王春紅,武春英

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

基于DSP和CAN總線的織機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)研究

王春紅,武春英

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

以劍桿織機(jī)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種基于DSP和CAN總線的織機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、硬件組成、軟件功能與設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明,系統(tǒng)確保了數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和快速性。

DSP;CAN總線;織機(jī);監(jiān)測(cè)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,用新型織機(jī)代替有梭織機(jī)是發(fā)展紡織工業(yè)的必然。但同時(shí),很多紡織企業(yè)生產(chǎn)管理仍然處于單機(jī)臺(tái)工作監(jiān)測(cè)、人工抄表的低效狀態(tài),先進(jìn)的新型織機(jī)生產(chǎn)與落后的人工監(jiān)測(cè)管理形成了明顯的反差。因此,應(yīng)用計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)新型織機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè),構(gòu)建織機(jī)信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),打造企業(yè)現(xiàn)代化管理的數(shù)字化、信息化技術(shù)平臺(tái),是提高新型織機(jī)綜合效能,促進(jìn)紡織企業(yè)現(xiàn)代化管理的有效途徑[1-2]。

1 織機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的功能及總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)企業(yè)要求,織機(jī)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的主要功能應(yīng)包括以下6個(gè)方面:

1)通過現(xiàn)場(chǎng)總線將各織機(jī)監(jiān)測(cè)器連接在一起,對(duì)每臺(tái)織機(jī)的打緯次數(shù)、經(jīng)停、緯停、邊停、停車次數(shù)及停車時(shí)間等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分班存儲(chǔ);

2)以織機(jī)現(xiàn)場(chǎng)分布平面圖形式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),以列表形式實(shí)時(shí)顯示織機(jī)當(dāng)班生產(chǎn)數(shù)據(jù);

3)能夠輸出所需報(bào)表,方便地進(jìn)行品種、緯密、產(chǎn)量計(jì)劃、織疵計(jì)劃、匹分計(jì)劃等生產(chǎn)參數(shù)的設(shè)定和修改;

4)能夠進(jìn)行品種效率分析、織疵率分析,具有輔助生產(chǎn)、輔助決策功能;

5)具有故障診斷及報(bào)警功能,能及時(shí)查找系統(tǒng)故障;

6)系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng),便于維護(hù)、擴(kuò)充。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由3大部分組成:因特網(wǎng)級(jí)、企業(yè)局域網(wǎng)級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。通過企業(yè)局域網(wǎng)連入因特網(wǎng)可完成遠(yuǎn)程故障診斷;企業(yè)局域網(wǎng)可接收現(xiàn)場(chǎng)織機(jī)狀態(tài)信息,也可接收由現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信息,以便宏觀控制與管理;現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)則由上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集下位機(jī)及監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)成。上位機(jī)由主計(jì)算機(jī)和通信接口組成,計(jì)算機(jī)安裝有專門的織機(jī)監(jiān)測(cè)軟件,監(jiān)測(cè)軟件借用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀測(cè)和控制,通信接口則完成通信電平的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)通信;下位機(jī)則以DSP微控制器為核心[3],輔以相關(guān)外圍電路完成織機(jī)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、聲光報(bào)警和遠(yuǎn)距離通信;監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)即是車間的具有信號(hào)發(fā)生裝置的織機(jī)控制箱。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of system

2 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)硬件構(gòu)成

現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)從總體上又可分為上位機(jī)和下位機(jī)2大部分:上位機(jī)主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)通信,對(duì)數(shù)據(jù)加工、處理后,形成織機(jī)工作狀態(tài)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫,以便日后的數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)決策;下位機(jī)主要任務(wù)是完成織機(jī)數(shù)據(jù)采集,下位機(jī)硬件主要由織機(jī)監(jiān)測(cè)器、區(qū)域處理器、CAN總線組成。

