梳棉工序生產(chǎn)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛乾貝 喬茜華 江 豪,2 王永華,2

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

梳棉工序生產(chǎn)信息化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛乾貝1喬茜華1江 豪1,2王永華1,2

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

通過(guò)現(xiàn)代紡織生產(chǎn)中梳棉工序生產(chǎn)過(guò)程信息化程度的調(diào)查，對(duì)梳棉機(jī)生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的信息化建設(shè)進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了基于NT50網(wǎng)關(guān)的信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層采用Modbus通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口/總線的網(wǎng)關(guān)連接到Profibus網(wǎng)絡(luò)，最后應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)交互至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集上百臺(tái)梳棉機(jī)的CV值、牽伸比、產(chǎn)量、速度等重要工藝參數(shù)，逾百幅監(jiān)控畫面動(dòng)態(tài)顯示機(jī)臺(tái)生產(chǎn)參數(shù)信息等。實(shí)際工程應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠完成對(duì)梳棉工序生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和信息管理，有效促進(jìn)紡織企業(yè)管理和控制的信息化系統(tǒng)建設(shè)。

清梳聯(lián) Profibus-DP Modbus NT50網(wǎng)關(guān) 紡織信息化

0 引言

清梳聯(lián)是紡紗生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序之一，是棉紡工程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)化和現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。某紡織企業(yè)的3條清梳聯(lián)生產(chǎn)線由40臺(tái)梳棉機(jī)組成。單臺(tái)梳棉機(jī)配備有數(shù)字顯示裝置，能夠直接顯示機(jī)臺(tái)運(yùn)行信息和生條質(zhì)量情況，但各機(jī)臺(tái)設(shè)備相互獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。由于“兩化深度融合”是提升紡織行業(yè)生產(chǎn)效率的重要途徑，本文基于Modbus總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，完成梳棉工序的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Profibus是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但許多傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備，包括PLC、DCS、智能儀表等一般都使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通信標(biāo)準(zhǔn)[1]。

某紡織廠實(shí)施的信息化系統(tǒng)車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)采用西門子公司的Profibus DP現(xiàn)場(chǎng)總線為主干網(wǎng)絡(luò)，成熟且應(yīng)用可靠。該廠3條清梳聯(lián)生產(chǎn)線40臺(tái)梳棉機(jī)，配備的勻整控制裝置均具有標(biāo)準(zhǔn)的RS- 485通信口，支持Modbus協(xié)議通信[2]，要使其集成到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，須添加協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊或者其他通信設(shè)備來(lái)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的集成。

在本設(shè)計(jì)中，采用NT50-DP-RS網(wǎng)關(guān)橋模塊將梳棉機(jī)勻整控制器使用的Modbus通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成Profibus-DP通信協(xié)議，間接地將梳棉機(jī)集成到底層主干總線網(wǎng)絡(luò)中，方便、經(jīng)濟(jì)且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 1所示。考慮到信息量和實(shí)時(shí)性的要求，每4臺(tái)梳棉機(jī)單機(jī)設(shè)備通過(guò)Modbus通信線串行連接組成Modbus小網(wǎng)絡(luò)；Modbus小網(wǎng)絡(luò)連接到NT50網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)Modbus協(xié)議到Profibus-DP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，間接并入主干Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中；各主站通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接到工業(yè)級(jí)交換機(jī)上，經(jīng)光纖連接至監(jiān)控室服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與底層梳棉機(jī)勻整控制系統(tǒng)的物理線路連接[3]。

圖1 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

1.2 NT50網(wǎng)關(guān)

NT50網(wǎng)關(guān)橋是德國(guó)赫優(yōu)訊公司開(kāi)發(fā)的專門用于總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的設(shè)備，可以進(jìn)行多種總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的是NT50-DP-RS網(wǎng)關(guān)即Modbus轉(zhuǎn)Profibus的通信模塊[4]。

