基于DSP和CAN總線的織機監(jiān)測管理系統(tǒng)研究

王春紅,武春英

(河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

基于DSP和CAN總線的織機監(jiān)測管理系統(tǒng)研究

王春紅,武春英

(河北科技大學信息科學與工程學院,河北石家莊 050018)

以劍桿織機為研究對象,設(shè)計了一種基于DSP和CAN總線的織機監(jiān)測管理系統(tǒng),并對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件功能與設(shè)計進行了說明,系統(tǒng)確保了數(shù)據(jù)通信的準確性和快速性。

DSP;CAN總線;織機;監(jiān)測

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展,用新型織機代替有梭織機是發(fā)展紡織工業(yè)的必然。但同時,很多紡織企業(yè)生產(chǎn)管理仍然處于單機臺工作監(jiān)測、人工抄表的低效狀態(tài),先進的新型織機生產(chǎn)與落后的人工監(jiān)測管理形成了明顯的反差。因此,應(yīng)用計算機測控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對新型織機進行計算機監(jiān)測,構(gòu)建織機信息監(jiān)測管理系統(tǒng),打造企業(yè)現(xiàn)代化管理的數(shù)字化、信息化技術(shù)平臺,是提高新型織機綜合效能,促進紡織企業(yè)現(xiàn)代化管理的有效途徑[1-2]。

1 織機監(jiān)測管理系統(tǒng)的功能及總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)企業(yè)要求,織機監(jiān)測管理系統(tǒng)的主要功能應(yīng)包括以下6個方面:

1)通過現(xiàn)場總線將各織機監(jiān)測器連接在一起,對每臺織機的打緯次數(shù)、經(jīng)停、緯停、邊停、停車次數(shù)及停車時間等信號進行實時采集和分班存儲;

2)以織機現(xiàn)場分布平面圖形式動態(tài)監(jiān)測織機運轉(zhuǎn)狀態(tài),以列表形式實時顯示織機當班生產(chǎn)數(shù)據(jù);

3)能夠輸出所需報表,方便地進行品種、緯密、產(chǎn)量計劃、織疵計劃、匹分計劃等生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)定和修改;

4)能夠進行品種效率分析、織疵率分析,具有輔助生產(chǎn)、輔助決策功能;

5)具有故障診斷及報警功能,能及時查找系統(tǒng)故障;

6)系統(tǒng)適應(yīng)性強,便于維護、擴充。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由3大部分組成:因特網(wǎng)級、企業(yè)局域網(wǎng)級和現(xiàn)場控制級。通過企業(yè)局域網(wǎng)連入因特網(wǎng)可完成遠程故障診斷;企業(yè)局域網(wǎng)可接收現(xiàn)場織機狀態(tài)信息,也可接收由現(xiàn)場上位機處理后的數(shù)據(jù)信息,以便宏觀控制與管理;現(xiàn)場控制級則由上位機、數(shù)據(jù)采集下位機及監(jiān)測現(xiàn)場構(gòu)成。上位機由主計算機和通信接口組成,計算機安裝有專門的織機監(jiān)測軟件,監(jiān)測軟件借用計算機的強大功能實現(xiàn)遠程實時觀測和控制,通信接口則完成通信電平的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信;下位機則以DSP微控制器為核心[3],輔以相關(guān)外圍電路完成織機工作狀態(tài)的實時顯示、聲光報警和遠距離通信;監(jiān)測現(xiàn)場即是車間的具有信號發(fā)生裝置的織機控制箱。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of system

2 現(xiàn)場控制級硬件構(gòu)成

現(xiàn)場控制級從總體上又可分為上位機和下位機2大部分:上位機主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)通信,對數(shù)據(jù)加工、處理后,形成織機工作狀態(tài)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫,以便日后的數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)決策;下位機主要任務(wù)是完成織機數(shù)據(jù)采集,下位機硬件主要由織機監(jiān)測器、區(qū)域處理器、CAN總線組成。

