西门子模块6ES7513-1FL02-0AB0

详细介绍了基于自行设计的强占式和非强占式相结合的实时操作系统在电子套接机中的应用，提高了电子套接机的缝纫速度和步进电机的步进步数，使控制系统达到了较高的国际水平。
    关键词：电子套接机 实时操作系统 永磁伺服电机
1 引言
    我国是服装生产和加工大国，对缝制设备的需求逐年增加，2002年度生产工业缝纫机370多万台，2004年l～11月份生产工业缝纫机469万台。主要机型有单针、双针平缝机、包缝机、套接机、钉扣机、锁眼机、曲折缝、绷缝机、封包机和绣花机，其中平缝机占工业缝纫机市场的90％以上，其余皆属特种机。而其中的电子套接机的控制系统大都采用国外的技术，如上海惠工缝纫机厂的HLK-03电子套接机采用的是日本三菱公司的电脑控制系统，高精度步进电机驱动，内存16种套接模式。大连服装机械厂为德国DurkoppAdler定牌生产的电子套接机采用的是德国提供的伺服系统，它在国内销售的电子套接机采用的是松下电机。
    本文采用了自主开发的永磁伺服电机和驱动器，研制出了具有自主知识产权电子套接机控制系统，该电子套接机达到或接近国外样机的性能指标。由于采用自行设计的伺服电机控制系统仅采用了一块TMS320C2407作为控制系统，其需要完成伺服电机的控制，X，Y轴步进电动机控制，以及外部操作面板的显示和键盘接口，采用常规的编程方式难以实时完成如此多的任务，并且由于实时性要求较强的特定，不能移植像UC/OSⅡ这样的嵌入式实时操作系统，为此本文采用了自行设计的实时操作系统的控制方式，达到了电子套接机可在200～3000针的缝纫速度下缝制出多种花样。
2．硬件设计
    电子套接机的控制核心采用TI公司的TMS320C2407，其时钟频率为40MHz，外部采用8K的EEPROM用于存储用户的参数设置和新增的部分缝制花样，其硬件框图如图1所示。
    TMS320C2407需要根据针杆位置传感器对永磁伺服电动机的初始磁场位置和针杆传感器进行定位，根据设置的缝制图案和伺服电动机的位置控制X轴、Y轴步进电机的移动，控制抬压脚电磁铁和剪线电磁铁的动作。

    图1中编码器的脉冲信号和永磁伺服电机的电流传感器信号主要用于对永磁伺服电机的磁场定向控制。控制面板上的显示和键盘设置用于参数的设置和缝制状态的显示。
3实时操作系统的软件设计
    根据电子套接机的实现功能和硬件的结构特点，采用了自行设计的实时操作系统，对所需完成的任务进行了分割，确定了各个任务的优先级，编制了特定的软件系统。
    3．1任务的分割
    电子套接机需要完成如下任务，①伺服电动机的初始磁场位置确定；②针杆的初始位置确定；③缝制图案的初始化；④伺服电机磁场定向控制；⑤伺服电机的加、减速和速度控制；⑥步进电机的方向控制；⑦步进电机的步进脉冲；⑧外部键盘的读取；⑨外部键盘的处理；⑩外部显示的更新；11抬压脚传感器信号、抬压脚控制信号和缝制开始信号的读取；12缝制开始信号的处理；13抬压脚的控制；14剪线电磁铁的控制；15故障的诊断。
根据上述实现功能，划分的任务如图2所示。