如圖 2所示，網(wǎng)關(guān)橋具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信端口(X2、X3)，用于硬件連接和故障診斷。X2口為DP通信端口，可以將網(wǎng)關(guān)連接到Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)中；X3為標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)口，可以根據(jù)不同的接線連接RS-232設(shè)備、RS-485設(shè)備，在此使用網(wǎng)口中的引腳4和5連接RS-485設(shè)備，用于Modbus通信?？梢酝ㄟ^(guò)網(wǎng)關(guān)上的指示燈判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和診斷故障，如通過(guò)1號(hào)SYS燈判斷設(shè)備是否在正常運(yùn)行情況，通過(guò)2號(hào)APL燈判斷設(shè)備X2口和X3口的通信情況是否存在異常，4號(hào)燈可以查看網(wǎng)關(guān)橋與主站的通信狀態(tài)，通過(guò)5號(hào)燈查看當(dāng)網(wǎng)關(guān)作為Modbus主站時(shí)與底層從站的通信是否建立，8/9號(hào)燈的閃爍顯示是否與Modbus從站通信。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件

NT50網(wǎng)關(guān)功能強(qiáng)大，可以作多種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在通信端口X2中可以選擇ASCII、CANopen Master、Modbus RTU、Profibus-DP Master、Profibus-DP Slave等功能項(xiàng)，在通信端口X3中可以選擇Modbus RTU、ASCII、Open Modbus/TCP、Profinet IO Device等協(xié)議通信。在此配置X2為Profibus-DP Slave，配置X3為Modbus RTU，當(dāng)兩個(gè)通信端口的通信協(xié)議選擇好后，對(duì)應(yīng)的Fireware會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)。NT50還可以對(duì)讀取的字作自動(dòng)高低字節(jié)轉(zhuǎn)換，便于不同PLC之間通信時(shí)的數(shù)據(jù)處理，減少程序的編寫。同時(shí)，NT50在Profibus-DP通信中可以根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)節(jié)通信速率，并且支持同步鎖存、安全模式以及報(bào)文DPV1等擴(kuò)展功能，用于要求實(shí)時(shí)性高、安全性強(qiáng)的總線通信。

NT50具有故障診斷功能，可以通過(guò)狀態(tài)信號(hào)燈對(duì)通信連接等簡(jiǎn)單故障作出判斷，更可以通過(guò)軟件在線診斷，診斷網(wǎng)關(guān)作為Profibus-DP Slave、Modbus RTU和Gateway的通信信息，包括監(jiān)視系統(tǒng)與從站通信交換的字節(jié)內(nèi)容、通信狀態(tài)等。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門子S7系列CPU-317 2DP作為DP網(wǎng)絡(luò)的控制主站、NT50網(wǎng)關(guān)作為DP從站，各自功能的完成均需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

使用SYCON軟件可對(duì)NT50進(jìn)行配置，設(shè)置網(wǎng)關(guān)的不同通信參數(shù)。軟件可以獨(dú)立于硬件之外，使得全部設(shè)計(jì)便于保存系統(tǒng)文件，而且能夠避免清潔或者維修時(shí)的誤動(dòng)作導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤。

2.1.1 DP從站參數(shù)設(shè)定

網(wǎng)關(guān)兩個(gè)通信口各自的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)需要在軟件中選擇確定，網(wǎng)關(guān)以DP從站和Modbus主站的身份鏈接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

在Profibus-Slave設(shè)置菜單中設(shè)定網(wǎng)關(guān)橋作為DP從站的參數(shù)，在此菜單中設(shè)置網(wǎng)關(guān)橋作為DP從站的地址、波特率等基本參數(shù)。根據(jù)與底層Modbus從站通信的信息量，配置用于交換的數(shù)據(jù)量，可以是字或者字節(jié)。在此需要注意的是，每個(gè)網(wǎng)關(guān)的輸入輸出最多僅支持120個(gè)字即240字節(jié)的數(shù)據(jù)交換，且各個(gè)slot中字節(jié)或者字的配置必須與主站組態(tài)軟件Step7中的配置完全一致[4]。

2.1.2 Modbus主站

網(wǎng)關(guān)橋在Modbus網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定為Modbus主站，在Modbus-RTU菜單中進(jìn)行組態(tài)。根據(jù)勻整控制器控制系統(tǒng)即現(xiàn)在的Modbus從站的通信格式設(shè)定通信協(xié)議參數(shù)，將通信接口類型設(shè)定為RS-485通信，波特率為9 600 kbit/s，無(wú)校驗(yàn)等[5]。

