基于工業(yè)以太網(wǎng)的紡織機(jī)械控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文以工業(yè)以太網(wǎng)控制紡織機(jī)械的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為主線，首先闡述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即STM32為核心與ENC28J60為網(wǎng)絡(luò)通信芯片的網(wǎng)絡(luò)控制板的硬件與軟件的實(shí)現(xiàn)內(nèi)容中的關(guān)鍵問(wèn)題，然后以協(xié)議棧為基礎(chǔ)概括了系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方式。最后以紡織機(jī)械中的粗紗機(jī)實(shí)例說(shuō)明紡織設(shè)備的控制過(guò)程，證明該理論是可行且優(yōu)于其他控制方法。

【關(guān)鍵詞】STM32;工業(yè)以太網(wǎng);紡織設(shè)備

工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。它是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)，在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)（即IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，但是實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用卻又完全不同。這主要表現(xiàn)普通商用以太網(wǎng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度、適用性以及實(shí)時(shí)性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質(zhì)安全性等方面不能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要。故在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制應(yīng)用的是與商用以太網(wǎng)不同的工業(yè)以太網(wǎng)。

傳統(tǒng)的紡織機(jī)械一般由人工進(jìn)行換紗、放入原料等操作，有的雖然已經(jīng)采用普通的單片機(jī)或PLC進(jìn)行伺服控制，但這些設(shè)備對(duì)操作人員依賴型較強(qiáng)，必須通過(guò)人工監(jiān)控以確保設(shè)備正常運(yùn)行。為了減少傳統(tǒng)紡織機(jī)械各種設(shè)備帶來(lái)的人員成本，提高工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的紡織機(jī)械控制系統(tǒng)。紡織機(jī)械的控制終端采用STM32單片機(jī)與ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片搭建以太網(wǎng)“客戶端”，接受總控上位機(jī)發(fā)出的控制指令數(shù)據(jù)包，并通過(guò)PWM波對(duì)紡織機(jī)械的各路電機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)系統(tǒng)采用D-S數(shù)據(jù)融合技術(shù)收集紡織機(jī)械各個(gè)傳感器的信息，判斷設(shè)備是否正常工作，并利用模糊PID控制對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)紡織設(shè)備的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用.NET技術(shù)編寫(xiě)上位機(jī)服務(wù)器站點(diǎn)，操作人員可以利用Windows系統(tǒng)中的瀏覽器對(duì)紡織機(jī)械進(jìn)行監(jiān)控與控制。

整個(gè)紡織機(jī)械的控制系統(tǒng)都是以STM32網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為過(guò)渡單元，其將總控上位機(jī)提供的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，取得電機(jī)控制指令并轉(zhuǎn)化為電機(jī)控制信號(hào)，整個(gè)紡織系統(tǒng)的控制流程如圖1所示。

圖1 紡織系統(tǒng)控制流程圖

uIP協(xié)議棧是STM32中間節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信的主要程序代碼之一，在整個(gè)嵌入式程序結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)都是利用其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換與通信對(duì)接。整個(gè)程序代碼的編寫(xiě)與調(diào)試都是利用ARM公司的Keil軟件中進(jìn)行。

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)共分為六個(gè)模塊。

（1）系統(tǒng)初始化模塊，為使系統(tǒng)能正常工作，需要對(duì)全局變量和一些必要的寄存器進(jìn)行初始化，該模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)。

（2）中斷接收模塊，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)指令到單片機(jī)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生接收中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，接收上位機(jī)發(fā)送的指令。

（3）通信協(xié)議解析模塊，該模塊主要對(duì)上位機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行解析，針對(duì)不同的指令做相應(yīng)處理，如，首先判斷接收到的第一個(gè)字符是否為‘$，若為‘$，則繼續(xù)接收下面的12個(gè)字符否則結(jié)束中斷服務(wù)程序，若接收到的最后一個(gè)字符為‘;，則將這 13 個(gè)字符存起來(lái)，接著判斷下一個(gè)字符是否為‘#，若為‘#則接收成功，數(shù)據(jù)可用，跳出中斷，否則清除結(jié)束數(shù)據(jù)，等待下次接收并跳出中斷。

（4）特效控制模塊，本模塊的功能是根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)特效電路的控制，如果協(xié)議解析指令為“$M0xE10xEC，0xE1，0xE2，0xE3，0xE4;”，M表示管理模式即特效的指令，第二個(gè)0xE1是第一個(gè)特效的控制指令，若為0xE1則特效輸出，否則特效關(guān)閉。第二個(gè)特效由0xE2控制，與第一個(gè)特效控制一樣若為0xE2則開(kāi)啟特效，否則關(guān)閉特效，0xE3，0xE4分別指第三個(gè)，第四個(gè)特效的控制命令若為上述數(shù)據(jù)則特效開(kāi)啟，否則特效關(guān)閉。

