基于Modbus協(xié)議的棉花加工測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)中國(guó)棉花加工過(guò)程中存在的加工設(shè)備故障率高、故障處理時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，研發(fā)了一套基于Modbus協(xié)議的棉花加工測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)棉花加工設(shè)備運(yùn)行電流與轉(zhuǎn)速參數(shù)，采用數(shù)據(jù)挖掘故障診斷技術(shù)，分析加工設(shè)備故障特征，判斷加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中，傳感器與控制器之間采用Modbus RTU協(xié)議、觸摸屏與上位機(jī)之間采用Modbus TCP協(xié)議，確保設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的安全傳輸。棉花加工測(cè)控系統(tǒng)一個(gè)軋季的正常運(yùn)行，有效降低了設(shè)備故障率，減少了故障處理時(shí)間，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；電流檢測(cè)；轉(zhuǎn)速檢測(cè)；棉花加工；測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP277；TS113 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）11-2913-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.052

棉花加工的生產(chǎn)過(guò)程是指由原料子棉開(kāi)始到制成產(chǎn)品皮棉、短絨等的全部勞動(dòng)過(guò)程[1]，其工藝主要由子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理、集棉、打包、剝絨六個(gè)環(huán)節(jié)組成。在子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理和集棉環(huán)節(jié)，由于棉花喂給不均勻、子棉回潮率大等原因，存在加工設(shè)備堵棉、皮帶斷裂等故障。隨著中國(guó)近年棉花產(chǎn)量不斷提高，傳統(tǒng)的繼電器與單一的PLC的控制模式，檢測(cè)信息速度慢且信息量少[2]，致使加工設(shè)備很難同步協(xié)調(diào)工作，繼而造成加工設(shè)備故障率高、故障處理時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了棉花加工的產(chǎn)量與質(zhì)量。

本研究設(shè)計(jì)的棉花加工測(cè)控系統(tǒng)，根據(jù)Modbus協(xié)議簡(jiǎn)單、實(shí)施容易等特點(diǎn)，解決棉花加工過(guò)程中存在的設(shè)備故障率高、故障處理時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)的使用，降低了棉花加工過(guò)程的設(shè)備故障率，縮短了故障處理時(shí)間，提高了棉花加工產(chǎn)量與質(zhì)量。

1 Modbus協(xié)議及其分析

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過(guò)此協(xié)議，控制器及相互之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信[3-5]。Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等，并沒(méi)有規(guī)定物理層。協(xié)議的物理層可以是RS-232、RS-422、RS-485或TCP。與其他總線標(biāo)準(zhǔn)相比，Modbus協(xié)議具有協(xié)議簡(jiǎn)單、實(shí)施容易、性價(jià)比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[6，7]。

Modbus協(xié)議采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，如果某Slave站點(diǎn)斷開(kāi)后（如故障或關(guān)機(jī)），Master端可以加以診斷；而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動(dòng)接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較高[8]。在Modbus協(xié)議中，有多種協(xié)議代碼，本研究主要使用以下4種功能代碼（表1）。

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

測(cè)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、觸摸屏與控制器、傳感器等幾部分組成。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)棉花加工數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)功能；觸摸屏與控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析判斷、控制、傳輸、顯示功能；傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、傳輸功能；LED顯示屏實(shí)現(xiàn)車(chē)間加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警功能。棉花加工測(cè)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。2.2 Modbus傳感器設(shè)計(jì)

Modbus傳感器設(shè)計(jì)包括電流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。電流檢測(cè)裝置和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置主控芯片均采用宏晶科技生產(chǎn)的STC15F2K60S2單片機(jī)。

STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘的單片機(jī)，是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，且速度快8～12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘（±0.3%），±1%溫飄（-40～+85 ℃），常溫下溫飄±0.6%（-20～+65 ℃），5 MHz～35 MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路[9]。

2.2.1 電流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 電流檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)加工設(shè)備的電流值，并把測(cè)得的電流值通過(guò)Modbus RTU協(xié)議發(fā)送給PLC控制器，電流檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)16路電流的檢測(cè)。

電流檢測(cè)裝置主要由STC15F2K60S2、16路模擬量轉(zhuǎn)換電路、A/D采樣、DC/DC降壓電路、光耦隔離電路、RS-485電路組成。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于電流檢測(cè)裝置安裝的配電房存在多種干擾源，為了確保檢測(cè)裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在電流檢測(cè)裝置的通訊電路中增加光耦隔離電路，實(shí)現(xiàn)RS-485通訊電路的電氣隔離。

2.2.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)加工設(shè)備關(guān)鍵部位的轉(zhuǎn)速值，并把所測(cè)轉(zhuǎn)速值通過(guò)Modbus RTU協(xié)議發(fā)送給PLC控制器，以供控制器對(duì)加工設(shè)備工況進(jìn)行判斷。

轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置主要由STC15F2K60S2、脈沖信號(hào)檢測(cè)電路、DC/DC降壓電路、數(shù)碼管顯示電路、光耦隔離電路、RS-485電路組成。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置安裝在車(chē)間加工設(shè)備上，為了方便加工人員及時(shí)掌握所測(cè)加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速值，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置時(shí)增加數(shù)碼管顯示電路，實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速值。同樣，為了確保通訊的穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的通訊電路中，增加光耦電氣隔離電路，增強(qiáng)通訊的可靠性。

2.3 測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)

棉花加工設(shè)備在工作過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)堵棉、皮帶或鏈條斷裂、主軸失穩(wěn)等故障，通過(guò)研究與分析可知，根據(jù)電流和轉(zhuǎn)速的變化率，可區(qū)分出加工設(shè)備不同的工作狀態(tài)，具體如下。

