基于虛擬串口的竹節(jié)紗生產(chǎn)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)

徐源鈺，蘇旭中，劉燕卿，劉新金

（江南大學 紡織科學與工程學院 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，無錫 214000）

0 引言

作為中國傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一的紡織業(yè)正面臨著產(chǎn)業(yè)升級壓力、勞動力成本上升等問題。隨著“中國制造2025”的實施，對智能制造工程提出了生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制，建設重點領域智能工廠、數(shù)字化車間的要求，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術廣泛應用于紡織行業(yè)是一個必然的趨勢[1]。

竹節(jié)紗具有粗細分布不均勻及種類豐富的特征，能夠生產(chǎn)出各種風格不同的織物，受到消費者和市場的歡迎。江南大學自主研發(fā)的ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置運用環(huán)錠紡竹節(jié)紗生產(chǎn)方式，運行中使前羅拉恒速，控制轉(zhuǎn)速較低的中后羅拉，從而形成與基紗有變化的粗節(jié)，通過觸摸屏來調(diào)節(jié)竹節(jié)紗的生產(chǎn)工藝參數(shù)即可生產(chǎn)出種類豐富、精密的竹節(jié)紗[2]。但是這種控制方式在問題的發(fā)現(xiàn)和處理上受到了時間以及空間上的限制：操作局限于在車間內(nèi)進行；需要人工的巡視才能夠發(fā)現(xiàn)問題，不利于問題的及時處理[3]。因此，需要借助于遠程通訊模塊以及虛擬串口技術來改進現(xiàn)有的生產(chǎn)裝置，實現(xiàn)對多臺生產(chǎn)設備的遠程無線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)功能簡介

該設計是在現(xiàn)有的生產(chǎn)設備的基礎上添加了一套遠程監(jiān)控系統(tǒng)，無需對原有的硬件設備進行處理，簡化了改造的過程、降低了設備改造升級的成本。

遠程通訊模塊的使用能夠?qū)崿F(xiàn)對PLC、觸摸屏等設備的遠程上下載程序和設備數(shù)據(jù)監(jiān)控，解決了竹節(jié)紗生產(chǎn)設備“信息孤島”的問題，對于竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的控制不再受到距離的限制。在實際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)對于多臺竹節(jié)紗生產(chǎn)設備生產(chǎn)狀況進行實時監(jiān)測，可以將生產(chǎn)車間與企業(yè)的管理層緊密聯(lián)系起來，有助于提高生產(chǎn)管理的效率，進一步向“智能工廠”、“數(shù)字化車間”邁進；對于竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的PLC和觸摸屏的遠程上下載程序，實現(xiàn)了對竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程在線管理，無需到現(xiàn)場進行操作，簡化了對于設備的運營維修的過程，有效地減少人力的支出。

虛擬串口技術的應用不僅解決了所需要連接的設備物理串口缺少的問題，而且能夠減少設備間的布線，節(jié)約了生產(chǎn)成本的同時也避免了因車間內(nèi)布線過多而引發(fā)的安全生產(chǎn)問題。

整套系統(tǒng)具有全球性監(jiān)測與控制、穩(wěn)定性高、運維便捷的性能特點。

2 主要硬件及相關軟件設計

如圖1所示，竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、遠程控制模塊和全球監(jiān)控中心組成。其中現(xiàn)場設備包含以西門子S7-200PLC、信捷觸摸屏為主的ZJ-5A型生產(chǎn)裝置；遠程控制模塊采用了信捷A-BOX遠程通訊模塊，具有全球網(wǎng)絡環(huán)境可使用、持久在線、通訊穩(wěn)定等優(yōu)點；全球監(jiān)控中心則是以云服務器和PC端為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，不斷采集現(xiàn)場設備中的工藝參數(shù)，能夠?qū)⒃O備運行狀態(tài)、曲線、故障報警等實時顯示在PC端，達到遠程監(jiān)控生產(chǎn)設備運行的效果。

圖1 竹節(jié)紗生產(chǎn)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)

PLC將采集到的生產(chǎn)設備的運行參數(shù)通過A-BOX遠程通訊模塊上傳到云服務器。PC端連入局域網(wǎng)后，將從云服務器采集到的數(shù)據(jù)通過虛擬串口傳輸?shù)嚼鐾☉B(tài)（MCGS）數(shù)據(jù)庫中，在PC端的昆侖通態(tài)（MCGS）組態(tài)環(huán)境中創(chuàng)建生產(chǎn)管理界面，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)設備的實時監(jiān)測，方便、實時地觀察現(xiàn)場運行情況；同時也能夠?qū)⒅窆?jié)紗生產(chǎn)設備上觸摸屏的參數(shù)設定的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到PC端，可以遠程實現(xiàn)對設備的控制。

