基于PLC與NET的竹節(jié)紗智能控制系統(tǒng)

楊奉偉，劉燕卿，徐伯俊，謝春萍，蘇旭中

（江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫 214122）

0 引言

當(dāng)前紡織工業(yè)的發(fā)展已進入新時代，面臨著由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，紡織行業(yè)信息化水平也不斷提高。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過將紡織設(shè)備與人相連，設(shè)備與設(shè)備相連，借助對應(yīng)的執(zhí)行系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)進行采集、傳輸與應(yīng)用，有利于加快紡織行業(yè)的數(shù)字化、智能化進程[1]。

竹節(jié)紗是花式紗線的重要品種之一，即在單紗的長度方向上分布有粗細節(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)主要包括基紗號數(shù)，竹節(jié)號數(shù)，節(jié)距及節(jié)長等，影響竹節(jié)紗表面竹節(jié)分布及粗細分布[2,3]?？紤]到竹節(jié)紗工藝參數(shù)設(shè)置的方面快捷，竹節(jié)長度，竹節(jié)倍率等重要工藝參數(shù)的快速設(shè)置及竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的在線監(jiān)控，基于微信公眾品臺，開發(fā)一種在線生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)以降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

將微信作為智能硬件的入口，第三方硬件廠商也可通過該平臺提供的接口與微信用戶交互[4]。相比于自主開發(fā)竹節(jié)紗智能控制系統(tǒng)終端，利用微信公眾品平臺開發(fā)該終端更加方便快捷，同時該平臺具有技術(shù)穩(wěn)定成熟，用戶群體龐大，開發(fā)成本低等優(yōu)點，這也是自主開發(fā)所無法比擬的。因此本文利用微信公眾平臺、.NET語言、Internet網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)PLC開發(fā)了竹節(jié)紗智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可遠程控制生產(chǎn)機器的運行狀態(tài)、修改及監(jiān)控生產(chǎn)工藝參數(shù)等功能。該系統(tǒng)設(shè)計成本低，且終端穩(wěn)定，用戶無需安裝第三方軟件即可遠程控制生產(chǎn)設(shè)備。

1 系統(tǒng)整體方案

該系統(tǒng)主要分為三部分，用戶應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與控制層，如圖1所示，控制層由.Net平臺開發(fā)的竹節(jié)紗在線監(jiān)控系統(tǒng)的窗口應(yīng)用程序構(gòu)成，該程序通過將計算機與工業(yè)PLC進行交互來獲取和傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到本地MYSQL數(shù)據(jù)庫中供用戶調(diào)用。工業(yè)PLC作為竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的控制中樞存儲著大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括機器運行狀態(tài)，竹節(jié)紗生產(chǎn)工藝參數(shù)如長度與倍率、生產(chǎn)批次、竹節(jié)紗模糊方式等重要數(shù)據(jù)[5]。利用.Net平臺開發(fā)竹節(jié)紗在線監(jiān)控系統(tǒng)的窗口應(yīng)用程序，該程序通過向PLC對應(yīng)地址中發(fā)送數(shù)據(jù)可修改生產(chǎn)工藝參數(shù)及機器運行狀態(tài)，并將監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)上傳到本地數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡(luò)層基于.Net平臺開發(fā)本地服務(wù)器作為搭建整個系統(tǒng)的中繼站，并利用NAT穿透技術(shù)將外網(wǎng)與本地計算機節(jié)點相連接，主要功能是將控制層與用戶應(yīng)用層互聯(lián)成網(wǎng)以訪問本地數(shù)據(jù)庫，負責(zé)接受用戶的命令，并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給控制層，并將控制層中相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸給用戶，用戶可實時遠程監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

用戶應(yīng)用層作為系統(tǒng)終端，負責(zé)與用戶交互，利用微信公眾平臺用戶可在手機、平板或PC發(fā)送命令，從而實現(xiàn)如竹節(jié)紗工藝參數(shù)收發(fā)、機器運行狀態(tài)查看、控制機器啟停等功能，同時作為服務(wù)于工廠實際生產(chǎn)的輔助控制系數(shù)，以保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全及機器運行穩(wěn)定。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 數(shù)據(jù)采集與控制

2.1 數(shù)據(jù)分類

在竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備中，PLC內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)可分為六類參數(shù)，包括生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)、參數(shù)設(shè)置、運轉(zhuǎn)產(chǎn)量管理參數(shù)、機臺性能監(jiān)測參數(shù)、系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)及報警信息參數(shù)。每個分類下面又分多個參數(shù)，每個參數(shù)在PLC內(nèi)部都有一個唯一的地址，可通過讀取該地址寄存器的值來獲取對應(yīng)參數(shù)的當(dāng)前值，表1為主要參數(shù)分類及其詳細參數(shù)舉例。