    3．2任务优先级的确定
    初始任务：电子套接机中，初始上电时，套接机需要根据针杆位置的传感器，确定针杆的停针位置，永磁伺服电机也根据针杆位置传感器确定其初始磁场位置，故将任务①和任务②确定为初始任务，在初始任务完成后，系统才进入实时任务的处理之中。
    优先级任务1：优先级任务1在时钟中断时执行，其包括永磁伺服电机控制矢量控制，时钟中断标志，本设计中采用计时器1用于伺服电机矢量的控制和时间优先级为70μs任务的计时中断，采用计时器2作为时间优先级为15μs任务的计时中断；其他各任务的优先级，如图2所示。
    3．3任务的创建和调度
    电子套接机的状态可以分为运行状态、Ready状态、参数设置和修改状态，由OS_Sys-tem（ ）任务创建、删除和调度各任务。
    运行状态：在Ready状态后，当系统检测到缝制开始信号后，禁止OS_Ready（ ）程序，许可OS_Make_Up（ ），由该程序根据预先确定的优先级和时钟脉冲，给步进电机方向控制、X/Y轴步进电机脉冲控制、伺服电机起动和停止、伺服电机加减速任务、抬压脚电磁铁动作、剪线电磁铁动作等任务，发送运行许可信息，调度跟缝制相关的各任务的执行。当缝制完成后，OS_Make_up（ ）将返回1，OS_System（ ）将禁止OS_Make_Up（ ）程序运行，许可OS_Ready（ ）程序运行。
    Ready状态：在Ready按键处理后，OS_Sys-tern将许可OS_Ready（ ）程序，该程序将首先调度和执行OS-Ready_Init（ ）程序，完成读取缝制图案的数据，如图案的针数、X轴和Y轴步进电机在各缝制针数时的移动方向和步数，X轴和Y轴的缩放比例，伺服电机的速度等任务，根据各任务的执行时序和预先确定的优先级、时钟脉冲等，为步进电机方向控制、步进电机脉冲控制和步进电机细分设置任务等发送运行请求信号。OS_Ready_Init（ ）执行完成后，OS_Ready（ ）将调度和执行OS_Ready_State（ ）程序，由该程序负责根据外部传感器的状态和键盘状态，给抬压脚控制，步进电机方向控制、步进电机脉冲控制、缝制状态等任务发送运行请求信号，完成抬压脚动作、补针等功能。
    参数设置和修改状态：在uest（系统Ready请求状态）、OS_Ready_State（系统Ready状态）和OS_Makeup_Run_State（缝制状态）都为0时，OS_System（ ）将运行OS_bbbbbe-ter_Set（ ）程序，由该程序负责根据键盘的状态参数设置的任务为发送参数设置请求信号。
本设计中的实时操作系统，采用非强占式和强占式的分时操作系统方式，任务优先级为1的任务在时钟中断时调用，为强占式方式，其他各任务都是在相应的时钟优先级中断信号为1时，根据任务的优先级和任务的状态进行执行，任务优先级2～9的任务只能在当前任务执行完后，再选择任务优先级较高的任务进行执行，为非强占式。这样做的主要目的是为了减少系统优先级调度所需的时间，减少堆栈空间的需求，提高系统执行的效率。
4 结论
    由于本控制系统中，步进电机的控制和剪线电磁铁的动作，以及永磁伺服电机的矢量控制等，都要求较高的实时性，为此采用了两个时钟中断的实时操作系统设计方式，在仔细分析了所需完成的任务和功能的基础上，采用了强占式和非强占式相结合的实时操作系统方式，为每个不同的任务设置了相应的时钟优先级，时间间隔和任务优先级，根据时间间隔和各优先级，以及各任务的状态，调度和执行各任务，使所设计的电子套接机达到了如下性能指标：①缝纫速度200～3000r／min，任意设置；②步进电机大步进步数为50步；③缝制的X轴、y轴比例可任意设定；④直接永磁伺服电机驱动，缝制速度稳定；⑤具有自动剪线功能，上电自动复位；⑥多种保护功能：停止位置保护，永磁伺服电机过电流／过电压保护，永磁伺服电机失步保护，比例设置超限保护等；⑦缝纫结束，可靠地停止在设定的停针位置（可任意修改）；⑧多种缝制花样和缝制模式。
    目前，该控制系统已完成500h的单机性能实验和小批量生产的试用工作，正在进行批量化的生产准备，该系统的进一步设计和修改，可用到程序控制的电脑绣花机上。
    采用了自行设计的强占式和非强占式的实时操作系统后，使系统中永磁伺服电机的转速更加平稳，也提高了缝纫的速度，满足了系统实时性要求较高的需求，简化了系统和软件的设计，达到了较高的国际水平。

 正在建设的京沪高速铁路客运专线双线铁路全长1318km，设计时速为350km/h，总投资2209.4亿元。全线桥梁所占的比例约为80.5%，以32m/900t混凝上箱梁为主，采用预制架设的方案，需要配备的提、运、架设备。桥梁的预制、运输，架设对设备的安全性、可靠性和稳定性提出了很高的要求。针对铁路客运专线梁场的需要，设计了2×450t轮轨式提梁机，该机的电气系统较以往的同类产品有较大改进。

    1、提梁机概况

    2×450t轮轨式提梁机由2台450t门式起重机组成，作业时2台门式起重机同时抬起箱梁、同步运行，用于架设初的箱梁、拼装架桥机及将运梁车吊全桥面。

    该机额定起吊重量为450t，净跨宽为38m，净起升高度25m。大车金属结构由2片主梁、刚性支腿和柔性支腿等组成。起重小车由4套卷筒组、4套传动机构、4套滑轮组、1套吊具、2台小车架和小车走行机构等组成。可实现重载直行和通过小车移动实现箱梁横移。大车运行速度0～12m/min，小车运行速度0～8m/min，起升速度0～0.5m/min(满载)。

