毛乾貝 喬茜華 江 豪,2 王永華,2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

梳棉工序生產(chǎn)信息化系統(tǒng)設計

毛乾貝1喬茜華1江 豪1,2王永華1,2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

通過現(xiàn)代紡織生產(chǎn)中梳棉工序生產(chǎn)過程信息化程度的調(diào)查，對梳棉機生產(chǎn)參數(shù)實時監(jiān)控的信息化建設進行了研究。設計了基于NT50網(wǎng)關的信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層采用Modbus通信網(wǎng)絡，通過串口/總線的網(wǎng)關連接到Profibus網(wǎng)絡，最后應用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)交互至上位機數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)實時采集上百臺梳棉機的CV值、牽伸比、產(chǎn)量、速度等重要工藝參數(shù)，逾百幅監(jiān)控畫面動態(tài)顯示機臺生產(chǎn)參數(shù)信息等。實際工程應用表明，系統(tǒng)能夠完成對梳棉工序生產(chǎn)過程的監(jiān)控和信息管理，有效促進紡織企業(yè)管理和控制的信息化系統(tǒng)建設。

清梳聯(lián) Profibus-DP Modbus NT50網(wǎng)關 紡織信息化

0 引言

清梳聯(lián)是紡紗生產(chǎn)過程中的重要工序之一，是棉紡工程實現(xiàn)自動化、連續(xù)化和現(xiàn)代化的重要標志之一。某紡織企業(yè)的3條清梳聯(lián)生產(chǎn)線由40臺梳棉機組成。單臺梳棉機配備有數(shù)字顯示裝置，能夠直接顯示機臺運行信息和生條質(zhì)量情況，但各機臺設備相互獨立，不能實現(xiàn)整個生產(chǎn)線集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。由于“兩化深度融合”是提升紡織行業(yè)生產(chǎn)效率的重要途徑，本文基于Modbus總線、Profibus現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)構建整個網(wǎng)絡架構，完成梳棉工序的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控和處理。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 網(wǎng)絡架構

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，但許多傳統(tǒng)的工業(yè)設備，包括PLC、DCS、智能儀表等一般都使用Modbus協(xié)議作為它們之間的通信標準[1]。

某紡織廠實施的信息化系統(tǒng)車間級網(wǎng)絡采用西門子公司的Profibus DP現(xiàn)場總線為主干網(wǎng)絡，成熟且應用可靠。該廠3條清梳聯(lián)生產(chǎn)線40臺梳棉機，配備的勻整控制裝置均具有標準的RS- 485通信口，支持Modbus協(xié)議通信[2]，要使其集成到Profibus-DP網(wǎng)絡，須添加協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊或者其他通信設備來完成整個網(wǎng)絡的集成。

在本設計中，采用NT50-DP-RS網(wǎng)關橋模塊將梳棉機勻整控制器使用的Modbus通信協(xié)議轉(zhuǎn)換成Profibus-DP通信協(xié)議，間接地將梳棉機集成到底層主干總線網(wǎng)絡中，方便、經(jīng)濟且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。具體網(wǎng)絡架構如圖 1所示?？紤]到信息量和實時性的要求，每4臺梳棉機單機設備通過Modbus通信線串行連接組成Modbus小網(wǎng)絡；Modbus小網(wǎng)絡連接到NT50網(wǎng)關，通過網(wǎng)關實現(xiàn)Modbus協(xié)議到Profibus-DP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，間接并入主干Profibus-DP網(wǎng)絡中；各主站通過工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接到工業(yè)級交換機上，經(jīng)光纖連接至監(jiān)控室服務器，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與底層梳棉機勻整控制系統(tǒng)的物理線路連接[3]。

圖1 網(wǎng)絡整體架構

1.2 NT50網(wǎng)關

NT50網(wǎng)關橋是德國赫優(yōu)訊公司開發(fā)的專門用于總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的設備，可以進行多種總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有操作簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定的特點。本設計采用的是NT50-DP-RS網(wǎng)關即Modbus轉(zhuǎn)Profibus的通信模塊[4]。