2.2 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議PC設(shè)備按照對應(yīng)的通訊格式編寫數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)與PLC的相互通信，該協(xié)議分為Modbus-RTU模式與Modbus-ASCII模式，本系統(tǒng)采用Modbus-RTU模式實現(xiàn)與PC端與PLC的交互，在.Net環(huán)境中按照對應(yīng)的信息格式編寫Modbus通信協(xié)議，利用串口進行數(shù)據(jù)的傳遞。

表2為讀取前羅拉轉(zhuǎn)速時Modbus通訊信息，其中前羅拉的轉(zhuǎn)速值的存儲地址為HD500在PLC內(nèi)部的Modbus地址為A274H，此時讀出的為0200H，即表示前羅拉轉(zhuǎn)速為512r/min。按照此種方法，參考用戶手冊給出的Modbus地址即可獲取PLC內(nèi)部全部數(shù)據(jù)。

2.3 采集與控制實現(xiàn)

竹節(jié)紗設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)大部分存儲在PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器（D、HD）及輔助繼電器（M、HM）中，其中數(shù)據(jù)寄存器中主要存儲各項生產(chǎn)參數(shù)及機器運行參數(shù)，輔助繼電器由PLC內(nèi)部軟元件的觸點驅(qū)動，存儲生產(chǎn)過程中機器的運行狀態(tài)，紗線種類等，只有打開與關(guān)閉兩種狀態(tài)[6]。無論寄存器還是繼電器都可通過Modbus通信協(xié)議讀取及修改PLC內(nèi)部對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)，表3為該系統(tǒng)生產(chǎn)監(jiān)控模塊主要參數(shù)地址及Modbus地址，此外還有其他多個模塊的參數(shù)地址，因篇幅限制，不在此列出。

2.4 用戶終端與本地應(yīng)用交互實現(xiàn)

系統(tǒng)本地應(yīng)用程序及用戶終端的Web頁面分別利用.NET下的WinForm與WebForm技術(shù)進行開發(fā)，在一般情況下Web界面是無法直接向WinForm應(yīng)用程序發(fā)送消息，本系統(tǒng)利用Web Service實現(xiàn)遠程終端利用本地應(yīng)用程序中的MSComm控件讀取PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回到Web界面，從而實現(xiàn)用戶終端與本地應(yīng)用的交互，進而使終端用戶通過點擊Web界面即可直接獲取到PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)，無需經(jīng)過數(shù)據(jù)庫，減少了用戶訪問延遲，十分適合與讀取一些不需要存儲到數(shù)據(jù)庫，而又必須要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，如羅拉轉(zhuǎn)速，當(dāng)前紡紗長度等數(shù)據(jù)。圖2為Web Service服務(wù)在終端與本地程序中的作用。

表3 生產(chǎn)監(jiān)控模塊參數(shù)地址

圖2 Web Service服務(wù)作用圖

3 用戶終端設(shè)計

3.1 微信公眾平臺與服務(wù)器

微信公眾平臺與服務(wù)器之間的交互流程可簡單概括為：用戶發(fā)送消息或單擊公眾號自定義菜單，服務(wù)器收到用戶請求，微信服務(wù)器根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯回復(fù)給用戶對應(yīng)的消息，如視頻、文本、語音、地理位置等。這種工作流程與HTTP協(xié)議類似，即客戶端發(fā)送HTTP請求到服務(wù)器，如圖3所示，服務(wù)器端發(fā)送對應(yīng)HTTP響應(yīng)用戶請求[7,8]。本系統(tǒng)需要根據(jù)官方提供的接口來定制自己的公眾平臺，因此在開發(fā)過程中其交互方式略有不同，如圖4所示，當(dāng)用戶在微信里給公眾號發(fā)送消息或者單擊微信自定義菜單時，微信手機客戶端將這條消息發(fā)送到微信服務(wù)器。其次，微信服務(wù)器收到用戶的請求后，根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯再將消息推送給開發(fā)者設(shè)置的服務(wù)器地址（URL），這個服務(wù)器地址對于微信服務(wù)器來說就是一個服務(wù)器，微信服務(wù)器此時充當(dāng)?shù)氖强蛻舳说慕巧玔9]。開發(fā)者的服務(wù)器收到微信服務(wù)器推送過來的請求后，根據(jù)微信提供的規(guī)則解析出用戶發(fā)送的消息內(nèi)容，然后再根據(jù)具體的業(yè)務(wù)邏輯將響應(yīng)的內(nèi)容回復(fù)給微信服務(wù)器，微信服務(wù)器再返回給用戶。