（5）電機(jī)運(yùn)行控制模塊，該模塊主要時(shí)根據(jù)上位機(jī)指令的要求產(chǎn)生3路PWM控制信號(hào)和3路電平信號(hào)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)動(dòng)作的控制，如，協(xié)議解析出指令為“$P200，3000，2000，1000;”，P是為正常模式，該指令是作用是在200ms內(nèi)產(chǎn)生3路脈沖數(shù)分別為3000，2000，1000的PWM信號(hào)，然后和上一次電機(jī)運(yùn)行的值GMLvalue比較，若大于上次的值則發(fā)送脈沖信號(hào)到PORTC0、PORTC2和PORTC4，發(fā)送低電平到 PORTC1、PORTC3和 PORTC5，從而達(dá)到對(duì)電機(jī)的控制。

（6）限位信號(hào)處理模塊，本模塊主要是對(duì)限位傳感器的狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的處理，首先定義缸的最高位和最低位分別為4200和400，單片機(jī)的PB0～PB5是限位信號(hào)的輸入口，其中PB0、PB2、PB4為上限位，PB1、PB3、PB5為下限位，由于限位開(kāi)關(guān)到限位時(shí)輸出高電平，因此當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到PB0～PB5中有高電平時(shí)就對(duì)相應(yīng)位進(jìn)行處理，如PB0為高電平時(shí)，則說(shuō)明第一個(gè)電機(jī)已到上下位因此賦予當(dāng)前位置變量GMCvalue 最高位值 4200，從而達(dá)到限位的目的。

工業(yè)控制應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，主要是基于B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制底層通過(guò)建立智能節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的收集并建立Web資源服務(wù)器，客戶端只需要通過(guò)瀏覽器即可實(shí)時(shí)讀取到其中的數(shù)據(jù)，并可將控制命令傳達(dá)。紡織設(shè)備節(jié)點(diǎn)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)處于客戶端狀態(tài)，接受總控上位機(jī)這臺(tái)服務(wù)器發(fā)送而來(lái)的控制信號(hào)。將程序通過(guò)JTAG下載到STM32F107開(kāi)發(fā)板上以后，將JTAG調(diào)試器取下，用雙絞線將PC機(jī)與開(kāi)發(fā)板相連，之后將開(kāi)發(fā)板復(fù)位，在PC機(jī)的網(wǎng)關(guān)設(shè)置為192.168.0.1，將PC機(jī)的IP地址與開(kāi)發(fā)板的IP地址設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。

路由節(jié)點(diǎn)與終端器節(jié)點(diǎn)有時(shí)指同一類節(jié)點(diǎn)，它們都是網(wǎng)絡(luò)中最多的一類節(jié)點(diǎn)，在不同的情況下它們的任務(wù)會(huì)不斷轉(zhuǎn)換。終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集機(jī)房?jī)?nèi)的各種信息，包括供電電壓、電流值等，有些終端節(jié)點(diǎn)也會(huì)完成核心板下達(dá)的命令，如：利用外設(shè)中的紅外線發(fā)射頭指示空調(diào)工作等。路由節(jié)點(diǎn)主要是接受協(xié)調(diào)器發(fā)送來(lái)的消息，這與終端節(jié)點(diǎn)相一致，此外，路由節(jié)點(diǎn)也會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的信息，豐富路由路徑，在本監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，為了防止“拜占庭現(xiàn)象”的發(fā)生，也會(huì)在路由節(jié)點(diǎn)中增加判斷是否有節(jié)點(diǎn)損壞的功能。如下是路由節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)程序，可以看出路由節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)過(guò)程中有相似之處。

void ZDO_StartDevice（byte logicalType，

devStartModes_t startMode，byte beaconOrder，

byte superframeOrder）

{

devState=DEV_NWK_DISC;

ret=NLME_NetworkDiscoveryRequest

（jfDefaultChannelList，jfDefaultStarting

ScanDuration）;

……}

終端節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)房提供的電壓、電流數(shù)值采集與發(fā)送是其主要任務(wù)之一，其工作流程如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)電壓、電流采集流程圖

在傳感器獲取電壓、電流數(shù)值時(shí)，在外設(shè)中必須有一套轉(zhuǎn)換電路與保護(hù)電路，防止強(qiáng)電對(duì)終端節(jié)點(diǎn)造成破壞。讀取數(shù)據(jù)的部分程序，如下所示：

