基于windows系统的易维护玻璃钢纤维缠绕机设计

摘　要：根据用户的实际生产情况、人员素质等因素，设计一套简单易实施，使用和维护都非常方便的玻璃钢缠绕系统的控制系统。重点优化了操作的简易性、维护和升级的方便性，更适合小规模企业的使用。

关键词：缠绕机，易维护 ，windows平台 ，远程监测

1. 引言
　　玻璃钢管道在实际的生产生活中，应用十分广泛，它具有强度高、耐腐蚀、成本低、质量好、易于实现机械自动化产生等优点。因此在各地均有大大小小的玻璃钢管道生产企业，这些企业的生产设备也大同小异，基本上都是一套专用的控制系统加上必要的机械传动系统。机械系统在一般的工厂企业里比较容易找到人维护维修，控制系统的维护就成为一件相当麻烦的事，尤其是控制系统使用若干年以后，往往与原制造商失去联系，企业自身又没有非常专业的技术人员、硬件损坏后不知从何处购买、软件没有备份等一系列简单却致命的问题。本文面向数量众多的小型企业的实际困难，介绍重新开发的基于windows环境的易维护纤维缠绕机控制系统。
　　
2.  企业面对缠绕机系统的实际问题
　　由于玻璃纤维管道的种种优点，以及它的易于生产，尺寸可以方便的根据实际需要进行控制，尤其是大口径的玻璃钢管、罐等，使得玻璃钢纤维产品应用非常广，因而基本上在每个地区都有若干家玻璃钢纤维管道的生产企业。但经过详细调查，绝大部份这类企业规模都不大，员工人数通常在几十人以内，除了少数几名管理人员外，其余都是普通工人，企业的设备也就是一条或者几条纤维管道缠绕机。缠绕机设备控制系统的生产厂家一般是把设备调试好以后，做一下操作上的培训，然后就离开当地。
　　这些控制系统，早期的有用单片机设计的专用系统，有用嵌入式系统实现的，比较新的多数用工控机加上输入输出板卡实现的，软件平台基本上都是Linux平台。许多故障都是发生在系统运行四五年以后，出现的问题以软件问题居多，使用缠绕机的企业在控制系统出现问题以后就束手无策，首先是单位内部没有专业人员能解决问题，打电话也难以沟通，而设备制造商也因为费用问题不愿意到现场来，缠绕机使用企业本身也不愿意再多花钱调试一个可能是很小的软件故障；然后因为是专用系统或者是重新编译过的Linux系统，硬件常常也是一些专用的非通用板卡，使用一定年限后，如果硬件发生损坏，型号完全相同的配件很难在市场上买到，软件系统在企业内部更是没有人能够维护，系统中的程序往往连备份都没有等等很多很实际的问题。设备制造的商家最初为了自己的知识产权保护，一般不会给生产企业任何底层资料、源代码和有关备份等，若干年后，多数生产控制系统的厂家和研究所已经从市场上消失了，即使有些生产厂家的人还能找到，也因为维护费用不高，不愿意从北京、武汉这样的一线城市跑到比较偏一些的中小城市去做维护工作，而设备使用的单位，带上设备往大城市跑一次的成本也非常之高，这就给系统的使用单位带来了许多难以解决的麻烦。
　　小企业对于生产设备的控制系统，精打细算，一般情况下并不想轻易更换控制系统，也很少有企业有专职的岗位去维护这套系统。
　　正是基于以上提到的各类问题，重新开发低维护门槛、低维护成本，易用、互换性好的控制系统，就具有比较重要的意义。
　　
3. 新开发的控制系统的侧重点
　　新设计的控制系统最重要的目标就是要使一般的操作和维护变的简单再简单，应该是一个稍知计算机应用常识的人就能轻易操作的。基于我们国家计算机操作系统的使用现状，应该是选择WINDOWS视窗平台，如windowXP或者是windows server 200X，因工业硬件驱动更新较慢等问题，暂不建议使用windows7。近些年，计算机硬件价格大幅下降，因而计算机的普及率大幅上升，windows的使用率也是普通人使用最多的。windows平台全中文的界面，各种操作易于理解、记忆，系统本身的故障也能方便地找到处理方法。相关的硬件和软件技术人员也随处都是。这样就可以大大降低控制系统后期在软件方面的维护费用。把懂些计算机的普通工人做适当培训，就可以做更多稍微深入一些的工作。
　　另一个重要目标，就是在控制程序的设计上要紧跟IT行业的发展趋势，让系统更为智能化。这要体现在两个方面，一是要软件使用方便，步骤简单，不让操作人员犯错；二是系统可以联网，进行基于网络的监测和操作。
　　笔者调查的几家企业都是单机版的Linux程序，管理人员必须到现场进行程序设定，并且那些程序的设计年代久远，操作步骤繁杂，极易出错，参数设置不合理生产出来的产品就要报废、返工，因此新设计的程序必须做到更友好的显示的更智能的提示或者排错。主要的操作应该是鼠标的状态选择就可以。
　　控制系统的网络化也很重要。网络化是可选的，技术人员在办公室就可以进行程序设定，并可以随时通过工作站监测生产数据，而不需要一直在现场，从而提高工作效率。另一个重大作用，就是使用者在遇到实在解决不了的问题时，可以让控制系统通过互联网寻求帮助，让生产商或者专业人员远程诊断具体故障。因为许多实际问题作为系统使用方的非设计人员难以口头将问题描述清楚，有了网络诊断功能，可以大大提高系统的可维护性。
　　在硬件的选择上，尽量选择品牌工控机和带光隔离的输入输出板卡，选择市场上通用性强，口碑好的部件。电机变频器也应选择市场上销量大、易替换的型号，这样做即可以使系统有相对长的寿命，又可以使其有相对良好的维护性。
　　
4. 纤维缠绕机控制系统的组成
4.1系统的结构组成
    整个系统由机械系统和控制系统组成，控制系统又由一个小型的工业网络和电机驱动系统、信号检测系统组成，工业网络中包括系统控制主机以及远程监测主机等。
（1）机械系统
   机械系统主要由体积较大的主缠绕轴机构和在轨道上运动的纤维供给工作台车（以下简称工作车）两大部份组成，如图所示。