    450t提梁机结构如图1所示。

    2、提梁机电气系统

    走行机构和起升机构采用变频技术，由PLC控制，整机功率约为160kW。

    电气系统框图如图2所示。

    2.1电气驱动系统

    电气系统采用全变频驱动方式，采用日本安川变频器，该变频器具有针对起重机的特殊应用功能。

    (1)能通过程序直接设置成起重机功能模式，在终端对数字输出编程后即可作为制动控制信号，实现制动器顺序制动功能。以往不采用变频器控制时，往往启动电流和机械冲击很大，在时序配合不好时还会产生溜钩现象，起升和下放的速度无法控制。

    (2)具备高起动力矩、快速响应的功能，可在几毫秒内从零增加到全负荷力矩。

    正确选型情况下，能够可靠地提供高达250%的电机力矩，包括在零速度或经过零速度时。

    (3)**的速度控制和快速电气制动。

    (4)变频调速的特性和直流电机相同。基速以下调速机械特性是一组平行直线，特性硬、负荷变化时转速下降很小；载荷下降时，特性延伸到第4象限，处于再生制动，依旧保持电动状态时的特性硬度，不会出现溜钩现象。

    2.1.1大车走行驱动

    大车两侧走行驱动共采用8台变频电机(每侧各4台电机，型号为YZPEJ160M2-8，功率为5.5kw)，分别由2台变频器来驱动每一侧的走行电机。选用日本安川CIMR～F784030变频器，采用V/F控制模式。其速度初步设定为20%、50%、的额定速度(可根据现场情况调整)。当大车运行速度由高速转向低速或回零时，电动机处在发电制动状态，这部分能量通过变频器制动单元经制动电阻发热消耗，运行机构制动减速。每台电机上自带有制动电磁铁，电气制动后再机械制动，以保证制动平稳无冲击。

    2.1.2小车走行驱动

    小车走行驱动共采用4台变频电机(型号为YZPEJ-8，功率为2.2kw)，由1台变频器来驱动走行电机。选用日本安川CIMR-F784015变频器，采用V/F控制模式。其速度初步设定为20%、50%、的额定速度(可根据现场情况调整)。当小车运行速度由高速转向低速或回零时，电动机处于发电制动状态，这部分能量通过变频器制动单元(内置型)经制动电阻发热消耗，运行机构制动减速。

    2.1.3起升系统驱动

    起升系统有4套卷筒组，分别由4台变频电机驱动(型号为YZP225S-8，功率为22kw)，由4台变频器分别驱动4台起升电机。

    变频器采用矢量开环控制模式，能通过程序直接设置成起重机功能模式，在终端对数字输出编程后即可作为制动控制信号，实现顺序制动功能。

    每个起升卷筒配有1套液压块式制动器(高速制动)和1套液压钳盘制动器(低速制动)。工作时首先打开低速制动器，变频器检测转矩建立情况，当转矩达到要求时，输出松闸信号进入PLC，由PLC发出松闸指令，高速制动器打开，开始工作；停止工作时，首先电气制动。再高速制动器闭合。后低速制动器闭合，夹紧卷筒。

    2.2电气控制系统

    控制系统采用西门子S7-300系列可编程控制器替代传统的继电器控制，具有控制**、可靠性高、编程和修改方便等特点，特别是其强大的通讯功能可满足很多要求。PLC是整个调速系统的核心，负责对系统所有输入、输出控制点和运算的控制，同时PLC具备强大的故障诊断和判断功能，能够准确可靠地监控系统运行，并负责与触摸屏的通讯。

    2.2.1通讯方式

    该机的PLC系统采用主从站通讯方式，设1个主站和2个从站，主站放置在门机主梁上方的电气柜中，1号从站放置在大车对侧下横梁上的电气柜中，2号从站放置在起重小车上的电气柜中。PLC靠近机构便于就近控制，既节省电缆又提高了抗干扰能力。

    2.2.2PLC组成

    PLC主站的中央处理单元型号为CPU314C-2DP，配有电源模块PS307和32数字量输入模块SM321及其他相关附件。1号从站配有接口模块ET200M，电源模块PS307和8数字量输入/输出模块SM323及其他相关附件。2号从站配有接口模块ET200M，电源模块PS307，32数字量输入模块SM321，32数字量输出模块SM322和16数字量。