纺织卷绕机 (Textile Machinery)

面向化纤 / 长丝 / 纱线 / 网布的高速卷绕设备。依托 Darra 卷绕工艺对象 + 12 段锥度张力曲线 + 电子凸轮排线 完整能力, 一台"一拖四"工控机即可驱动 4 个卷绕头的 12 轴联动。

---

1. 设备简介

卷绕机把拉伸变形丝 (DTY) 或长丝按锥度张力曲线连续卷到筒管上, 要求 高速 + 恒张力 + 均匀排线 + 满筒自动换筒。典型指标 (单头):

项目	参数
卷绕转速	≥ 6000 r/min (实测 6200)
卷径范围	60~300 mm
排线精度	±0.2 mm (实测 ±0.1)
张力控制	±3% (实测 ±1.8%)
断丝检测延时	≤ 20 ms (实测 10 ms)
自动换筒时间	≤ 8 s (实测 6 s)
多头同步精度	< 0.05 mm 位置差 (24 头)
EtherCAT 周期	500 µs
连续运行	≥ 168 h (实测 240+ h)

单台整机采用 "一拖四" 架构: 1 台 Darra 工控机驱 4 个卷绕头, 多台整机堆叠成 24 头车间级生产线。

---

2. 项目模块组成

层	项目	职责
实时驱动	DarraRT.sys + DarraRT_Eth.sys + DarraRT_PLC.sys	内核 + EtherCAT
服务层	Darra.PLC.Service	永驻
用户层	Darra.PLC.Panel + Darra.PLC.IDE	操作 + 开发
AI 桥接	Darra.Robot.dll 可选 + 云端模型	调丝助手 + 断丝预测

PLC 单元:

单元	周期	说明
PRG_MAIN	10 ms	4 头主状态机
PRG_HEAD[1..4]	1 ms	每头独立 (卷绕 + 排线 + 张力)
PRG_TAPER	1 ms	12 段锥度查表计算
PRG_TRAVERSE	500 µs	排线凸轮 (每头一路)
PRG_DOFF	10 ms	换筒节拍
PRG_BREAK	1 ms	断丝检测与停机

---

3. 机械装配架构

 长丝 → [导丝器 (防抖)] → [张力传感器 (0~200 cN)]
                                       ↓ 张力闭环
 → [导丝横动 (排线伺服 + 凸轮往返)] → [筒管 (主卷绕伺服)]
                                       ↓
                    [摩擦辊 / 主动驱动卷绕]
                                       ↓
      [卷径传感器 超声波] → [锥度查表] → [满筒剪丝 → 推筒 → 换新筒]

单头 3 轴:

轴	功能	规格
Axis_Main	卷绕主轴	SV660N 1.5 kW (6000 rpm)
Axis_Traverse	排线	SV660N 400 W
Axis_Friction	摩擦辊 / 张力调整	SV660N 750 W

整机共 12 轴伺服 (3 × 4 头) + 1 台 AM600 CPU。

---

4. 程序架构

   Darra.PLC.IDE (开发 / 调丝向导)
        | 下装
        v
   Darra.PLC.Service  <--->  Panel (HMI)
        | IOCTL
        v                     ┌─ AI 调丝 (云端模型)
   DarraRT_PLC.sys  =GlobalIO= DarraRT_Eth.sys
                                    | EtherCAT (环形冗余)
                                    v
   AM600 CPU → DI/DO → 8AI → 4DA → SV660N × 12 → 电磁阀岛

每头独立 FB_WinderHead 实例, 输入: 工艺参数 + 张力 / 卷径 AI, 输出: 主轴速度 + 排线凸轮 + 换筒触发。

任务调度:

• 500 µs: PRG_TRAVERSE[i] 排线凸轮
• 1 ms: PRG_HEAD[i] 张力 / 锥度 / 主轴
• 10 ms: PRG_MAIN / PRG_DOFF, HMI 刷新

---

5. 硬件 BOM (4 头机型, 国产化)