     运动时，主轴以一定的速度转动，工作车在轨道上按程序设计的速度往复运动，从而将有一定宽度的纤维带缠绕在主轴芯模上。芯模就是要生产的管道的内径模具。
（2）控制系统的网络
　　安置在车间内的工控机是系统控制主机，程序与控制主体都在这台机器上，它与办公区的远程操作电脑采用工业以太网进行连接，并配以internet网关，在需要的时候可以进行穿越internet的远程诊断。为安全起见，此网最好专网专用，不要再外添加其它 的功能到此网络中，尤其系统控制主机应加强管理，做到专机专用，不应在主机上开展其它无关工作。控制网络构成图如下：
　　
（3）控制接口组成
     控制系统硬件以及相应的拖动系统从易维护的角度出发，均采用最常规的做法，如下图。
     
    

     
     
4.2 缠绕系统的工作原理
     首先是由工作人员根据每次工作要生产的管长、直径、壁厚等因素设定生产参数，同时，操作工人将芯模上涂胶、覆膜等，将玻璃纤维在小车上安装好。
     开始缠绕前，工作台复位，缠绕开始后，主电机通过减速器带动芯模绕主轴做匀速转动，工作车的步进电机以程序设定好的速度带动小车平台及供料系统（使纤维带浸透树脂、引发剂等混合液体）沿芯模轴向往返移动，纤维带沿着芯模的筒身进行规则缠绕。每次到终点时，接近开关向计算机发送信号，然后由计算机发出换向命令，使步进电机换向。于是芯模的筒身和封头上就实现了螺旋缠绕。多层缠绕后形成缠绕构件。一个工件完成后，按复位键回到初始状态，为下一次缠绕做准备。
     缠绕机主轴采用交流变频器控制，小车采用伺服步进电机系统。主轴转速、工作台小车位置等采用光电编码器检测。整个工作过程中，主电机的转速由编码器取得，计算机根据编码器的反馈信号经程序计算，确定给步进电机的脉冲数量，通过控制器控制步进电机带动工作车移动，到终点后，计算机根据接近开关的信号控制步进电机换向。另外工作车也可以由人工停车、快速左右移动等。

4.3 缠绕工艺的软件实现
     缠绕机控制系统上位机是一台通用的工控机，操作系统采用Microsoft公司的windowsXP，程序设计使用c#2005。软件系统分为两大部分，一是面向人的上层功能，要完成工艺文件的设置和管理、远程的系统状态所有参数的显示、远程的操作设置功能、远程的故障诊断功等；二是面向系统的底层功能，包括各部件位置、速度的采集，主轴电机控制、步进电机控制，工作小车操作面板按钮检测等功能。主要功能模块图如下：
     
     
     
     
    
　　在纤维的缠绕方式中，常见的有环向缠绕和交叉缠绕两种方式。其中核心的数学模型处理模块，是为了保证缠绕出来的工作大致质量要求而使用的经典数学算法，其公式如下。
     式中：为缠绕角；W为纤维带宽；D为芯模直径；L为管长；M为芯模转数；N为一个完整循环工作车往返次数；、分别为左右停角；K/N选取最简真分数，N1为整数；N、根据工件结构进行设定。
    
5.其它的一些设想
　　小企业工作人员数量非常有限，从提高工作效率角度出发，便于管理人员进行实时管理，如上图所示，一方面，可以在服务器端考虑到手机终端的数据监测，手机终端比较方便的做法是通过浏览器进行远程访问。另一方面，随时目前３Ｇ网络技术的推广，带宽的不断增加，还可以考虑在生产现场几个重要的岗位点安装监控摄像装置，再增加一台视频服务器，即可以在远端使用计算机或者手机观看现场生产情况，做到真正直观的远程管理。
　　
6.结束语
     在本设计方案中，从硬件到软件，从控制系统到网络系统，使用的都是最常规的成熟技术。方案的侧重点是根据调查的中小企业的实际困难，从最实用、最方便低成本、低门槛维护的角度出发，同时也使用了一些比较新的技术手段，进行了全新的开发，突出系统的可靠性、各软硬件组件的易更换性、使用的方便性。所开发系统在实际使用中也得到了企业方较好的评价。

参考文献：
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　　[2]王淑芳，《电机驱动技术》，科学出版社，2008－7－1，第一版
　　[3]王玲，赵明光，《纤维缠绕机的计算机控制系统设计》，《微计算机信息》，2006，11－1
　　[4]金晟，傅建中，陈子辰，《基于ARM的嵌入式数控系统设计》，《机电工程》，2005－2
　　 [5]俞建峰，周杰，《基于运动控制的纤维缠绕机控制系统设计》，《江南大学学报（自然科学版）》，2009年4月第8卷第2期

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