圖3 http協(xié)議收發(fā)原理

圖4 本系統(tǒng)信息收發(fā)原理

3.2 用戶權(quán)限管理

一般微信公眾平臺其服務(wù)器對于用戶是透明的，關(guān)注此公眾號的用戶可以獲得微信后臺的全部數(shù)據(jù)[10]。但是作為服務(wù)于工廠實際生產(chǎn)的系統(tǒng)，必須保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性，并且針對不同的關(guān)注用戶需要具有不同的權(quán)限，因此需要針對不同的用戶進行分類。本分類方式基于微信公眾平臺后臺的用戶數(shù)據(jù)，每個關(guān)注公眾號的用戶在后臺都具有一個唯一的ID，將這個ID進行分類后分別存儲在不同的數(shù)據(jù)表中，系統(tǒng)根據(jù)對應(yīng)數(shù)據(jù)表中的ID賦予用戶不同的權(quán)限，從而保證了數(shù)據(jù)安全性，如圖5所示。

圖5 用戶權(quán)限關(guān)系圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 基本消息的收發(fā)

對于已經(jīng)通過驗證的新用戶，公眾號后臺會自動識別用戶ID并回復(fù)對應(yīng)的信息，圖6為最高權(quán)限管理員所具有的權(quán)限及用戶回復(fù)1后得到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。新用戶通過回復(fù)對應(yīng)的字段即可查看對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如用戶回復(fù)1即可查看當(dāng)前設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)參數(shù)，回復(fù)6即可查看設(shè)備所有關(guān)鍵數(shù)據(jù)，圖7為用戶回復(fù)1后對應(yīng)生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，該公眾號回復(fù)的數(shù)據(jù)為當(dāng)前設(shè)備最新上傳的數(shù)據(jù)。

圖6 公眾平臺操作指南

4.2 生產(chǎn)設(shè)備在線控制與調(diào)試

根據(jù)公眾號自動回復(fù)的操作指南來獲取數(shù)據(jù)對于新授權(quán)的用戶來說是個比較有效的解決辦法，但是對于老用戶或者是比較熟悉該公眾平臺的用戶來說，根據(jù)提示來操作就顯得有些繁瑣，因此用戶也可直接回復(fù)對應(yīng)的命令來直接獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4.3 生產(chǎn)設(shè)備調(diào)試與錠速修改

針對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分類不同，向用戶采取不同的呈現(xiàn)形式，如生產(chǎn)設(shè)備的錠速這一數(shù)據(jù)采用曲線的方式呈現(xiàn)給用戶，更加的簡單明了，如圖8所示，用戶可直接在回復(fù)錠速曲線來獲取當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備的錠速曲線的圖文消息，通過點擊該圖文消息，即可跳轉(zhuǎn)到錠速曲線界面，也可在線修改錠速曲線。

4.4 竹節(jié)紗生產(chǎn)工藝參數(shù)查看與修改

圖7 機器生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)表

圖8 錠速曲線

用戶也可通過在微信端回復(fù)竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)來查看及修改當(dāng)前設(shè)備竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)，用戶通過點擊對應(yīng)的圖文消息跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)界面，如圖9所示，用戶點擊確認按鈕后新的竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)上傳到本地數(shù)據(jù)庫，然后本地應(yīng)用程序讀取數(shù)據(jù)庫中的信息上傳到PLC中繼而實現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)的變化，圖10為監(jiān)測到的PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)的變化，可以看到與用戶端修改數(shù)據(jù)是對應(yīng)的，說明生產(chǎn)參數(shù)修改成功。

圖9 竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)修改界面

5 結(jié)語

通過對微信公眾平臺的二次開發(fā)，將用戶的移動終端與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備相連，最終實現(xiàn)多用戶遠程實時監(jiān)控竹節(jié)紗生產(chǎn)。由實驗結(jié)果可知，用戶利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對竹節(jié)紗生產(chǎn)狀態(tài)的遠程監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置，遠程調(diào)試機器等功能并且一線工人，維修人員，管理人員根據(jù)職責(zé)分工不同可通過該系統(tǒng)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)及管理權(quán)限，無關(guān)人員即使關(guān)注了該公眾號也無法獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

圖10 PLC內(nèi)部竹節(jié)紗生產(chǎn)參數(shù)變化對比圖

采用此種物聯(lián)網(wǎng)與微信公眾平臺相結(jié)合的開發(fā)模式，開發(fā)者無需開發(fā)其他APP即可實現(xiàn)將移動終端與實際生產(chǎn)設(shè)備相連，實現(xiàn)用戶與機器的遠程交互，提高了紡織機械的智能化程度，有利于提高紡織企業(yè)生產(chǎn)及管理效率，同時對紡織企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型也具有一定的借鑒價值。