类别	型号	品牌	数量	单价 (¥)	小计
工控机	ARK-1124H i5-7300U	研华	1	5,200	5,200
HMI	TK8071iQ 10 寸	威纶通	1	1,800	1,800
伺服驱动 (主卷绕)	SV660N-EtherCAT 1.5 kW	汇川	4	3,200	12,800
伺服电机 (主)	ISMH1-15C30CB	汇川	4	2,800	11,200
伺服驱动 (排线)	SV660N-EtherCAT 400 W	汇川	4	2,100	8,400
伺服电机 (排线)	ISMH1-40B30CB	汇川	4	1,800	7,200
伺服驱动 (摩擦辊)	SV660N 750 W	汇川	4	2,380	9,520
伺服电机 (摩擦辊)	ISMH1-75C30CB	汇川	4	1,850	7,400
EtherCAT IO 主	AM600-CPU1608TP	汇川	1	1,800	1,800
DI 模块	AM600-1600END	汇川	2	580	1,160
DO 模块	AM600-1600ETN	汇川	2	580	1,160
8 通道 AI 模块	AM600-8AI (张力 × 4 + 卷径 × 4)	汇川	1	1,600	1,600
4 通道 AO 模块	AM600-4DA	汇川	1	980	980
张力传感器	磁弹式 0~200 cN	国产	4	1,200	4,800
断丝传感器	红外对射	国产	4	120	480
卷径传感器	超声波 20~400 mm	国产	4	380	1,520
色标传感器 (丝头定位)	BC50D	奥普	4	680	2,720
主轴编码器 (外置高精度)	5000 ppr 绝对值	雷赛	4	850	3,400
气缸 (换筒 / 剪丝 / 推筒)	SC ø20/32/40	亚德客	24	220	5,280
电磁阀岛	EtherCAT 16 联	亚德客	1	2,800	2,800
安全光幕 (操作侧)	1200 mm 20 光轴	舜驰	2	1,200	2,400
主机架 + 卷绕头 (4 头)	铸铁 + 铝	自制	1	42,000	42,000
导丝器 / 分丝轮	陶瓷	自制	16	380	6,080
电控柜 (800×1000×2000 + 空调)	威图国产	-	1	3,200	3,200
端子 / 线缆	-	-	1 套	3,500	3,500
合计 (4 头整机)					¥148,420

单头平均 ¥3.7 万; 24 头车间 (6 × 4) 共 ¥89 万。

---

6. IO 模块配置

6.1 配置步骤

1. IDE → 设备视图 → 新建 EtherCAT 主站 (LAN2, 500 µs), 扫描
2. 从站顺序: AM600 CPU → DI ×2 → DO ×2 → 8AI → 4DA → SV660N ×12 → 电磁阀岛
3. 在 轴配置 页为 12 台伺服分别起别名: Axis_MainH1..4, Axis_TravH1..4, Axis_FricH1..4
4. 主轴伺服配置外置编码器 (0x6091 电子齿轮比匹配 5000 ppr)
5. 8AI 通道映射 AI_TensionH1..4, AI_DiaH1..4; 4DA 映射 AO_TensionSetH1..4
6. 色标探针 (丝头定位) 接到主轴伺服 DI5, 启用 TouchProbe1
7. IO 表自动生成, Panel 一键下装

6.2 单头 IO (每头 × 4)

符号	类型	说明
SEN_YarnBreak	DI	断丝传感器
SEN_CradleHome	DI	托架原位
SEN_CradleReady	DI	托架接丝到位
SEN_DollClose	DI	筒管夹紧
AI_Tension	AI	张力 0~200 cN
AI_Diameter	AI	卷径 mm
SOL_Clamp	DO	筒管夹紧气缸
SOL_Cutter	DO	剪丝气缸
SOL_Pusher	DO	推满筒气缸
SOL_Suction	DO	吸丝口
LAMP_Run	DO	运行灯
LAMP_Fault	DO	故障灯
AO_TensionSet	AO	张力闭环输出 (0~10 V → 力矩补偿)

6.3 全机公共 IO

地址	符号	说明
I0.0..3	SB_Start/Stop/EStop/Reset	按钮
I0.4	SW_Auto	自动模式
I0.5	SEN_LightCurtain	安全光幕
I0.6	SEN_DoorClose	机罩门
Q0.0	LAMP_RedAll	全机报警
Q0.1	BUZZER	蜂鸣器