主站對(duì)底層從站不同功能的完成需要通過(guò)功能碼命令實(shí)現(xiàn)，如表 1所示。在此選擇功能碼FC3來(lái)讀取Modbus從站的寄存器，獲取需要的16位寄存器數(shù)據(jù)，選擇功能碼FC1和FC2讀取底層控制器的I/O信息。在命令表中還可以設(shè)置從站讀取數(shù)據(jù)的首地址、寄存器或者線圈數(shù)。

表1 功能碼命令表

DP從站和Modbus主站的配置完成后，網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各自的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在需要做的就是將兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接起來(lái)，完成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)必要的映射。映射方式可以分為兩種，一種是系統(tǒng)自動(dòng)映射功能，另一種是根據(jù)需要的寄存器數(shù)量和排位手動(dòng)完成映射。由于在許多工程中映射的需求不同，本系統(tǒng)也選擇手動(dòng)來(lái)完成映射。數(shù)據(jù)映射的一般規(guī)則總是把Receive的數(shù)據(jù)映射至Send的數(shù)據(jù)，Receive的方向是網(wǎng)關(guān)上某一接口接收的數(shù)據(jù)，Send的方向則是網(wǎng)關(guān)上另一個(gè)接口發(fā)送數(shù)據(jù)，映射過(guò)程如圖3所示。

圖3 映射過(guò)程

由圖3可知，可以在Mapped Signals對(duì)話框中查看映射結(jié)果，作出檢查，如果映射結(jié)果不符合要求，則可再次根據(jù)需要完成映射。至此完成網(wǎng)關(guān)的所有配置。右擊網(wǎng)關(guān)，選擇 Download 將配置文件下載到網(wǎng)關(guān)中。根據(jù)所下載的固件版本和配置文件，上電運(yùn)行網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)通信工作。

2.2 S7 PLC組態(tài)

使用Step7軟件將Profibus總線網(wǎng)絡(luò)的主站以及所拖帶的從站全部進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)配置：在硬件組態(tài)畫面中添加機(jī)架，插入電源、S7-300 PLC等主站組態(tài)信息，在主站的Profibus電纜上添加組態(tài)的從站NT50，配置從站的站地址、通信參數(shù)、交換字節(jié)數(shù)等。其中從站各slot中的數(shù)據(jù)配置必須與NT50在SYCON軟件中的配置一致，在主站的配置信息中確定主站的循環(huán)時(shí)間、診斷等參數(shù)信息。隨后，將硬件組態(tài)下載到西門子PLC中，如果錯(cuò)誤，檢查顯示燈全部熄滅，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)成功[3]。

硬件組態(tài)無(wú)誤后，在各個(gè)系統(tǒng)塊如組織塊和數(shù)據(jù)塊中進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信和底層數(shù)據(jù)的讀取。在組織塊OB1中編寫程序，完成系統(tǒng)通信和控制功能。為了減少主程序的程序量和循環(huán)時(shí)間，編寫函數(shù)，用于主程序的調(diào)用，完成主要功能，部分程序的功能在FC311等函數(shù)中完成。

3 工程實(shí)際應(yīng)用

系統(tǒng)通過(guò)軟、硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了紡紗生產(chǎn)過(guò)程中梳棉工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成和處理。

上位機(jī)采用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[6]。由一百多幅畫面動(dòng)態(tài)顯示梳棉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)信息；有幾十個(gè)報(bào)表根據(jù)用戶需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；從單機(jī)監(jiān)控畫面中可以直觀地看到單機(jī)設(shè)備的動(dòng)態(tài)運(yùn)行畫面，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、錫林速度、出條速度等生產(chǎn)信息。對(duì)于一些比較詳細(xì)的生產(chǎn)參數(shù)如打手速度、前后傳感器、CV值等則以表格的形式顯現(xiàn)，具體信息如表 2所示。

表2 監(jiān)控畫面參數(shù)

對(duì)于生產(chǎn)數(shù)據(jù)如CV值，生成歷史數(shù)據(jù)曲線供采集觀察。當(dāng)生產(chǎn)速度跟設(shè)定速度不匹配時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警；同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)產(chǎn)量信息，并在每個(gè)班做出報(bào)表統(tǒng)計(jì)規(guī)劃，存檔供以后查詢使用。