3 系統(tǒng)通信設計

遠程控制技術可以讓用戶在遠離設備的地方實時地控制、監(jiān)控設備，不受距離的限制，能夠及時有效地處理設備的生產(chǎn)故障，便于生產(chǎn)設備的運行維護，在實際的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的用途[4]。

竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的核心是西門子S7-200系列PLC，圖2所示為竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程應用通信架構(gòu)：PLC上的RS485端口與遠程控制模塊通過串口線連接，并通過Modbus_RTU協(xié)議模式進行通信；設置遠程控制模塊使其連入局域網(wǎng)，從而將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆品掌髦校贿h程的電腦用戶端連入局域網(wǎng)后，創(chuàng)建一個虛擬串口，可以直接以串口的方式從云服務器中進行數(shù)據(jù)的訪問及傳輸。

圖2 竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程應用通信架構(gòu)

3.1 通訊接口

工業(yè)上，采用串行通訊的方式，數(shù)據(jù)字按照一位一位的順序進行傳送，具有較強的抗干擾性能。常見的串口通訊物理端口為RS232和RS485。圖3和圖4所示為RS232和RS485的通訊結(jié)構(gòu)，由圖中可看出，信號是以電壓信號傳輸?shù)?，當RS232結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生干擾信號時，易造成兩接地端電位不等，使得接收端的信號與發(fā)送信號不同，所以此方式不利于長距離的信號傳輸；而RS485結(jié)構(gòu)中將信號分為正負兩路，信號到達接收端后，將兩路信號相減得到發(fā)送端的原始信號，所以當信號源產(chǎn)生干擾信號時，干擾信號會疊加到兩路信號中，在接收端相減后能夠排除干擾信號的影響，從而確保接收端能夠得到正確的原始信號。RS485以差分傳輸?shù)姆绞接行懦肼暩蓴_，更利于長距離傳輸，在工業(yè)中廣泛應用。RS232只能進行點對點的通訊，而RS485可多點通訊，并在通訊字符中標注響應的設備地址。

圖3 RS232的信號結(jié)構(gòu)圖

圖4 RS485的信號結(jié)構(gòu)圖

基于虛擬端口的竹節(jié)紗生產(chǎn)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的是對多臺生產(chǎn)設備的遠距離集中監(jiān)控，并且在實際的生產(chǎn)過程中，車間內(nèi)來自于其他電氣設備的干擾信號較多，因此需要更為穩(wěn)定的通訊方式[5]。綜上分析，A-BOX遠程通訊模塊與竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的PLC之間的通訊方式基于RS485端口的通訊展開。

3.2 通信協(xié)議

MODBUS作為串行通信協(xié)議，能夠使得多個設備連接到同一網(wǎng)絡中并進行數(shù)據(jù)信息交流，符合基于虛擬端口的竹節(jié)紗生產(chǎn)設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)對于多臺設備同時進行通信的要求。MODBUS通信協(xié)議包含MODBUSRTU、MODBUS-ASCII、MODBUS-TCP/IP這三種形式，系統(tǒng)所使用的A-BOX遠程通訊模塊支持MODBUSRTU（Remote Terminal Unit），該協(xié)議采用的是緊湊型的二進制數(shù)據(jù)表示方式，命令符中帶有循環(huán)冗余方式的校驗，充分保證了信息的準確性及可靠性。MODBUS是遵從主/從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，在整個網(wǎng)絡中至少有一個節(jié)點作為主站，其他節(jié)點作為從站，每個從站會分配有一個地址。主站會對網(wǎng)絡中的各個從站地址進行逐個訪問，保證主站能與每個從站進行數(shù)據(jù)傳遞，進而形成周期性的數(shù)據(jù)傳遞模式。在網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換過程中，主站能夠讀寫相應設備地址的從站中的數(shù)據(jù)地址寄存器，而從站不能訪問其他從站，只能響應主站的命令[6]。