2.1 織機監(jiān)測器

為了滿足新型織機實時性、可靠性要求,織機監(jiān)測器的核心處理器采用了 TI公司的DSP芯片TM S320LF2407,它是直接與織機打交道的底層設(shè)備。TM S320LF2407把1個高性能內(nèi)核和內(nèi)嵌的16位CAN模塊集成為1個芯片,非常適合工業(yè)控制領(lǐng)域。它的指令周期為40 ns,有高達32 K字的FLASH程序存儲器,高達1.5 K字的數(shù)據(jù)和程序RAM,544字雙口RAM,2 K字的單口RAM,2個適合于電機控制的事件管理器模塊,集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器,片內(nèi)處理及對外數(shù)據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)字長均為16位,讀寫核心模塊內(nèi)的RAM及Flash Memory數(shù)據(jù)都為16位,與CAN進行通信的數(shù)據(jù)為16位。由于各芯片中地址總線和數(shù)據(jù)總線均為共用,所以設(shè)計中采用了CPLD邏輯控制器來對各芯片進行片選。這些功能足以滿足織機實時數(shù)據(jù)采集的要求,并為以后的系統(tǒng)擴展提供了接口[4-5]?？棛C監(jiān)測器的主要功能是完成織機狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)的采集、存儲、組織和簡單的數(shù)據(jù)處理,并采用“中斷”方式來響應(yīng)CAN節(jié)點的通信要求。

TM S320LF2407自帶的CAN控制器模塊是1個16位的外設(shè),對它的訪問分成對控制/狀態(tài)寄存器的訪問和郵箱的RAM訪問。郵箱位于1個48×16位的RAM中,它可以被CPU或CAN讀寫。基于DSP的織機監(jiān)測器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2.2 CAN現(xiàn)場總線

本系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線,可滿足織機傳輸速度快、實時響應(yīng)好、抗干擾能力強、擴展接口方便且通信安全可靠、容易實現(xiàn)、價格便宜的要求。

在基于CAN現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)中,單個節(jié)點由1個微控制器、1個CAN收發(fā)器和1個CAN控制器組成[6],本系統(tǒng)采用了PH IL IPS公司的CAN總線控制器SJA 1000和CAN總線收發(fā)器PCA 82C250。系統(tǒng)的上位機(主計算機)通過插在主板上的CAN通信卡PCL-841掛在CAN總線上,作為CAN總線上的一個節(jié)點處理,區(qū)域處理器是各個織機監(jiān)測器的控制單元,通過CAN網(wǎng)絡(luò)與上位機進行通信,實現(xiàn)對織機監(jiān)測器的信息采集和指令控制。

2.3 區(qū)域處理器

區(qū)域處理器通過CAN現(xiàn)場總線實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)監(jiān)測器的數(shù)據(jù)通信并將織機信息做一定數(shù)據(jù)匯總處理。作為上位機與織機監(jiān)測器的中間節(jié)點,它既要響應(yīng)上位機的命令以及參數(shù)設(shè)置,將處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機,又要對監(jiān)測器的運行進行管理,完成實時數(shù)據(jù)(如停臺時刻等)的保存。區(qū)域處理器可以保存15日的織機生產(chǎn)數(shù)據(jù),從而提供了更持久的數(shù)據(jù)存儲功能,對其上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生有益的影響。多個區(qū)域處理器將下層總線劃分成若干局部總線,不同區(qū)域的織機數(shù)據(jù)可并行傳輸,提高了數(shù)據(jù)傳輸速度,另外其強大的數(shù)據(jù)存儲功能也緩解了系統(tǒng)對上一級結(jié)構(gòu)實時性的要求,使得其上層結(jié)構(gòu)能夠采用性能和造價都低一些的RS-485通信方式,從而使系統(tǒng)的擴展簡單方便[7]。本系統(tǒng)以51系列內(nèi)部帶有8 KB閃存的89C52單片機作為區(qū)域處理器的內(nèi)核,其電路原理圖略。

圖2 監(jiān)測器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 Hardware p rincip le framewo rk of monito r controlling system

3 上位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機軟件系統(tǒng)既涉及數(shù)據(jù)通信,又涉及數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)共享,因此前臺開發(fā)選用了Visual Basic 6.0,這樣可利用M scomm控件實現(xiàn)與下位機的通信;而后臺數(shù)據(jù)庫采用安全性、數(shù)據(jù)完整性、一致性約束很強的SQL Server 2000。上位機軟件的設(shè)計本著簡捷、實用的原則,可實現(xiàn)現(xiàn)場信號實時顯示、控制參數(shù)調(diào)整、重要歷史數(shù)據(jù)保存、圖形顯示、信號報警及報表打印等功能,具體設(shè)計如下。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照自上至下逐步細化的結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計方法,系統(tǒng)從上位機與下位機的數(shù)據(jù)通信(調(diào)入數(shù)據(jù))到數(shù)據(jù)處理再到輔助決策,其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure draw ing of top machine software system

根據(jù)系統(tǒng)功能需求,將系統(tǒng)分為織機實時監(jiān)測子系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)、次布信息管理子系統(tǒng)及面向決策者的輔助決策子系統(tǒng)4部分,系統(tǒng)基本功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 功能模塊設(shè)計