1）當(dāng)加工設(shè)備正常工作時(shí)，其電流和轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，轉(zhuǎn)速曲線和電流曲線幾乎為一條直線。因此，在加工設(shè)備正常工作時(shí)，電流變化率di/dt≈0，轉(zhuǎn)速變化率a≈0。

2）當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)堵棉現(xiàn)象時(shí)，其電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。從圖5可以看出，轉(zhuǎn)速曲線迅速下降為0，電流曲線迅速上升，達(dá)到一定值時(shí)保持不變，當(dāng)加工人員關(guān)斷加工設(shè)備電源后，電流曲線逐漸降低為零。因此，在加工設(shè)備電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)后的有限時(shí)間內(nèi)，電流變化率di/dt<0，轉(zhuǎn)速變化率a>0。

3）當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)皮帶或鏈條斷裂現(xiàn)象時(shí)，其電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。從圖6可以看出，轉(zhuǎn)速曲線迅速下降為0，電流曲線緩慢下降，下降到一定值時(shí)保持不變。因此，在加工設(shè)備電機(jī)出現(xiàn)皮帶或者鏈條斷裂現(xiàn)象后的有限時(shí)間內(nèi)，電流變化率di/dt<0，轉(zhuǎn)速變化率a<0。

4）當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)主軸失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，其轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖7所示。從圖7可以看出，電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線呈周期性變化。因此，在加工設(shè)備出現(xiàn)主軸失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，電流變化率|di/dt|>0，轉(zhuǎn)速變化率|a|>0。

通過(guò)以上分析可以看出，測(cè)控系統(tǒng)控制器通過(guò)計(jì)算檢測(cè)的加工設(shè)備電機(jī)的電流變化率和設(shè)備關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)速變化率，根據(jù)電流變化率和轉(zhuǎn)速變化率的不同，判斷出加工設(shè)備的工作狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的控制和其他處理。

2.4 測(cè)控系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理、集棉工藝環(huán)節(jié)加工設(shè)備的電流值與轉(zhuǎn)速值，通過(guò)Modbus RTU協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器；PLC控制器對(duì)檢測(cè)的電流值與轉(zhuǎn)速值進(jìn)行綜合分析判斷，把檢測(cè)數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果通過(guò)Modbus RTU協(xié)議傳輸給觸摸屏，觸摸屏顯示數(shù)據(jù)，并通過(guò)Modbus TCP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)，然后把統(tǒng)計(jì)結(jié)果提供給管理人員。

在子棉預(yù)處理環(huán)節(jié)，當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制器控制自動(dòng)喂花機(jī)的電機(jī)停止工作，停止喂花；在軋花、皮棉清理、集棉環(huán)節(jié)，當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制器控制軋花機(jī)開(kāi)合箱電機(jī)開(kāi)箱，停止軋花；在加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制器控制LED屏顯示器控制器，實(shí)現(xiàn)車(chē)間LED顯示屏故障報(bào)警顯示。測(cè)控系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件為測(cè)控系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)軟件。軟件采用VC6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)功能允許用戶透明地查詢和操作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例的數(shù)據(jù)，并使應(yīng)用程序看起來(lái)只有一個(gè)大型的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可以在任何一個(gè)場(chǎng)地執(zhí)行全局應(yīng)用，具有數(shù)據(jù)分布透明性和邏輯整體性等特點(diǎn)。

上位機(jī)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)車(chē)間內(nèi)所有采集的數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)車(chē)間加工設(shè)備故障原因、故障時(shí)間、故障率。上位機(jī)軟件與車(chē)間觸摸屏通過(guò)Modbus TCP協(xié)議通訊，把所采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

進(jìn)入主界面后，可以選擇查看所檢測(cè)加工設(shè)備的電流曲線與轉(zhuǎn)速曲線，當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可在故障報(bào)警界面查看故障原因、故障處理時(shí)間等相關(guān)故障信息。

4 小結(jié)

基于Modbus協(xié)議的棉花加工測(cè)控系統(tǒng)，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師新湖總場(chǎng)新旺社區(qū)棉花加工廠安裝使用，將棉花加工設(shè)備的參數(shù)檢測(cè)、分析判斷與自動(dòng)控制相結(jié)合，降低棉花加工設(shè)備故障率10%，縮短故障處理時(shí)間30%，提高了生產(chǎn)效率；基于Modbus協(xié)議的棉花加工測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程設(shè)備故障率、故障原因統(tǒng)計(jì)，為管理人員生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

隨著棉花加工測(cè)控系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，以及系統(tǒng)的推廣使用，將為棉花加工過(guò)程的信息化、智能化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐炳炎.棉花加工新工藝與設(shè)備[M].北京：機(jī)械出版社，2002.

[2] 張 順，張錦石.機(jī)采棉加工微電腦智能控制系統(tǒng)[J].中國(guó)棉花加工，2014（2）：17-19.

[3] 何凌霄，林凡強(qiáng).基于MODBUS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)測(cè)控系統(tǒng)[J].電子科技，2013（9）：148-151.

[4] 鄧元生. 基于單片機(jī)的MODBUS總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[5] 陳 銘.基于MODBUS協(xié)議的設(shè)備和PLC實(shí)現(xiàn)通訊的研究[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30（4）：60-62.

[6] 張世界，蔣 健，宋 彬.一種基于Modbus協(xié)議的多總線工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)[J].今日電子，2012（1）：55-57.

[7] 王小鵬，張九強(qiáng).MODBUS在智能保護(hù)裝置上的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2011（1）：190-192.

[8] 王佳承，費(fèi)敏銳，王海寬.基于Modbus的多現(xiàn)場(chǎng)總線集成測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2009，30（6）：20-25.

[9] 陳桂友.單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2012.