基于.NET平臺(tái)的竹節(jié)紗管理監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

楊奉偉 劉燕卿 徐伯俊 謝春萍 蘇旭中

(江南大學(xué)，江蘇無錫，214122)

竹節(jié)紗是花式紗線的重要品種之一，即在單紗的長(zhǎng)度方向上分布有粗細(xì)節(jié)狀態(tài)，其產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，如窗簾，牛仔布，裝飾用品等。竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)主要包括基紗號(hào)數(shù)、竹節(jié)號(hào)數(shù)、節(jié)距及節(jié)長(zhǎng)等，影響竹節(jié)紗表面竹節(jié)分布及粗細(xì)分布[1-2]?？紤]到竹節(jié)紗工藝參數(shù)設(shè)置的方便快捷，節(jié)長(zhǎng)、節(jié)粗等重要工藝參數(shù)的快速有效設(shè)置，以及工藝參數(shù)的存儲(chǔ)，開發(fā)一種可在PC端進(jìn)行操作的竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)修改以及工藝的存儲(chǔ)和提取，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

考慮到竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，客戶端主機(jī)通過PPI協(xié)議直接與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備相互通信，其優(yōu)點(diǎn)在于無需增加其他組態(tài)軟件即可實(shí)現(xiàn)與西門子S7-200系列PLC通信。同時(shí)該系統(tǒng)也具有很大的可移植性，有利于現(xiàn)階段竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造。

1 竹節(jié)紗紡紗原理

竹節(jié)紗按生產(chǎn)原理可分為變牽伸型、植入型、涂色型、纖維型，其中變牽伸型是通過不斷改變細(xì)紗機(jī)中后羅拉的速度來控制紗線的后區(qū)牽伸倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制細(xì)紗的粗細(xì)節(jié)分布，竹節(jié)紗形成原理如圖1所示。由江南大學(xué)研發(fā)的數(shù)字智能竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備就是采用了上述原理，節(jié)長(zhǎng)等工藝參數(shù)可根據(jù)需求任意調(diào)節(jié)。中后羅拉速度根據(jù)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖1 竹節(jié)紗形成原理

圖2 中后羅拉變速原理

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本軟件的開發(fā)是為了解決在竹節(jié)紗生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的存儲(chǔ)、修改和查詢時(shí)，設(shè)置與核對(duì)易出錯(cuò)等問題而開發(fā)的。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)如下的功能。

(1)能夠?qū)χ窆?jié)紗生產(chǎn)過程中的單修正系數(shù)、雙修正系數(shù)、模糊方式的選擇、前羅拉轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)速等基本的工藝參數(shù)實(shí)時(shí)查看和修改。

(2)工藝參數(shù)的錄入與保存。長(zhǎng)度與倍率參數(shù)決定了竹節(jié)紗的節(jié)長(zhǎng)、節(jié)距和節(jié)粗，進(jìn)而決定著竹節(jié)紗織物的外觀特征。

(3)工藝參數(shù)的查詢和載入。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)庫查詢，將工藝參數(shù)快速地從數(shù)據(jù)庫中提取到軟件相應(yīng)的位置。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

竹節(jié)紗管理在線監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，能夠?qū)崟r(shí)修改和監(jiān)視竹節(jié)紗的生產(chǎn)過程。硬件部分是在原有的竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行改造，取代觸摸屏的部分，采用PC與S7-200系列的PLC相連接。它的硬件組成部分主要包括普通PC、PLC、伺服電機(jī)、細(xì)紗機(jī)，其中PC與PLC采用PPI協(xié)議專用電纜連接。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能，以及竹節(jié)紗生產(chǎn)過程中所需的工藝參數(shù)，將系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。主界面與監(jiān)控界面中包括竹節(jié)紗生產(chǎn)的基本工藝參數(shù)，如輪系系數(shù)、紡紗方式、單修正系數(shù)、雙修正系數(shù)等；竹節(jié)紗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如前羅拉轉(zhuǎn)速、速度控制門限、錠速、生產(chǎn)效率以及節(jié)長(zhǎng)、節(jié)粗等各項(xiàng)參數(shù)。主界面與監(jiān)控界面與通信程序相連接，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前竹節(jié)紗參數(shù)，修改竹節(jié)紗的各項(xiàng)參數(shù)。品種查詢和品種創(chuàng)新界面主要包括保存品種、查詢品種、刪除品種等操作，并與SQL數(shù)據(jù)庫相鏈接，用戶可以通過訪問數(shù)據(jù)庫的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)新工藝的存儲(chǔ)和舊工藝的提取等。

