第一章 绪论
1.1 课题背景介绍
我国的机制地毯业从20世纪80年代中期才开始起步，在地毯的市场份额中，机织地毯、簇绒地毯和针刺地毯的生产量之和约占 90%以上，而簇绒地毯由于制造工艺简单、种类繁多、质量可靠、生产便捷、价格实惠，在地毯的生产中占有巨大份额，也在当今地毯市场中占据主要地位[1]。目前，全世界簇绒地毯的产量约为 30 亿平方米，其中美国占 51%，西欧约 29%，其它地区约 20%，而我国的产量仅为 3%，随着我国人民生活水平的不断提高，人们对居住的条件和环境的要求越来越高，对地毯的需求量正呈现大幅上升趋势。2005 年我国地毯进口量达 980 万平方米，金额达 6239 万美元，同比增长 6%[2]。因此，簇绒地毯在我国将有广阔的市场。
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1.2 地毯簇绒机背景介绍
簇绒地毯在美国实现商业化生产是在 20 世纪 40 年代，比我国实现规模化生产早了近四十年，尽管我国对簇绒地毯的需求量逐年攀升。但迄今为止，由于我国现有的地毯簇绒技术还不尽完善，我国对地毯簇绒机制造技术的缺乏，使作为簇绒地毯生产工作中最关键的设备——地毯簇绒机全部依赖进口。由于目前，国际上仍然是由英国Cobble公司、日本山口产业株式会社、美国Tuftco公司和CMC公司为主，掌握着世界最先进的簇绒地毯技术。所以我国地毯簇绒机进口，大部分集中在美国 Tuftco 和英国 Cobbfe 两家公司，其他厂家采用美国 CMC 公司的设备和日本山口产业株式会社的设备。这些公司在技术上各有千秋：美国 Tuftco公司和英国 Cobble 公司为老牌簇绒机制造商，技术较为全面；CMC 公司发展了单针排、细隔距、罗拉(卷轴/离合器)多圈高提花等技术[3]。 直到近几年，由东华大学自主研发的簇绒地毯织机系列成套装备技术，填补了国内高品质簇绒地毯织机成套装备的空白，开拓了我国簇绒地毯设备产业自主创新、研发的新道路。簇绒地毯织机成套装备是由多学科技术构建而成的，集纺织工艺技术与机械制造技术、程序控制技术于一体。其中多离合器提花、小步进电机提花、复合提花等多种提花控制技术，依靠自主创新，打破了提花控制技术被国外公司，例如美国 Tuftco 公司、CMC 公司，英国 Cobble 公司和日本山口产业株式会社所垄断的状态。而且在底布喂入的伺服控制、伺服横动等技术上都取得了重要突破。经中国纺织工业协会组织的鉴定，市场应用价值显著。 地毯簇绒机作为生产加工簇绒地毯的装备，它一般由纱架、导纱管、簇绒机构、成圈机构、进底布、送毯等六部分组成。如图 1-1 所示。 绒纱从纱筒上引出并穿过导纱管，绕于喂纱罗拉后，送入导纱孔板，再输送到簇绒针。底布由进底布机构同步传输到簇绒区，将绒纱线植入底布后，成毯由送毯机构传送，成卷收集于滚筒上。
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第二章 基于.NET 控制系统总体方案设计
本章在阐述地毯簇绒机工作原理和.NET 框架技术的基础上，提出了基于.NET 上位机软件开发的，上位机和下位机结合的控制系统硬件总体结构和上位机软件设计的整体方案。
2.1 地毯簇绒机工作原理
地毯簇绒机械部分主要包括主轴驱动系统和提花系统两大部分，花型织造依靠两大系统良好的协同完成。该地毯簇绒采用调节成圈法[14]：通过主轴驱动系统驱动采用基于偏心方式的多组平行四连杆同步机构，使簇绒针针排和成圈钩针精密配合连续往复运动，簇绒针上下运动时，将绒纱线植入底布上，于此同时，与簇绒针往复运动精确协同的成圈钩针钩住纱线，当簇绒针退出底布时，在底布的背面织出绒圈。 从图 2-1 地毯簇绒装备生产工艺流程示意图[15]中可以看出，在簇绒过程中，簇绒针 7 作纵向植绒运动，将绒纱线植入地毯底布 10，再通过成圈钩针 12 的绕轴摆动，钩住纱线形成绒圈。当簇绒针 7 返回最高位时，纱线从成圈钩针上脱离，簇绒针从最高位向下运动后返回到最高位就是一个成圈周期。在每个成圈周期内，喂纱量越大，绒圈就越高，喂纱量小，绒圈就越小，这就是不同高度绒圈的形成原理。因此绒圈的高低控制是通过提花系统中步进电机控制提花轮的喂给纱线量来实现的，地毯花纹的变化是通过针排做水平方向的左右或前后平移实现的，因此依靠针排的平移和喂纱量控制即可织造多种造多花色，多品种立体图案的复杂花型地毯。
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2.2 系统整体方案设计
地毯簇绒机控制系统采用上下位机的构成模式，上位机监控系统的运行状态，并负责工艺文件的编辑和管理，下位机根据上位机下发的工艺数据控制机器运转。上下位机之间采用 OPC 技术为主的实现数据交换，基于.NET 的上位机软件开发简化了地毯簇绒机控制系统的开发流程。 地毯簇绒机的控制系统由花型准备系统、提花控制系统、实时监测系统和辅助生产控制系统等部分组成。控制系统数据流图如图 2-3，地毯花型图案是簇绒地毯生产的源头，上位机花型准备系统软件读取花型图案，把簇绒地毯的工艺文件转化为包含控制信息的花型文件以后，划分绒高，获得必要的参数后，控制步进电机等各个电机转速来改变实际喂纱量，从而达到控制圈高的目的。根据工艺要求，簇绒机主轴控制主要依靠 PLC 通过控制变频器进而控制主轴电机转动，实现主轴的启动、加减速、停止。主轴同时驱动针排运动机构、成圈钩运动机构。针排横向和纵向平移机构、底布和成毯移动机构分别由四个伺服电机驱动控制。实时监测系统在提花控制的同时,可以有选择性地监测电机工作状态，反馈当前工艺过程参数，辅助生产系统保证地毯簇绒安全有效生产。地毯簇绒机控制系统硬件结构如图 2-4 所示。