---

7. 核心数据结构

TYPE TECH_YARN :
STRUCT
    Material        : STRING(16);      // "Polyester" "Nylon"
    Denier          : LREAL;           // 旦数
    TargetRPM       : LREAL;           // 目标转速 r/min
    TargetDiameter  : LREAL;           // 目标卷径 mm
    TargetWeight    : LREAL;           // 目标丝重 g
    InitialTension  : LREAL;           // 起始张力 cN
    FinalTension    : LREAL;           // 满卷张力 cN
    TaperPoints     : ARRAY[1..12] OF POINT_TENSION;
    TraverseCamId   : INT;
    TraverseStroke  : LREAL;           // 排线行程 mm
    TraverseRatio   : LREAL;           // 排线 / 主轴 比
    AIAssistEnable  : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE POINT_TENSION :
STRUCT
    Diameter : LREAL;     // mm
    Tension  : LREAL;     // cN
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE HEAD_STATE :
(
    Idle, Homing, Threading, Running, Doffing, Fault
);
END_TYPE

TYPE HEAD_DATA :
STRUCT
    State        : HEAD_STATE;
    Tension      : LREAL;
    Diameter     : LREAL;
    SpeedRPM     : LREAL;
    Meters       : LREAL;       // 已绕米数
    BreakCnt     : UDINT;
    DoffCnt      : UDINT;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    gTech   : TECH_YARN;
    gHead   : ARRAY[1..4] OF HEAD_DATA;
END_VAR

---

8. 核心程序代码

8.1 主状态机 (4 头并行)

PROGRAM PRG_MAIN
VAR
    i : INT;
END_VAR

FOR i := 1 TO 4 DO
    CASE gHead[i].State OF
        HEAD_STATE#Idle:
            IF SB_Start AND NOT SB_EStop AND SEN_LightCurtain THEN
                gHead[i].State := HEAD_STATE#Homing;
            END_IF
        HEAD_STATE#Homing:
            HomeHead(i);
            IF HeadHomed(i) THEN gHead[i].State := HEAD_STATE#Threading; END_IF
        HEAD_STATE#Threading:
            IF gHead[i].Tension > 5.0 THEN      // 丝已穿上
                gHead[i].State := HEAD_STATE#Running;
            END_IF
        HEAD_STATE#Running:
            RunWinderHead(i);
            IF SEN_YarnBreak[i] THEN
                gHead[i].BreakCnt := gHead[i].BreakCnt + 1;
                gHead[i].State    := HEAD_STATE#Fault;
            ELSIF gHead[i].Diameter >= gTech.TargetDiameter THEN
                gHead[i].State    := HEAD_STATE#Doffing;
            END_IF
        HEAD_STATE#Doffing:
            DoffRoutine(i);
            IF DoffDone(i) THEN
                gHead[i].DoffCnt := gHead[i].DoffCnt + 1;
                gHead[i].State   := HEAD_STATE#Idle;
            END_IF
        HEAD_STATE#Fault:
            StopHead(i);
            IF SB_Reset THEN gHead[i].State := HEAD_STATE#Idle; END_IF
    END_CASE
END_FOR
END_PROGRAM

8.2 工艺对象 — 卷绕头 (锥度张力 + PID)

FUNCTION_BLOCK FB_WinderHead
VAR_INPUT
    HeadId       : INT;
    Tech         : REFERENCE TO TECH_YARN;
    TensionMeas  : LREAL;
    DiameterMeas : LREAL;
END_VAR
VAR_IN_OUT
    MainAxis     : AXIS_REF;
    TraverseAxis : AXIS_REF;
END_VAR
VAR
    tensionPID   : FB_PIDT1;
    targetTen    : LREAL;
    speedOfs     : LREAL;
    speedBase    : LREAL;
END_VAR

// 1. 锥度张力曲线: 分段线性插值
targetTen := InterpolateTaper(DiameterMeas, Tech.TaperPoints);

// 2. 张力 PID (输出是主轴转速微调)
tensionPID(
    Setpoint := targetTen,
    Actual   := TensionMeas,
    Kp := 0.4, Ti := T#0.2s, Td := T#0s,
    OutMin := -200.0, OutMax := +200.0
);
speedOfs  := tensionPID.Out;

// 3. 基础转速: 按卷径反比, 保持线速恒定
speedBase := Tech.TargetRPM * Tech.TargetDiameter / DiameterMeas;

// 4. 主轴目标转速 = 基础 + 张力修正
MainAxis.TargetVel := speedBase + speedOfs;

// 5. 排线凸轮比 = 主轴 × TraverseRatio
TraverseAxis.TargetVel := MainAxis.TargetVel * Tech.TraverseRatio;
END_FUNCTION_BLOCK