圖3 系統(tǒng)終端的功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 通信程序設(shè)計(jì)

PLC作為竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的控制核心，內(nèi)部存儲(chǔ)大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)等重要數(shù)據(jù)。通信程序基于PPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)S7-200系列PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的監(jiān)控與控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控與控制。

3.1 PPI通信協(xié)議

在竹節(jié)紗監(jiān)控軟件的開發(fā)過程中，需要PC端與S7-200系列PLC連接，因此需要選取合適的通信方式。S7-200系列的PLC支持4種通訊協(xié)議，包括MPI、Modbus、PPI和自由口通信[3]。其中MPI和Modbus通訊都需要額外的模塊支持，若采用自由口通信，實(shí)現(xiàn)起來較困難，通信協(xié)議不穩(wěn)定，也會(huì)占用PLC內(nèi)部有限的存儲(chǔ)空間；目前已有郭在峰基于Modbus通信實(shí)現(xiàn)了與S7-200系列PLC的通信[4]，但是采用Modbus通信需要在上位機(jī)和PLC中都編寫對(duì)應(yīng)的通信程序，不便于后期系統(tǒng)的維護(hù)和修改。采用PPI通訊只需要上位機(jī)按照PPI協(xié)議編寫程序，即可與PLC進(jìn)行通信，無需在PLC中編寫通信程序，針對(duì)本軟件來說，極大地節(jié)省了PLC內(nèi)部有限的存儲(chǔ)空間。PPI協(xié)議通訊采用主從方式，主設(shè)備為 PC，從設(shè)備為 PLC。一個(gè)完整的讀寫過程如圖4所示。

圖4 PPI協(xié)議通訊流程圖

3.2 PPI協(xié)議讀寫過程

關(guān)于指令的編寫，何德軍、盧志俊、彭魏臻等已進(jìn)行了詳細(xì)的研究[5-7]， 因此不在此進(jìn)行過多介紹，但是對(duì)于PPI協(xié)議的地址協(xié)議指令需要根據(jù)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備實(shí)際的生產(chǎn)過程進(jìn)行相應(yīng)的修改。

3.2.1 PPI協(xié)議地址

在竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備中，PLC內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可分為6類參數(shù)，包括生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)量管理參數(shù)、機(jī)臺(tái)性能監(jiān)測(cè)參數(shù)、系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)及報(bào)警信息參數(shù)。每個(gè)分類下面又分多個(gè)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)在PLC內(nèi)部都有一個(gè)唯一的地址，通過讀取該地址寄存器的值來獲取對(duì)應(yīng)參數(shù)的值。每個(gè)參數(shù)在PLC內(nèi)部根據(jù)功能不同存儲(chǔ)為不同的軟元件類型，在利用PPI協(xié)議讀取相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)時(shí)需根據(jù)參數(shù)不同采用不同的功能碼，同時(shí)讀取地址也需加上偏移量指針，見表1。

表1竹節(jié)紗內(nèi)部參數(shù)地址偏移

生產(chǎn)參數(shù)軟元件類型軟元件功能碼存儲(chǔ)地址數(shù)據(jù)通信地址前羅拉轉(zhuǎn)速模糊非模糊紡紗方式 紡紗時(shí)間 VWMST8483041F5126010.151000H01E0H0058H0028H