MODBUS協(xié)議定義了四種數(shù)據(jù)類型：可讀寫位線圈（0區(qū)）、只讀離散量輸入（1區(qū)）、只讀模擬輸入寄存器（3區(qū)）、可讀寫保持寄存器（4區(qū)），如表1所示MODBUS協(xié)議中的數(shù)據(jù)地址都是從1開始的[7]。當設備接收到指令時，首先根據(jù)報文中的功能碼自動選擇相應的數(shù)據(jù)區(qū)域，再根據(jù)起始地址選中相應區(qū)域內(nèi)的首地址，最后訪問相應字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，MODBUS協(xié)議的訪問結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 MODBUS數(shù)據(jù)地址

圖5 MODBUS協(xié)議的訪問結(jié)構(gòu)

3.3 虛擬串口

通過網(wǎng)絡在PC端直接對遠端生產(chǎn)設備進行管理能夠有效地提高生產(chǎn)管理的效率。但是多數(shù)的電腦物理串口個數(shù)有限，或是與所需要連接的設備的串口有著物理沖突，使得僅僅依靠于物理串口的通信體現(xiàn)出了一定的局限性。竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的是對多臺竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的監(jiān)控，那么每臺設備至少需要一個物理串口來與電腦端相連，實際生產(chǎn)中實現(xiàn)的話就會出現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場布線過多、易引發(fā)生產(chǎn)事故等問題[8]。

虛擬串口不再使用數(shù)據(jù)電纜，并且具有于實際的物理串口相似的功能。虛擬串口的建立、設置與連接只需要通過虛擬串口軟件來實現(xiàn)，能夠有效解決上述的問題，減少生產(chǎn)現(xiàn)場的布線，簡化了工作，并且無需添加其他的新設備，降低了硬件的生產(chǎn)成本[9]。

在該系統(tǒng)中，首先，在PC端創(chuàng)建一個虛擬串口，可在設備管理器中查看到該串口；打開西門子PLC的STEP7編程軟件，在PC/PPI通信中選中相應的虛擬串口號，同時勾選“調(diào)制解調(diào)器連接”，并對調(diào)制解調(diào)器進行通信的設置：波特率9600bps、8位數(shù)據(jù)位、偶校驗和1位停止位；最后，刷新得到當前所連接的PLC，從而實現(xiàn)程序的上傳及下載操作。

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計

4.1 MCGS概述

MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）與以往使用專用機開發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，更具有通用性，能夠快速完成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)造，它通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種形式向用戶提供解決實際工程問題的方案，因此在工業(yè)自動化領域有著十分廣泛的應用[10]。

4.2 設計流程

首先要了解竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝流程以及生產(chǎn)設備的構(gòu)成，明確具體的監(jiān)控對象及技術要求。在此基礎上，定義數(shù)據(jù)對象，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫的建立；根據(jù)實際技術需求完成對于主控窗口、設備窗口以及用戶窗口的構(gòu)造，設置好系統(tǒng)中各個部件所需調(diào)用的運行策略，即完成MCGS的組態(tài)過程。竹節(jié)紗生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)建的MCGS實時數(shù)據(jù)庫如圖6所示。

圖6 MCGS實時數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建完成以后，還需要實現(xiàn)MCGS與竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的PLC之間的數(shù)據(jù)交互，才能夠?qū)崿F(xiàn)在MCGS端對于生產(chǎn)設備的遠程控制，這個過程被稱為設備構(gòu)件的通道連接。竹節(jié)紗生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設備通道連接如圖7所示。

圖7 設備通道連接

4.3 交互界面設計

如圖8所示為竹節(jié)紗生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)MCGS用戶界面端參數(shù)設定的界面。主要的設定參數(shù)有竹節(jié)紗的長度、倍率及基紗的長度，擁有操作權限的用戶在PC端登錄以后，在該界面根據(jù)實際生產(chǎn)需求輸入?yún)?shù)，即可實現(xiàn)對所連接的設備的生產(chǎn)參數(shù)的遠程設定。

圖8 竹節(jié)紗生產(chǎn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)MCGS用戶界面端參數(shù)設定的界面

除此以外，還有實時數(shù)據(jù)顯示界面、運行狀態(tài)界面、歷史數(shù)據(jù)界面以及報警顯示等。如圖9所示即為竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)顯示界面。

圖9 竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)顯示界面

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用虛擬串口技術及A-BOX遠程通訊模塊，解決了竹節(jié)紗生產(chǎn)設備“信息孤島”的問題，實現(xiàn)了對于多臺竹節(jié)紗生產(chǎn)設備的遠程監(jiān)測和控制，以及在線對設備的PLC上傳及下載程序，節(jié)省了大量人力、物力的同時也有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)管理的效率，在紡織工業(yè)的控制領域有著廣闊的應用前景。