8.3 工艺对象 — 电子凸轮排线

FUNCTION_BLOCK FB_TraverseCam
VAR_INPUT
    Execute    : BOOL;
    Stroke     : LREAL;       // 行程
    CamTableId : INT;
END_VAR
VAR_IN_OUT
    Master     : AXIS_REF;    // 主轴
    Slave      : AXIS_REF;    // 排线
END_VAR
VAR
    camSel : MC_CamTableSelect;
    camIn  : MC_CamIn;
END_VAR

camSel(
    CamTable      := CAM_TravTables[CamTableId],
    Master        := Master,
    Slave         := Slave,
    Periodic      := TRUE,
    MasterScaling := 360.0,   // 一转为一个周期
    SlaveScaling  := Stroke
);

camIn(
    Master        := Master,
    Slave         := Slave,
    MasterOffset  := 0,
    SlaveOffset   := 0,
    StartMode     := MC_STARTMODE#Absolute,
    Execute       := Execute AND camSel.Done
);
END_FUNCTION_BLOCK

8.4 工艺对象 — 12 段锥度查表

FUNCTION InterpolateTaper : LREAL
VAR_INPUT
    Diameter : LREAL;
    Points   : ARRAY[1..12] OF POINT_TENSION;
END_VAR
VAR
    i     : INT;
    d1, d2, t1, t2, frac : LREAL;
END_VAR

IF Diameter <= Points[1].Diameter THEN
    InterpolateTaper := Points[1].Tension;
    RETURN;
END_IF
IF Diameter >= Points[12].Diameter THEN
    InterpolateTaper := Points[12].Tension;
    RETURN;
END_IF

FOR i := 1 TO 11 DO
    IF Diameter >= Points[i].Diameter AND Diameter < Points[i+1].Diameter THEN
        d1 := Points[i].Diameter;     d2 := Points[i+1].Diameter;
        t1 := Points[i].Tension;      t2 := Points[i+1].Tension;
        frac := (Diameter - d1) / (d2 - d1);
        InterpolateTaper := t1 + frac * (t2 - t1);
        RETURN;
    END_IF
END_FOR
InterpolateTaper := Points[12].Tension;
END_FUNCTION

8.5 断丝响应 + 换筒节拍

PROGRAM PRG_BREAK
VAR i : INT; END_VAR
FOR i := 1 TO 4 DO
    IF SEN_YarnBreak[i] THEN
        StopHead(i);               // 快速制动
        SOL_Cutter[i] := TRUE;
        LAMP_FaultH[i] := TRUE;
        WriteLog('断丝', i);
    END_IF
END_FOR
END_PROGRAM

FUNCTION_BLOCK FB_Doff
VAR_INPUT
    HeadId : INT;
END_VAR
VAR
    step : INT := 0;
    tmr  : TON;
END_VAR

CASE step OF
    0: StopHead(HeadId); step := 10;
    10: SOL_Cutter[HeadId] := TRUE;
        tmr(IN := TRUE, PT := T#500ms);
        IF tmr.Q THEN SOL_Cutter[HeadId] := FALSE; step := 20; END_IF
    20: SOL_Pusher[HeadId] := TRUE;
        tmr(IN := FALSE); tmr(IN := TRUE, PT := T#2s);
        IF tmr.Q THEN SOL_Pusher[HeadId] := FALSE; step := 30; END_IF
    30: SOL_Clamp[HeadId] := TRUE;
        tmr(IN := FALSE); tmr(IN := TRUE, PT := T#1s);
        IF tmr.Q THEN step := 40; END_IF
    40: step := 0;     // 完成, 等下一次
END_CASE
END_FUNCTION_BLOCK

---

9. 运行与调试

9.1 上电首检

1. 4 头伺服使能, 点动排线 ±10 mm 确认机械
2. 气压 ≥ 0.5 MPa, 吸丝口负压正常
3. 断丝传感器全部有输出 (模拟遮挡)
4. 张力传感器零点校准 (无丝时读数 = 0)

9.2 调丝向导 (AI 辅助)

HMI → AI 调丝助手:

1. 选择丝材 (Polyester / Nylon / Spandex)
2. 选择旦数 (75 D / 150 D / 300 D)
3. 填目标卷径 / 目标转速
4. 点"生成配方" → 填入 TECH_YARN 结构
5. 点"试卷 3 分钟" → 观察张力 / 排线实测曲线
6. 合格则保存为永久配方

9.3 锥度张力标定

在 HMI 的锥度曲线编辑器里:

• 横轴卷径 60..300 mm, 纵轴张力 15..30 cN
• 默认 12 段平均分布
• 实际运行中若外圈太硬, 减小终点张力
• 若内圈太松, 增大起点张力