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第三章 提花准备及控制系统软件设计 ........ 19
3.1 花型图案智能分割模块设计........ 19
3.2 圈高控制模块设计........ 36
3.2.1 花型转化原理..... 36
3.2.2 圈高与电机转速比..... 37
3.2.3 花型文件生成..... 38
3.2.4 电机控制..... 41
3.3 数据管理模块设计........ 41
3.4 本章小结........ 42
第四章 系统通信和实时监测 ........ 43
4.1 基于 OPC 的通讯模块设计 .......... 43
4.1.1 OPC 通讯技术 .... 43
4.1.2 数据访问实现..... 44
4.2 实时监测模块设计........ 47
4.3 人机交互系统设计........ 49
4.3.1 主界面......... 49
4.3.2 实时监控界面..... 50
4.4 本章小结........ 51
第五章 总结与展望 ........ 52
5.1 全文总结........ 52
5.2 今后展望........ 52
第四章 系统通信和实时监测
4.1 基于 OPC 的通讯模块设计
地毯簇绒机控制系统中，复杂的花型文件会转化为大量的控制数据，上位机把控制命令发送给 PLC。有通过主轴转速和底布移动机构的速度决定的在工艺上表示毯面行进速度的纵向针距数据，横向针密、图案拉伸系数等数据。 同时下位机 PLC 进行电机状态数据采集，包括主轴电机位置、状态信息，各伺服电机的状态信息，传输给上位机，因此上下位机之间存在大量的数据交换。 传输的数据包括变量的名称、数值以及校验位等。对于变量名来说，一般一个变量名至少要包括至少包括 2-7 个字符，以显示变量含义并区别于其他变量[39]。而在数据传输中，变量名的一个字符要占据一个字节的数据量。这样，变量名称要占据 3-5 个自己的数据量。甚至超过了真正所用数据所占用的数据量。当传输数据增加时，传输的数据量会成倍增大。如何解决大容量数据交互这一难题，系统引入 OPC 技术。OPC 是 OLE for Process Control 的缩写，它是微软公司（Microsoft）把 OLE（Object Linking and Embedding）即对象链接和嵌入技术应用于过程控制领域，引入 OPC 技术后可以灵活、高效、方便地获取数据。OPC 技术通讯采用服务器/客户端模式，它的出现为基于 Windows 的应用程序和现场过程控制应用搭建了桥梁[40]。它通过软件编程，来实现设备间通讯，解决了由于工控设备的多样性和产品的不断更新换代，接口函数需要重复编写的问题。目前，控制系统急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的，最好是即插即用的设备驱动程序。在这种情况下， 采用 OPC 技术之后，数据提供者和数据使用者之间的直接通信就转变为 OPC 服务器和客户端之间基于 OPC 规范的统一通信。 上位机控制系统通过 OPC 通讯技术，将命令和工艺数据发送给 PLC，PLC 将伺服电机转速控制信息传输到各个伺服电机控制节点。同时 PLC 还会采集现场主轴编码器的值，以及各伺服电机的状态，上位机通过 OPC 通讯技术读取到这些状态值，做出相应处理。在伺服电机的安装和调试过程中，单体或者区域地监测电机状态，检查电机是否正常地工作在要求的条件下。
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总结
本课题以地毯簇绒机上位机控制系统为研究对象，根据实际项目经历并参考了国内外相关文献，通过深入研究了国内外类似机型的控制系统及上位机系统，在.NET 软件开发平台设计了基于 OPC 通信的地毯簇绒机上位机控制系统，目前己投入使用，取得了良好的经济效益和社会效益。主要进行的工作和成果包括以下几个方面：
(1) 设计了基于聚类分析的色彩量化算法实现设计图的分色处理，将各种图案转化为符合工艺要求的花型图案，拓宽了获取花型图案的途径。
(2) 结合簇绒工艺，通过研究圈高和步进电机与主轴速比之间的关系得到电机控制算法，提出了将花型转化为花型文件的花型转换算法，花型文件中包含的控制信息用来驱动提花控制系统，实现了花型准备系统和提花控制系统的有机结合。
(3) 上下位机之间采用 OPC 技术实现数据交换，OPC 技术的使用解决了上下位机间大容量数据交换的难题，也简化了地毯簇绒机控制系统的开发流程。
(4)设计电机数据分析功能，通过上位机监测簇绒机上的受控电机状态，实时在线监测地毯簇绒机上受控电机运行状态，方便地毯簇绒机中伺服电机现场的安装调试以及故障检测。
(5) 上位机采用 VB 编写控制逻辑和人机界面，针对地毯簇绒机改进的一些变化，对上位机主控系统进行了重新设计并提高了生产效率。
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参考文献(略)