3.2.1 實時監(jiān)測子系統(tǒng)

該模塊可實現(xiàn)以下功能:以數(shù)字列表形式顯示整個車間生產(chǎn)狀況包括各區(qū)的開臺數(shù)、停臺數(shù)、開臺率、品種效率等信息;按實際機臺布局以圖形方式顯示各區(qū)的織機狀態(tài),如開臺、停車、故障;實時監(jiān)測織機的運行,在織機運行出現(xiàn)故障時,發(fā)出報警提示信息。

3.2.2 生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)

圖4 系統(tǒng)基本功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic function structure draw ing of system

該模塊可實現(xiàn)以下功能:調(diào)入機臺數(shù)據(jù)(來自下位機),實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)匯總、盤存月報等功能;數(shù)據(jù)顯示與報表輸出,顯示當班運轉(zhuǎn)情況、班組日產(chǎn)量、機臺運轉(zhuǎn)情況、上軸落布情況、了機預報情況、報表輸出;參數(shù)校驗,包括開班時間、機臺參數(shù)、品種參數(shù)的修改;信息公布,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息以報表或大屏幕方式提供給車間一線工人,使他們隨時了解自己的產(chǎn)量及相關(guān)信息。

3.2.3 次布信息管理子系統(tǒng)

該模塊可實現(xiàn)以下功能:次布數(shù)據(jù)的錄入、顯示、報表輸出及除擋車工之外的其他工種的數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算。

3.2.4 輔助決策子系統(tǒng)

該模塊可實現(xiàn)以下功能:根據(jù)工廠需要完成特定數(shù)據(jù)的分片、分塊圖形顯示及鉆取功能,并實例化,同時為上層領(lǐng)導的決策提供依據(jù)。其中織疵率分析[8],找出織疵率高的機臺、班組、臺位、品種進行定性分析,對下一步生產(chǎn)提供決策指導;停車時間分析,找出停車時間長的機臺,分析原因,及時檢修;上軸落布分析,將品種的上軸數(shù)量與落布數(shù)量對比分析,結(jié)果與預期值比較,差值較大的找出原因、分析漏洞,及時指導生產(chǎn)。

登錄用戶分為高級用戶和普通用戶。高級用戶可對織機的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行修改、調(diào)整,普通用戶采用通用計算機(PC機)分布在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi),通過網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲取有權(quán)限的數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)信息的共享。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)有效地將DSP微處理器的高速處理能力和CAN總線通信的高性能、高可靠性的優(yōu)點結(jié)合起來,方便地實現(xiàn)了紡織車間織機信息的實時采集及織機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,構(gòu)建起織機監(jiān)測和全分布的企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,易于擴充,安裝維護方便,在高速通信速率下有較強的抗干擾能力,上位機軟件功能齊全、實用。應(yīng)用實踐表明該系統(tǒng)給紡織企業(yè)帶來了實際的效益,使其在上層管理與車間生產(chǎn)控制上都上了一個檔次,為企業(yè)今后的數(shù)字化、現(xiàn)代化管理奠定了堅實的基礎(chǔ),具有很好的應(yīng)用前景。

[1]王正成.供應(yīng)鏈模式下紡織業(yè)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成[J].紡織學報(Journal of Textile Research),2005,26(4):20-21.

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[3]賀代春,劉教民,王震洲.基于DSP的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J].河北科技大學學報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2004,25(4):48-50.

[4]彭顯剛,暨綿浩,曾岳南,等.基于 TMS320LF2407和CAN總線的通信應(yīng)用設(shè)計[J].汕頭大學學報(Journal of Shantou University),2006,21(1):10-13.

[5]牟路勇.基于DSP的航空發(fā)動機電子控制器設(shè)計研究[D].南京:南京航空航天大學,2004.

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Research on the loom monitoring and management system based on DSP and CAN bus

WANG Chun-hong,WU Chun-ying
(College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Taking Rapier loom as the reseach object,this paper introduces a kind of loom monitoring and management system based on DSP and CAN bus,and searches the system structure,hardware components,software function and design.This system ensures the accuracy and speed of data communication,lays the foundation fo r textile enterp rise to realize informatization and modernization.

DSP;CAN bus;loom;monitoring

TP391

A

1008-1542(2010)02-0124-04

2009-12-02;

2010-02-16;責任編輯:李 穆

河北省科技攻關(guān)項目(04213112)

王春紅(1963-),女,河北棗強人,副教授,碩士,主要從事信息技術(shù)與數(shù)據(jù)庫方面的研究。