如圖 2所示，網(wǎng)關橋具有兩個標準通信端口(X2、X3)，用于硬件連接和故障診斷。X2口為DP通信端口，可以將網(wǎng)關連接到Profibus-DP總線網(wǎng)絡中；X3為標準的網(wǎng)口，可以根據(jù)不同的接線連接RS-232設備、RS-485設備，在此使用網(wǎng)口中的引腳4和5連接RS-485設備，用于Modbus通信?？梢酝ㄟ^網(wǎng)關上的指示燈判斷設備的運行狀態(tài)和診斷故障，如通過1號SYS燈判斷設備是否在正常運行情況，通過2號APL燈判斷設備X2口和X3口的通信情況是否存在異常，4號燈可以查看網(wǎng)關橋與主站的通信狀態(tài)，通過5號燈查看當網(wǎng)關作為Modbus主站時與底層從站的通信是否建立，8/9號燈的閃爍顯示是否與Modbus從站通信。

圖2 網(wǎng)關硬件

NT50網(wǎng)關功能強大，可以作多種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。在通信端口X2中可以選擇ASCII、CANopen Master、Modbus RTU、Profibus-DP Master、Profibus-DP Slave等功能項，在通信端口X3中可以選擇Modbus RTU、ASCII、Open Modbus/TCP、Profinet IO Device等協(xié)議通信。在此配置X2為Profibus-DP Slave，配置X3為Modbus RTU，當兩個通信端口的通信協(xié)議選擇好后，對應的Fireware會自動呈現(xiàn)。NT50還可以對讀取的字作自動高低字節(jié)轉(zhuǎn)換，便于不同PLC之間通信時的數(shù)據(jù)處理，減少程序的編寫。同時，NT50在Profibus-DP通信中可以根據(jù)通信網(wǎng)絡自動調(diào)節(jié)通信速率，并且支持同步鎖存、安全模式以及報文DPV1等擴展功能，用于要求實時性高、安全性強的總線通信。

NT50具有故障診斷功能，可以通過狀態(tài)信號燈對通信連接等簡單故障作出判斷，更可以通過軟件在線診斷，診斷網(wǎng)關作為Profibus-DP Slave、Modbus RTU和Gateway的通信信息，包括監(jiān)視系統(tǒng)與從站通信交換的字節(jié)內(nèi)容、通信狀態(tài)等。

2 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用西門子S7系列CPU-317 2DP作為DP網(wǎng)絡的控制主站、NT50網(wǎng)關作為DP從站，各自功能的完成均需要進行相應的軟件設計。

2.1 網(wǎng)關軟件設計

使用SYCON軟件可對NT50進行配置，設置網(wǎng)關的不同通信參數(shù)。軟件可以獨立于硬件之外，使得全部設計便于保存系統(tǒng)文件，而且能夠避免清潔或者維修時的誤動作導致系統(tǒng)錯誤。

2.1.1 DP從站參數(shù)設定

網(wǎng)關兩個通信口各自的協(xié)議標準可以根據(jù)需要在軟件中選擇確定，網(wǎng)關以DP從站和Modbus主站的身份鏈接兩個網(wǎng)絡。

在Profibus-Slave設置菜單中設定網(wǎng)關橋作為DP從站的參數(shù)，在此菜單中設置網(wǎng)關橋作為DP從站的地址、波特率等基本參數(shù)。根據(jù)與底層Modbus從站通信的信息量，配置用于交換的數(shù)據(jù)量，可以是字或者字節(jié)。在此需要注意的是，每個網(wǎng)關的輸入輸出最多僅支持120個字即240字節(jié)的數(shù)據(jù)交換，且各個slot中字節(jié)或者字的配置必須與主站組態(tài)軟件Step7中的配置完全一致[4]。

2.1.2 Modbus主站

網(wǎng)關橋在Modbus網(wǎng)絡中設定為Modbus主站，在Modbus-RTU菜單中進行組態(tài)。根據(jù)勻整控制器控制系統(tǒng)即現(xiàn)在的Modbus從站的通信格式設定通信協(xié)議參數(shù)，將通信接口類型設定為RS-485通信，波特率為9 600 kbit/s，無校驗等[5]。

主站對底層從站不同功能的完成需要通過功能碼命令實現(xiàn)，如表 1所示。在此選擇功能碼FC3來讀取Modbus從站的寄存器，獲取需要的16位寄存器數(shù)據(jù)，選擇功能碼FC1和FC2讀取底層控制器的I/O信息。在命令表中還可以設置從站讀取數(shù)據(jù)的首地址、寄存器或者線圈數(shù)。