基于這些信息，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線故障診斷和報(bào)警等功能，并且可以完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和合理分配資源。系統(tǒng)的基本功能和優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)狀態(tài)以及效率等參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)訂單跟蹤、產(chǎn)量評(píng)估等，為企業(yè)管理人員決策管理提供參考。

(2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能。系統(tǒng)根據(jù)用戶需求對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、顯示、記錄與分析。實(shí)時(shí)顯示各機(jī)臺(tái)的工藝流程圖畫面；在同一屏幕按照機(jī)臺(tái)的車間布局及實(shí)際位置，實(shí)時(shí)在線顯示機(jī)臺(tái)當(dāng)前狀態(tài)和運(yùn)行過(guò)程，用不同的顏色表示正常運(yùn)行、故障停機(jī)、停臺(tái)、斷電等狀態(tài)；實(shí)時(shí)采集顯示機(jī)臺(tái)的運(yùn)行參數(shù)、生產(chǎn)信息以及各故障信息并報(bào)警，重要參數(shù)的歷史曲線回溯功能；實(shí)時(shí)周期記錄關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)(比如計(jì)長(zhǎng)、效率、停車次數(shù)等)，并以曲線、棒圖等圖形方式顯示參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，協(xié)助工藝人員進(jìn)行數(shù)據(jù)縱向和橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

(3)有效的生產(chǎn)管理功能。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要自動(dòng)生產(chǎn)班次表，自動(dòng)進(jìn)行倒班班次調(diào)整，自動(dòng)處理節(jié)假日調(diào)休，并可以按工序、生產(chǎn)統(tǒng)籌區(qū)域進(jìn)行設(shè)備手動(dòng)或自動(dòng)換班，滿足上位機(jī)到點(diǎn)自動(dòng)換班和下位機(jī)擋車工手動(dòng)換班的要求。

(4)系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性較高、易于維護(hù)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)，利用網(wǎng)關(guān)橋協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成不同協(xié)議總線網(wǎng)絡(luò)的集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)梳棉工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)的獲取和運(yùn)行信息的監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理。自本系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，底層主干網(wǎng)絡(luò)的通信正常穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)任何軟硬件的問(wèn)題，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工序監(jiān)控的實(shí)時(shí)有效。實(shí)踐證明，PLC通過(guò)NT50 DP-RS總線橋與Modbus RTU設(shè)備通信實(shí)現(xiàn)梳棉機(jī)信息化網(wǎng)絡(luò)集成是一種行之有效的方法。

[1] 王永華, Verwer A(英)．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M]．2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012:74-90

[2] 從順章，楊麗麗，尚旭輝.梳棉機(jī)智能型自調(diào)勻整控制底層控制系統(tǒng)的研究[J].紡織機(jī)械,2007(3):27-30.

[3] 崔堅(jiān),趙欣，任術(shù)才．西門子S7-可編程控制器-STEP7編程指南[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:37-62.

[4] 德國(guó)赫友訊自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司.德國(guó)赫優(yōu)訊NT-50-DP-RS網(wǎng)關(guān)操作指南[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5] 劉大千，楊斌，孫德輝.PROFIBUS-DP總線與Modbus總線通訊控制系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2013(12)：110-113.

[6] 甄立東．西門子WinCC V7基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：84-108.

Design of the Informatization System for Carding Process

Through investigating the informatization level of carding productive process in textile industry, the informatization construction of real time monitoring of the productive parameters of carding machine is researched, and the informztization system based on NT50 gateway is designed. In the system, the Modbus communication network is used in bottom layer; and then Profibus network is connected through gateway, finally the data interaction with database in host computer is conducted via industrial Ethernet. The important process parameters of more than one hundred of carding machines, including CV values, draft ratios, yields and speeds etc., are collected by the system in real time, and hundreds of monitoring graphics dynamically display productive parameters and related information. The practical engineering applications indicate that the system is capable to accomplish monitoring of the carding process and information management, thus the construction of informatization system for management and control in textile enterprises are effectively promoted.

Blowing-carding Profibus-DP Modbus NT50 gateway Textile informatization

河南省產(chǎn)學(xué)研合作基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：132107000003)；

河南省科技成果轉(zhuǎn)化基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：142201210006)。

毛乾貝(1989-)，男，現(xiàn)為鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)方面的研究。

TP274+.2;TH6

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510015

修改稿收到日期：2015-03-04。