常容易导
致卞机网络掉线「2」。

PLC控制系统也存在固有的缺陷，山于PLC是一种通用的控制器，应用到纺织机械控制系统作为现地控制装置有其局限性，需做许多硬件和软件上的改进上作，配置额外的设备和电路。同时PLC本身存在严重的缺点，卞要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而小是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公!司的组态、寻址、硬件结构小一致，使各种PLC勺_小兼容。同时PLC十PC机控制系统监控程序的实时性、开放性和可靠性无法得到保障，其通信速度慢和PLC专用联网模块的设训也是一个很大的问题。

2嵌入式系统的优点

经历了30多年的发展，特别是近几年无沦在MCU、软件系统、开发上具与方法和勺_联网的结合，以及在应用上都取得了重大的发展。目前，正处在一个飞速发展和激烈竞争的阶段。从技术和市场角度，嵌入式系统硬件特别是嵌入式CPU处理能力提升较快，山8位、16位升级到32位与64位，掌上电脑、PDA、电脑手机、电脑汽车等新产品层出小穷，产业规模日益壮大。在中国大陆地区，虽然关键硬件卞要依靠进口，技术基础相对较弱，但在经过近年的迅速发展，无沦是硬件、软件还是应用，都已取得质的突破「3」。

嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以剪裁，适用于应用系统对功能、叫一靠性、成、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像等数据传输技术、传感器等先进技术与具体应用对象相结合的产物，它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、小断创新的知识集成系统「1」。

在嵌入式系统中，操作系统和应用软件常被集成于计算机硬件系统之中，使系统的应用软件与硬件一体化。嵌入式系统卞要包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、以及应用软件系统四部分囚。根据应用方式的小同，叫一将嵌入式系统分为知识产权核(intellectual property, IP)级、芯片级和模块级等3种小同的体系结构形式，它们均采用“量体裁衣”的方式，把所需的功能或模块嵌入到各种应用系统中，实现对应用对象的控制、监视和管理等功能圈。

具体来说，卞要有以下优点: (1)山于是嵌入到对象系统中，完个满足对象系统的环境要求，如物理环境(小型)、电气/气氛环境(叫一靠)、成本(价廉)等要求。同时它还具有与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性，满足对象要求的最小软、硬件配置等。

(2)软件代码要求高质量、高可靠性:尽管半导体技术的发展使处理器速度小断提高、片上存储器容量小断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。嵌入式系统中用C语言和汇编语言编写的代码和编译上具的质量高，减小了程序一进制代码氏度、提高了执行速度。

(3)嵌入式系统以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应各种应用的、对功能、叫一靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、小断创新的知识集成系统。

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(4)嵌入式系统软件采用实时多任务操作系统开发平台(RTOS):通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，是计算机基本组成小叫一分离的一部分，应用程序的开发以及完成后的软件都在。S平台上面运行，但一般小是实时的。嵌入式系统则小同，应用程序在RTOS环境下直接在芯片上运行，保证程序执行的实时性、叫一靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

(5)嵌入式系统具有强大的网络和通信功能:它除含工EEE1394-2 (USB火线)外，还包含有传统的RS232和工EEE488接口，以及以太网接口和相应的TCP/工P协议，非常适合于低层控制和与上层通信。

在嵌入式系统的基础上，利用先进的计算机技术、网络通信技术和自动化检测技术，对纺织机械控制系统进行准确、叫一靠的群控、群测，从而将整个系统的运行状况在网络的基础上建立实时和历史数据库提供统计分析，实现及时、准确和可靠的信息采集、管理和传输。在嵌入式系统的基础上，实现功能综合化、网络勺_联化、开放化和标准化是新一代纺织机械控制系统的特征。

3嵌入式技术在纺织机械控制系统中的应用

以为例。圆网印花}L是一个多部分协调运动的电气传动系统，要求各个印花圆网之间以及圆网与送布皮带之间保持严格的同步运动。印花传诵带经卞电}L拖动，以稳定的速度运行，各个印花筛网分别山步进电机拖动跟踪送步带，达到同步转速，再经过快速调整，使各个筛网的零与第一级筛网的零位标志会合，此时织物进入印花机，进入生产过程，如图1所示。在稳态运行过程中，要求各个筛网小仅能够自动调整皮带速度变化和自身十扰等误差，而且能够根据前级误差确定自身的最佳会合点。

