基于LabVIEW和C8051F350的紡絲張力監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：針對紡紗、假捻加工過程中絲線張力不穩(wěn)定而影響產(chǎn)品質(zhì)量的問題，對基于LabVIEW和C8051F350單片機的紡絲在線張力監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究。系統(tǒng)運用全新虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW作為上住機，結(jié)合嵌入式混合信號微處理芯片C8051F350單片機測量系統(tǒng)，對紡絲張力進行監(jiān)控。實驗表明，該監(jiān)控系統(tǒng)可使張力的數(shù)據(jù)采集和處理變得更加簡單、方便，可節(jié)省大量的人力、物力資源。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；C8051F350；張力傳感器；數(shù)據(jù)采集

0 引言
    絲線張力是紡紗、假捻等加工過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量與加工效率的一個重要參數(shù)。其中，絲線張力波動越大，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。因此需對生產(chǎn)過程中絲線張力加以監(jiān)測、控制，以減小絲線張力的波動。目前，國內(nèi)對絲線張力的監(jiān)測大多還停留在隨機抽檢階段，監(jiān)測準(zhǔn)確性不高，效率較低；國外的一些監(jiān)測設(shè)備可實現(xiàn)絲線張力實時監(jiān)測，但價格昂貴且技術(shù)保密。因此迫切需要自主研究設(shè)計一套絲線張力在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體運行機制
    基于LabVIEW和C8051F350單片機的紡絲在線張力監(jiān)控系統(tǒng)采用國產(chǎn)自主研制的專用張力傳感器，以嵌入式混合信號微處理芯片8051F350單片機為下位機，運用虛擬儀器圖形化開發(fā)平臺LabVIEW作為上位機，構(gòu)建一個簡單實用、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，總體運行機制為：
    (1)張力傳感器獲取紡紗、假捻等加工過程中絲線張力信號，輸出信號進入信號調(diào)理電路處理。
    (2)信號調(diào)理完畢后，輸入控制器，經(jīng)單片機處理輸出信號完成閉環(huán)控制，信息通過串口傳到上位機。
    (3)上位機用功能強大的LabVIEW圖形化編程實現(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、實測張力值、張力控制器運行狀態(tài)(手動、自動及參數(shù)設(shè)置狀態(tài))等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 處理器選擇
    根據(jù)張力控制原理，本文采用稱重法實現(xiàn)張力檢測與控制。它需二路傳感器輸入信號和一路恒流輸出控制信號，并對其信號進行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微處理芯片，避免采用片外A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，從而簡化線路，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)部含有一個全差分24位∑-△A／D、帶模擬多路開關(guān)、2個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)置等多項功能。其中，D／A利用C8051F350的可編程計數(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。硬件實現(xiàn)參數(shù)包括SPI，SMBus／IIC和1個UART串行接口，8 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，768 B(512+256)的片內(nèi)RAM，片內(nèi)看門狗定時器，1個比較器，以及VDD監(jiān)視器和溫度傳感器，17個I／O端口，-40～+85℃工業(yè)級溫度范圍，2．7～3．6 V工作電壓。

2．2 張力傳感器及信號調(diào)理電路設(shè)計
    傳感器選擇主要通過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)可替代進口的張力傳感器，具有指標(biāo)優(yōu)越穩(wěn)定、免校準(zhǔn)、測量精準(zhǔn)、價格較低等優(yōu)點。對于加彈應(yīng)用環(huán)境具有針對性的抗干擾能力，抗破壞能力強，免維護，壽命長的特點。其性能指標(biāo)如下：
    FK6張力測量范圍CN0-80／0-120／0-180；綜合誤差％FS1．2；長期零位漂移％FS1．2；一年長期增益漂移％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(或電壓信號DC 0～10 V／0～5 V)，接口電路形式較為簡單。在此，主要對采用稱重法的應(yīng)變片傳感器電路進行說明，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)計采用恒流供電形式，電路采用OP07運算放大器形式。該電路形成恒流供電主要是運算放大器同相端接2 V穩(wěn)壓管，加在運算放大器U1反相端電阻R2(68 Ω)上的電壓也為2 V。因此，流過電阻R2上的電流不因負載變化而變化。此外，在收放卷過程中，因張力變化引起橋路不平衡將有電壓信號輸出，輸出的電壓信號經(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輸出控制，單片機與上位機通過MAX 232串行接口通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 控制程序設(shè)計
    張力控制器軟件采用PID控制方法完成對各功能模塊的控制，實現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定、設(shè)置、張力測量、恒流信號輸出等功能。軟件完成初始化設(shè)置后，進行張力信號的數(shù)據(jù)采集與處理、恒流控制輸出等。根據(jù)實際工況，張力信號數(shù)據(jù)采集需要進行濾波處理，采用基于提升框架的濾波算法進行仿真試驗。實驗結(jié)果表明，該算法可以有效消除各類噪聲，與國外產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)相比具有一定的先進性。
    控制算法采用積分分離式的PID控制，防止偏差較大時造成PID運算的積分積累，避免控制量超過制動器的最大動作范圍。當(dāng)控制量與設(shè)定值的偏差較大時，取消積分作用；當(dāng)控制量接近設(shè)定值時，加入積分作用，以便消除靜差，提高控制精度。在實際運行中，根據(jù)實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
    上機位采用PC機，控制器與上位機的通信采用RS 232串口通信?？刂破鞑杉臄?shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送到上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動上傳。采用雙通道多次轉(zhuǎn)換，對兩個通道進行多次采樣取平均值，數(shù)據(jù)采集的時間間隔通過定時器來完成，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都通過中斷方式實現(xiàn)。
3．3 上位機軟件平臺LabVIEW及軟件設(shè)計
    上位機軟件平臺采用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數(shù)據(jù)。

    系統(tǒng)設(shè)計采用表單文件對數(shù)據(jù)進行存儲記錄，有強大的文件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)計中將以測量日期作為文件的命名，每一天測量的數(shù)據(jù)存放在一個表格中。用戶可以通過前面板界面輸入日期來查看歷史數(shù)據(jù)，還可以通過Excel等第三方軟件進行查看。其他界面選區(qū)卡可實現(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。同時將落筒記錄和異常點數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，再通過網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)使用以上的原始采集信息作為統(tǒng)計分析基礎(chǔ)，根據(jù)目前廠家對產(chǎn)量、質(zhì)量的分析需求提供不同的分析報表和圖表。

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)定地進行張力信號采集與恒流控制輸出；
    (2)利用LabVIEW圖形化開發(fā)平臺開發(fā)上位機控制軟件，可方便快捷地實現(xiàn)控制系統(tǒng)及人機界面設(shè)計；
    (3)張力控制系統(tǒng)經(jīng)試驗和實際運行證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，達到了所要求的張力控制。