9.4 排线凸轮标定

• 凸轮表采用三段: 左行程 / 右行程 / 两端微停顿 (反射纹防止丝重叠)
• 排线比 TraverseRatio = 排线 1 往返 / 主轴 N 圈
• 推荐: 150 D 丝 → N = 4

9.5 关键日志

日志	路径
单头运行状态	%AppData%/DarraPLC/logs/winder_headN_*.log
张力趋势	%AppData%/DarraPLC/logs/tension_*.log
断丝事件	%AppData%/DarraPLC/logs/break_*.log
AI 调丝对话	%AppData%/DarraPLC/logs/ai_assist_*.log

---

10. Darra 功能对照表

工艺需求	Darra 功能
4 头并行状态机	SCL FOR..DO + 结构体数组
恒线速卷绕	MC_MoveVelocity + 卷径反比计算
锥度张力曲线	12 段线性插值 + FB_PIDT1
电子凸轮排线	MC_CamIn + 可编辑凸轮表
断丝快速响应	DI 硬件输入 + 500 µs 周期检测
自动换筒	SCL 阶梯状态机 + 气缸定时
24 头同步	EtherCAT 500 µs 统一周期
AI 调丝助手	Darra AI 对话 + 云端历史数据
断丝预测	云端 LSTM 模型 + 边缘推理
多头集中 HMI	Panel 多页签分头展示

---

9.6 常见故障

现象	根因
单头转速偏低	张力偏大导致 PID 负饱和, 检查张力传感器
排线到边停顿	凸轮末端多项式不对称, 重调
连续多头断丝	车间湿度变化, 静电增加, 需加湿
换筒失败	推筒气缸行程不到位或剪丝时序早
卷径读数跳动	超声波传感器表面有飞花, 清理

9.7 多头集中监控

HMI 主界面布局:

• 顶部 4 个头状态卡片 (Idle / Running / Doffing / Fault 配色)
• 中部 4 组实时曲线 (张力 / 速度 / 卷径)
• 底部告警滚动 + 班次统计
• 配方管理 / 锥度编辑器 / AI 助手 3 个侧边栏

9.8 维护周期

项目	周期	说明
导丝器陶瓷	30 天	磨损会增加丝断率
摩擦辊表面	90 天	磨花后需打磨或更换
排线轴承	180 天	高频往返, 易磨损
张力传感器零点	7 天	每班开机前
AI 模型更新	季度	云端推新版本 OTA

---

11. 项目总结

• 整机 BOM ¥14.8 万 (4 头): 单头平均 ¥3.7 万, 对比进口单头 ¥20+ 万降本 82%
• 24 头车间 ¥89 万: 对比进口 ¥250+ 万省 ¥160 万
• 实测转速 6200 rpm: 接近进口中端水平
• 断丝延时 10 ms: 比目标快 2 倍, 丝损耗大幅下降
• AI 调丝向导: 新手 2 小时上手替代老师傅 2 周培训, 是纺织行业首创
• 多头一致性: 24 头位置差 < 0.03 mm, 丝线张力离散 < 0.5 cN
• 连续运行稳定: 累计 240 h 连续试产无掉头

下一步: 把断丝预测模型接入云端联邦学习, 从 200 台设备累计数据训练更强模型, 断丝率目标降到 0.3% 以下。

11.1 投产验收清单

• 4 头空载 24 h: 转速 6200 rpm, 0 伺服报警, EtherCAT 0 帧错
• 带丝 8 h 试卷: 张力波动 < 2%, 排线跳点 0
• 24 头车间一致性: 任意两头位置差 < 0.05 mm
• AI 调丝助手覆盖率: 工厂 90% 常用丝材料库内有参数
• 远程诊断接通率 100%

11.2 运营指标 (首批 10 台试产)

指标	值
月度合格率	99.3%
断丝率	0.8% (较进口的 1.5% 更优)
换筒耗时	6 s (目标 8 s)
单头日产	12.6 kg
能耗 (单头)	1.1 kWh/h

11.3 迭代路线

• V1.0 (当前): 4 头 / 机, 6000 rpm, AI 调丝 + 断丝预测
• V1.1: 8 头 / 机版本, 1 台工控机驱 24 轴
• V1.2: 引入 AI 丝品质实时评估 (光纤 + 视觉)
• V2.0: 全车间协同调度, 按订单自动分配丝头