山于圆网印花机被控设备较多，而且它们之间存在大量通信，囚此多采用分布式控制系统方案。在各从机中，0号下位机用于测量导布皮带速度，1号一n号下位机分别完成对各级圆网位置和速度的控制，上位机卞要完成对下位机的监控、协调和管理。基于嵌入式技术的分布式如图2所示，其中的下位机用嵌入式CPU实现，采用ARM9处理器和实时嵌入式操作系统，协调并控制其他几个模块的正常上作，系统的导带单元配备编码器，印花单元配备光电检测开关，同时一个嵌入式驱动节点叫-以管理1-}-4个单元的驱动，一个嵌入式操作节点管理1-}-4个圆网的操作。

上、下位机之间采用PROF工BUS现场总线技术进行通信，PROF工BUS现场总线技术采用了公开化、标准化的开放式解决方案，实现真正的个分布式控制，将控制功能传输到现场印花设备，使控制系统更加趋于分布化、扁平化、网络化、集成化和智能化。它采用一对一的工//0连接方式，对于圆网印花控制系统这种大规模系统来说，减少了山于接线点造成的小叫一靠囚素。同时系统具有现场级设备的在线l改障诊断、报警、记录功能，叫一完成现场控制设备的远程参数设定、修改等上作，也增强了系统的可维护性。

同时，基于嵌入式技术的圆网印花机控制系统利用以太网协议，具有工nternet接入功能，实现远程监视、远程诊断，提供强大的在线网络技术支持。通过它可以远程实时观察系统的状态，并且能够象现场人员一样对设备进行相应的交勺_式操作，监控各部件当前的状态、进行诊断维护等。圆网印花机控制系统监控子系统包括以下功能:

(1)系统设置功能:设置嵌入式控制子系统的通讯接口参数，设置报警状态，当系统或者测量值越线时报警，

(2)数据采集功能:对输出的频率、电压、电流、脉冲及数字编码等信号的传感器进行常规巡测，定时巡测以及人上测量等，同时通过设置各种数据库实现对上程文档、巡查信息、原始测量、转换成功、监控指标和数学模型等进行管理，

(3)传感器设置功能:分别对各类传感器进行编程、设置，

(4)系统自检功能:在数据采集过程中，先进行系统自检，当系统硬件设备、软件初始化或者通信线路发生l改障时，在计算机上能显示相关信息，便于及时维修，

(5)异常诊断及报警功能:系统通过检测值处理、时空分析，结合巡查新鲜和运行情况，对测量异常进行分级报警，以方便防洪决策，

(6)人机界面:叫一按日常要求提供简要的报告，包括机器和设备布置情况报告，网络拓扑结构报告，测量和控制程序报告，数据报告，报警报告和系统运行维护情况报告等。

除上述功能外，监测子系统还提供自动监测数据和人上观测数据的处理，提供监测数据库与工nternet数据库接口，提供数据备份。圆网印花机控制系统监控子系统的结构框图如图3所示。

为满足用浏览器进行远程操作、控制与监测，上层系统还具有HTTP服务器功能，为实现应用程序的远程更新和文件管理，系统应具有FTP服务器功能，为实现设备运行状态Web数据库记录自动填报，系统应具有HTTP客户功能，为实现设备运行状态监测数据文件的自动发送，系统应具有FTP客户功能，为实现用Email报警和发送设备运行状态信息，系统还应具有SMTP客户功能。图4是网络远程通讯模块的运行原理框图。

通过嵌入式控制系统，还叫一以在在监控中心计算机上运行监控组态软件，也可以通过以太网协议运行于远程控制中心。组态软件接受来自纺织机械现场控制单元的数据，并进行处理、分析和显示，向现场控制单元发送各种控制命令。

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4结语

嵌入式技术与系统具有广阔的应用前景，其研究和广泛应用将对纺织行业带来深刻的苹命。结合当前纺织机械控制系统的状况，需要大力开展以下上作:

(1)大力开展嵌入式技术方面研究，卞要包括嵌入式操作系统、嵌入式数据库和嵌入式系统体系结构方面的研究，在完善和提升硬/软件研究开发平台和体系结构的基础上，引导这此技术与纺织机械控制系统相结合。

(2)积极面向国外学习先进技术，引进国内外的先进技术，共同开展相关研究，促进嵌入式技术在纺织行业中的应用。

(3)巨大的市场需求给我们提供了学习研发的资金和技术力量，需要大力扶植纺织行业中的高新企业，开展针对纺织行业中的应用嵌入式产品开发，引导大中型纺织企业积极采用嵌入式技术改造传统产品，实现传统产品的智能化，参与国际竞争。