2.1 織機(jī)監(jiān)測(cè)器

為了滿足新型織機(jī)實(shí)時(shí)性、可靠性要求,織機(jī)監(jiān)測(cè)器的核心處理器采用了 TI公司的DSP芯片TM S320LF2407,它是直接與織機(jī)打交道的底層設(shè)備。TM S320LF2407把1個(gè)高性能內(nèi)核和內(nèi)嵌的16位CAN模塊集成為1個(gè)芯片,非常適合工業(yè)控制領(lǐng)域。它的指令周期為40 ns,有高達(dá)32 K字的FLASH程序存儲(chǔ)器,高達(dá)1.5 K字的數(shù)據(jù)和程序RAM,544字雙口RAM,2 K字的單口RAM,2個(gè)適合于電機(jī)控制的事件管理器模塊,集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器,片內(nèi)處理及對(duì)外數(shù)據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)字長(zhǎng)均為16位,讀寫核心模塊內(nèi)的RAM及Flash Memory數(shù)據(jù)都為16位,與CAN進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)為16位。由于各芯片中地址總線和數(shù)據(jù)總線均為共用,所以設(shè)計(jì)中采用了CPLD邏輯控制器來對(duì)各芯片進(jìn)行片選。這些功能足以滿足織機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的要求,并為以后的系統(tǒng)擴(kuò)展提供了接口[4-5]?？棛C(jī)監(jiān)測(cè)器的主要功能是完成織機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、組織和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理,并采用“中斷”方式來響應(yīng)CAN節(jié)點(diǎn)的通信要求。

TM S320LF2407自帶的CAN控制器模塊是1個(gè)16位的外設(shè),對(duì)它的訪問分成對(duì)控制/狀態(tài)寄存器的訪問和郵箱的RAM訪問。郵箱位于1個(gè)48×16位的RAM中,它可以被CPU或CAN讀寫?；贒SP的織機(jī)監(jiān)測(cè)器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2.2 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線

本系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線,可滿足織機(jī)傳輸速度快、實(shí)時(shí)響應(yīng)好、抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展接口方便且通信安全可靠、容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格便宜的要求。

在基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)中,單個(gè)節(jié)點(diǎn)由1個(gè)微控制器、1個(gè)CAN收發(fā)器和1個(gè)CAN控制器組成[6],本系統(tǒng)采用了PH IL IPS公司的CAN總線控制器SJA 1000和CAN總線收發(fā)器PCA 82C250。系統(tǒng)的上位機(jī)(主計(jì)算機(jī))通過插在主板上的CAN通信卡PCL-841掛在CAN總線上,作為CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,區(qū)域處理器是各個(gè)織機(jī)監(jiān)測(cè)器的控制單元,通過CAN網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)織機(jī)監(jiān)測(cè)器的信息采集和指令控制。

2.3 區(qū)域處理器

區(qū)域處理器通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)通信并將織機(jī)信息做一定數(shù)據(jù)匯總處理。作為上位機(jī)與織機(jī)監(jiān)測(cè)器的中間節(jié)點(diǎn),它既要響應(yīng)上位機(jī)的命令以及參數(shù)設(shè)置,將處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī),又要對(duì)監(jiān)測(cè)器的運(yùn)行進(jìn)行管理,完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(如停臺(tái)時(shí)刻等)的保存。區(qū)域處理器可以保存15日的織機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù),從而提供了更持久的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,對(duì)其上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生有益的影響。多個(gè)區(qū)域處理器將下層總線劃分成若干局部總線,不同區(qū)域的織機(jī)數(shù)據(jù)可并行傳輸,提高了數(shù)據(jù)傳輸速度,另外其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能也緩解了系統(tǒng)對(duì)上一級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性的要求,使得其上層結(jié)構(gòu)能夠采用性能和造價(jià)都低一些的RS-485通信方式,從而使系統(tǒng)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便[7]。本系統(tǒng)以51系列內(nèi)部帶有8 KB閃存的89C52單片機(jī)作為區(qū)域處理器的內(nèi)核,其電路原理圖略。

圖2 監(jiān)測(cè)器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.2 Hardware p rincip le framewo rk of monito r controlling system

3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)既涉及數(shù)據(jù)通信,又涉及數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)共享,因此前臺(tái)開發(fā)選用了Visual Basic 6.0,這樣可利用M scomm控件實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信;而后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用安全性、數(shù)據(jù)完整性、一致性約束很強(qiáng)的SQL Server 2000。上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)本著簡(jiǎn)捷、實(shí)用的原則,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、控制參數(shù)調(diào)整、重要?dú)v史數(shù)據(jù)保存、圖形顯示、信號(hào)報(bào)警及報(bào)表打印等功能,具體設(shè)計(jì)如下。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照自上至下逐步細(xì)化的結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)從上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信(調(diào)入數(shù)據(jù))到數(shù)據(jù)處理再到輔助決策,其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure draw ing of top machine software system