PRIVATE void vReadSupply_Voltage（void）

{

uintl6 ul6AdcReading;

switch（sSupply_Sensor.estate）

{

case E_STATE_READ_SUPPLY_IDLE：

vAHI_AdcStartSamp1e（）;//啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換

sSupply_Sensor.estate=E_STATE_READ_SUPPLY_ADC_CONVERTING;

break;

ease E_STATE_READ_SUPPLY_ADC_CONVERTING：

if（！bAHI_AdcPoll（））//判斷AD轉(zhuǎn)換是否結(jié)束

{

sSupply_Sensor.eState=E_STATE_READ_SUPPLY_ADC_COMPLETE;

}

break;

ease E_STATE_READ_SUPPLY_ADC_COMPLETE：

ul6AdcReading=ul6AHI_AdcRead//讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量

sSupply_Sensor.u16Reading=（（uint32）（（uint32）（u16AdcReading*986）+

（（uint32）（ul6AdeReading*586）>>1）））/1000;//數(shù)值運(yùn)算

sSupply_Sensor.estate=E_STATE_READ_SUPPLY_ADC_READY;

break;

}

}

下面以紡織設(shè)備中的粗紗為例說(shuō)明工業(yè)以太網(wǎng)控制的過(guò)程。目前使用的粗紗設(shè)備大多依靠RS485串口通信方式與一臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行通信，每臺(tái)設(shè)備都必須配備一臺(tái)計(jì)算機(jī)并由控制人員看守。這樣的工業(yè)控制方式不僅通信數(shù)據(jù)量低，同時(shí)有較高的人力和物力成本。因此，系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的控制架構(gòu)對(duì)粗紗機(jī)組及每臺(tái)粗紗機(jī)中的各個(gè)模塊進(jìn)行控制，如圖3所示為工業(yè)以太網(wǎng)的粗紗機(jī)控制架構(gòu)模型。

圖3 粗紗機(jī)控制架構(gòu)模型

粗紗設(shè)備由四臺(tái)電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，為了避免細(xì)節(jié)的產(chǎn)生、提高紗線的質(zhì)量和強(qiáng)度，要求同步控制多路電機(jī)，并且具有自動(dòng)診斷和顯示的功能以保證紡紗的質(zhì)量。為了滿足上述需求，整個(gè)控制系統(tǒng)分為控制模塊和監(jiān)控模塊兩大部分：

（1）控制模塊，利用STM32作為中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將總控上位機(jī)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)控制指令數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)指令或伺服器及變頻器的控制指令，對(duì)紡織設(shè)備中的各路電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，滿足紡織設(shè)備的工作需求;

（2）監(jiān)控模塊，主要是將紡織機(jī)械上以及周圍環(huán)境中的各種監(jiān)控信息及時(shí)反饋給總控上位機(jī)，總控上位機(jī)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并同時(shí)設(shè)備的操作人員。同時(shí)，總控上位機(jī)也可以通過(guò)D-S數(shù)據(jù)融合算法和PID控制技術(shù)，對(duì)紡織設(shè)備中出現(xiàn)的問(wèn)題作出初步判斷，供操作人員參考。

監(jiān)控模塊對(duì)控制模塊起到反饋?zhàn)饔茫麄€(gè)粗紗設(shè)備構(gòu)成一個(gè)有效的閉環(huán)控制系統(tǒng)，而系統(tǒng)中高速的數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)性均有工業(yè)以太網(wǎng)及通信協(xié)議解決。

整臺(tái)設(shè)備可以根據(jù)STM32網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目設(shè)定IP地址，如：電動(dòng)機(jī)M1的IP可以設(shè)定為192.168.10.1，同理，一臺(tái)設(shè)備的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)定在同一個(gè)網(wǎng)段上，即192.168.10.1-192.168.10.254，并將其中一些特殊數(shù)字的IP地址分配給網(wǎng)絡(luò)中的傳感器，如：192.168.10.110和192.168.10.119等分別分配給連接張力傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接溫濕度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以便于后續(xù)的調(diào)試與設(shè)備的維護(hù)。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)無(wú)線傳輸穩(wěn)定、測(cè)量值準(zhǔn)確、誤差低、可對(duì)機(jī)房環(huán)境進(jìn)行合理控制與監(jiān)控。同時(shí)，系統(tǒng)性價(jià)比較高，可在各大中型紡織企業(yè)進(jìn)行推廣使用，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉婷（1980—），女，侗族，江蘇常州人，大學(xué)本科，常州技師學(xué)院電子技術(shù)教育專業(yè)講師。