3.2.2 PPI協(xié)議指令

PPI協(xié)議指令的正確運(yùn)用對(duì)于竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要，同時(shí)也影響著竹節(jié)紗的生產(chǎn)質(zhì)量。該協(xié)議指令分為讀寫指令，在竹節(jié)紗設(shè)備正常運(yùn)行過程中，不能隨意更改竹節(jié)紗生產(chǎn)數(shù)據(jù)，否則影響正常生產(chǎn)。因此為了杜絕此類誤操作，在編寫程序時(shí)需對(duì)用戶指令進(jìn)行分類與區(qū)別對(duì)待，如在設(shè)備運(yùn)行時(shí)無法發(fā)送修改竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)指令，并提示錯(cuò)誤等，如圖5所示。

圖5 指令調(diào)用確認(rèn)流程圖

3.3 通信程序設(shè)計(jì)

3.3.1 通信程序流程

在C#.NET環(huán)境中，一般利用計(jì)算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC的通信。采用串行通信方式性能可靠，操作簡(jiǎn)單。SerialPort控件與MSComm控件都能實(shí)現(xiàn)與PLC下位機(jī)的通信[8-9]，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，本軟件采用了MSComm控件，此控件是Microsoft公式提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的Active控件，此控件可以用來創(chuàng)建功能完備事件驅(qū)動(dòng)的通信程序，也能夠用來提供本軟件所需要的串行端口通信功能。此串口通信程序的設(shè)計(jì)圖如圖6所示。

整個(gè)通信的過程主要包括通信數(shù)據(jù)的寫入和PLC應(yīng)答數(shù)據(jù)的解析。通信數(shù)據(jù)的寫入是指在通信開始之前，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的操作，自動(dòng)選取對(duì)應(yīng)的通信串口，并對(duì)串口進(jìn)行初始化，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)生成符合PPI協(xié)議的主機(jī)發(fā)送指令。PLC應(yīng)答數(shù)據(jù)的解析是指在PLC收到主機(jī)讀寫指令后，回復(fù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)回復(fù)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度以及關(guān)鍵字節(jié)的值來判斷是否通信正常。讀取數(shù)據(jù)操作還需對(duì)回復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)字節(jié)數(shù)據(jù)的解析，以提取出需要的數(shù)據(jù)，寫入數(shù)據(jù)無需進(jìn)行此項(xiàng)操作。

圖6 通信程序流程圖

3.3.2 通信數(shù)據(jù)的解碼

通信程序發(fā)送成功后PLC回復(fù)包含所需數(shù)據(jù)的全部信息，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，表2為讀取竹節(jié)紗第一段節(jié)長(zhǎng)PLC的應(yīng)答數(shù)據(jù)。

表2PLC應(yīng)答數(shù)據(jù)分析

字節(jié)編號(hào)字節(jié)含義字節(jié)數(shù)據(jù)2122232425262728返回值 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 實(shí)際返回值實(shí)際返回值校檢碼 校檢碼 結(jié)束符 FF04000016XXXX16

Byte24-25為數(shù)據(jù)區(qū)塊，這一部分為實(shí)際需要讀取到的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行解碼，讀取的數(shù)據(jù)為0016H，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后為22，因此第一段節(jié)長(zhǎng)為22 cm，數(shù)據(jù)單位根據(jù)參數(shù)類型不同而定。根據(jù)用戶需要讀取數(shù)據(jù)的類型和長(zhǎng)度的不同，PLC回復(fù)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也有所不同，相對(duì)應(yīng)需要解碼的數(shù)據(jù)區(qū)塊的字節(jié)數(shù)也不同，見表3。

表3數(shù)據(jù)解碼區(qū)間對(duì)應(yīng)表

數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)回復(fù)長(zhǎng)度截取區(qū)間驗(yàn)證字節(jié)位 單字雙字121293333Byte26Byte25-28Byte25-28Byte18=00HByte18=00HByte18=00H

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 數(shù)據(jù)庫流程

在SQL數(shù)據(jù)庫的使用過程中，主要是通過對(duì)應(yīng)的SQL語句實(shí)現(xiàn)對(duì)竹節(jié)紗工藝的存儲(chǔ)、提取和查詢操作。其程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)庫程序流程設(shè)計(jì)圖

3.4.2 ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)