根據(jù)系統(tǒng)功能需求,將系統(tǒng)分為織機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)、次布信息管理子系統(tǒng)及面向決策者的輔助決策子系統(tǒng)4部分,系統(tǒng)基本功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能:以數(shù)字列表形式顯示整個(gè)車間生產(chǎn)狀況包括各區(qū)的開臺(tái)數(shù)、停臺(tái)數(shù)、開臺(tái)率、品種效率等信息;按實(shí)際機(jī)臺(tái)布局以圖形方式顯示各區(qū)的織機(jī)狀態(tài),如開臺(tái)、停車、故障;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)織機(jī)的運(yùn)行,在織機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí),發(fā)出報(bào)警提示信息。

3.2.2 生產(chǎn)信息管理子系統(tǒng)

圖4 系統(tǒng)基本功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic function structure draw ing of system

該模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能:調(diào)入機(jī)臺(tái)數(shù)據(jù)(來自下位機(jī)),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)匯總、盤存月報(bào)等功能;數(shù)據(jù)顯示與報(bào)表輸出,顯示當(dāng)班運(yùn)轉(zhuǎn)情況、班組日產(chǎn)量、機(jī)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、上軸落布情況、了機(jī)預(yù)報(bào)情況、報(bào)表輸出;參數(shù)校驗(yàn),包括開班時(shí)間、機(jī)臺(tái)參數(shù)、品種參數(shù)的修改;信息公布,將生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息以報(bào)表或大屏幕方式提供給車間一線工人,使他們隨時(shí)了解自己的產(chǎn)量及相關(guān)信息。

3.2.3 次布信息管理子系統(tǒng)

該模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能:次布數(shù)據(jù)的錄入、顯示、報(bào)表輸出及除擋車工之外的其他工種的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

3.2.4 輔助決策子系統(tǒng)

該模塊可實(shí)現(xiàn)以下功能:根據(jù)工廠需要完成特定數(shù)據(jù)的分片、分塊圖形顯示及鉆取功能,并實(shí)例化,同時(shí)為上層領(lǐng)導(dǎo)的決策提供依據(jù)。其中織疵率分析[8],找出織疵率高的機(jī)臺(tái)、班組、臺(tái)位、品種進(jìn)行定性分析,對(duì)下一步生產(chǎn)提供決策指導(dǎo);停車時(shí)間分析,找出停車時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)臺(tái),分析原因,及時(shí)檢修;上軸落布分析,將品種的上軸數(shù)量與落布數(shù)量對(duì)比分析,結(jié)果與預(yù)期值比較,差值較大的找出原因、分析漏洞,及時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)。

登錄用戶分為高級(jí)用戶和普通用戶。高級(jí)用戶可對(duì)織機(jī)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、調(diào)整,普通用戶采用通用計(jì)算機(jī)(PC機(jī))分布在企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi),通過網(wǎng)絡(luò)從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲取有權(quán)限的數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)信息的共享。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)有效地將DSP微處理器的高速處理能力和CAN總線通信的高性能、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,方便地實(shí)現(xiàn)了紡織車間織機(jī)信息的實(shí)時(shí)采集及織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),構(gòu)建起織機(jī)監(jiān)測(cè)和全分布的企業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于擴(kuò)充,安裝維護(hù)方便,在高速通信速率下有較強(qiáng)的抗干擾能力,上位機(jī)軟件功能齊全、實(shí)用。應(yīng)用實(shí)踐表明該系統(tǒng)給紡織企業(yè)帶來了實(shí)際的效益,使其在上層管理與車間生產(chǎn)控制上都上了一個(gè)檔次,為企業(yè)今后的數(shù)字化、現(xiàn)代化管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),具有很好的應(yīng)用前景。

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Research on the loom monitoring and management system based on DSP and CAN bus

WANG Chun-hong,WU Chun-ying
(College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Taking Rapier loom as the reseach object,this paper introduces a kind of loom monitoring and management system based on DSP and CAN bus,and searches the system structure,hardware components,software function and design.This system ensures the accuracy and speed of data communication,lays the foundation fo r textile enterp rise to realize informatization and modernization.

DSP;CAN bus;loom;monitoring

TP391

A

1008-1542(2010)02-0124-04

2009-12-02;

2010-02-16;責(zé)任編輯:李 穆

河北省科技攻關(guān)項(xiàng)目(04213112)

王春紅(1963-),女,河北棗強(qiáng)人,副教授,碩士,主要從事信息技術(shù)與數(shù)據(jù)庫方面的研究。