作為將用戶應(yīng)用程序與SQL數(shù)據(jù)庫相鏈接的紐帶，ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)可將程序中的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，也可將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)提取到內(nèi)存中供程序調(diào)用，這是本系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的技術(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)包含兩個(gè)核心組件Dataset和Data Provider程序，Dataset對(duì)象主要用于存儲(chǔ)用戶暫時(shí)調(diào)用的竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備中的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，Data Provider程序則是上述實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)執(zhí)行SQL命令來存取竹節(jié)紗生產(chǎn)數(shù)據(jù)。其存取數(shù)據(jù)的一般過程如圖8所示。

圖8 ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問流程

3.5 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取C#作為開發(fā)語言，C#十分適合開發(fā)運(yùn)行在Windows設(shè)備下的應(yīng)用程序，介于目前工廠中采用的計(jì)算機(jī)大部分都是運(yùn)行在 Windows環(huán)境下，因此本系統(tǒng)主要采用C#為主要編程語言。

系統(tǒng)界面主要分為4個(gè)部分：主界面、監(jiān)控界面、品種查詢與品種創(chuàng)建界面。主界面與監(jiān)控界面中包括竹節(jié)紗的各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、節(jié)長(zhǎng)與節(jié)粗等各項(xiàng)參數(shù)，并且與串口通信程序鏈接?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)以及當(dāng)前竹節(jié)紗參數(shù)，修改竹節(jié)紗的各項(xiàng)參數(shù)。品種查詢和品種創(chuàng)建界面借助ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)與SQL數(shù)據(jù)庫相連接，用戶可以通過訪問數(shù)據(jù)庫的方式調(diào)用以前的工藝以及進(jìn)行對(duì)新工藝的存儲(chǔ)操作。

4 系統(tǒng)調(diào)試

紡制的竹節(jié)紗號(hào)數(shù)20.5 tex，節(jié)長(zhǎng)15 cm～26 cm，節(jié)距35 cm～45 cm，節(jié)粗2.5倍，其生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表4。將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的竹節(jié)紗產(chǎn)量與實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)量對(duì)比，誤差率均小于1%，低于規(guī)定誤差。

表4竹節(jié)紗生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

機(jī)器編號(hào)終端產(chǎn)量/km實(shí)際產(chǎn)量/km誤差/km誤差率/%123422.6316.7419.8527.5622.7116.6919.7927.680.080.050.060.120.350.290.300.43

圖9為實(shí)際監(jiān)測(cè)的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，用戶點(diǎn)擊運(yùn)行監(jiān)測(cè)按鈕即可監(jiān)控當(dāng)前竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。但為保證機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)按計(jì)劃進(jìn)行，此界面用戶無法對(duì)生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行修改，只有查看權(quán)限，以保證機(jī)器正常運(yùn)行。圖10為用戶品種創(chuàng)建界面，用戶可根據(jù)實(shí)際紡紗工藝填寫對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊保存品種即可將當(dāng)前工藝存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，點(diǎn)擊發(fā)送機(jī)號(hào)即可選擇要發(fā)送的機(jī)臺(tái)，并將數(shù)據(jù)送到對(duì)應(yīng)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備。圖11 為品種查詢界面，用戶可查詢過往生產(chǎn)工藝或直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)工藝單。

圖9 用戶監(jiān)控界面

圖10 品種創(chuàng)建界面

圖11 品種查詢界面

5 結(jié)語

本文通過解析PPI協(xié)議指令，并加以總結(jié)與測(cè)試，利用計(jì)算機(jī)語言C#集成開發(fā)了竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控軟件。實(shí)踐證明，本竹節(jié)紗監(jiān)控軟件無需使用西門子相關(guān)通信驅(qū)動(dòng)程序，通過PC端讀寫西門子S7-200系列PLC對(duì)應(yīng)地址中的數(shù)據(jù)，可在線修改、存儲(chǔ)以及監(jiān)控竹節(jié)紗生產(chǎn)過程中的對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)。該監(jiān)控軟件易于開發(fā)，無需其他組態(tài)軟件，投資較少且運(yùn)行穩(wěn)定，通過PC端監(jiān)控竹節(jié)紗生產(chǎn)，相比于觸摸屏更加方便快捷，對(duì)于開發(fā)其他小型監(jiān)控系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。