表1 功能碼命令表

DP從站和Modbus主站的配置完成后，網(wǎng)關在兩個網(wǎng)絡中各自的功能已經(jīng)實現(xiàn)，現(xiàn)在需要做的就是將兩個網(wǎng)絡鏈接起來，完成兩個網(wǎng)絡對應的數(shù)據(jù)區(qū)必要的映射。映射方式可以分為兩種，一種是系統(tǒng)自動映射功能，另一種是根據(jù)需要的寄存器數(shù)量和排位手動完成映射。由于在許多工程中映射的需求不同，本系統(tǒng)也選擇手動來完成映射。數(shù)據(jù)映射的一般規(guī)則總是把Receive的數(shù)據(jù)映射至Send的數(shù)據(jù)，Receive的方向是網(wǎng)關上某一接口接收的數(shù)據(jù)，Send的方向則是網(wǎng)關上另一個接口發(fā)送數(shù)據(jù)，映射過程如圖3所示。

圖3 映射過程

由圖3可知，可以在Mapped Signals對話框中查看映射結果，作出檢查，如果映射結果不符合要求，則可再次根據(jù)需要完成映射。至此完成網(wǎng)關的所有配置。右擊網(wǎng)關，選擇 Download 將配置文件下載到網(wǎng)關中。根據(jù)所下載的固件版本和配置文件，上電運行網(wǎng)關，實現(xiàn)通信工作。

2.2 S7 PLC組態(tài)

使用Step7軟件將Profibus總線網(wǎng)絡的主站以及所拖帶的從站全部進行組態(tài)和參數(shù)配置：在硬件組態(tài)畫面中添加機架，插入電源、S7-300 PLC等主站組態(tài)信息，在主站的Profibus電纜上添加組態(tài)的從站NT50，配置從站的站地址、通信參數(shù)、交換字節(jié)數(shù)等。其中從站各slot中的數(shù)據(jù)配置必須與NT50在SYCON軟件中的配置一致，在主站的配置信息中確定主站的循環(huán)時間、診斷等參數(shù)信息。隨后，將硬件組態(tài)下載到西門子PLC中，如果錯誤，檢查顯示燈全部熄滅，則整個網(wǎng)絡硬件組態(tài)成功[3]。

硬件組態(tài)無誤后，在各個系統(tǒng)塊如組織塊和數(shù)據(jù)塊中進行編程設計，以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的通信和底層數(shù)據(jù)的讀取。在組織塊OB1中編寫程序，完成系統(tǒng)通信和控制功能。為了減少主程序的程序量和循環(huán)時間，編寫函數(shù)，用于主程序的調(diào)用，完成主要功能，部分程序的功能在FC311等函數(shù)中完成。

3 工程實際應用

系統(tǒng)通過軟、硬件的設計實現(xiàn)了紡紗生產(chǎn)過程中梳棉工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成和處理。

上位機采用WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)人機交互[6]。由一百多幅畫面動態(tài)顯示梳棉機的運行狀態(tài)，并實時監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)信息；有幾十個報表根據(jù)用戶需求對數(shù)據(jù)進行相應的處理；從單機監(jiān)控畫面中可以直觀地看到單機設備的動態(tài)運行畫面，實時呈現(xiàn)機器運行狀態(tài)、錫林速度、出條速度等生產(chǎn)信息。對于一些比較詳細的生產(chǎn)參數(shù)如打手速度、前后傳感器、CV值等則以表格的形式顯現(xiàn)，具體信息如表 2所示。

表2 監(jiān)控畫面參數(shù)

對于生產(chǎn)數(shù)據(jù)如CV值，生成歷史數(shù)據(jù)曲線供采集觀察。當生產(chǎn)速度跟設定速度不匹配時，系統(tǒng)發(fā)出故障報警；同時系統(tǒng)動態(tài)顯示實時產(chǎn)量信息，并在每個班做出報表統(tǒng)計規(guī)劃，存檔供以后查詢使用。

基于這些信息，可以實現(xiàn)設備在線故障診斷和報警等功能，并且可以完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和合理分配資源。系統(tǒng)的基本功能和優(yōu)點如下。

(1)實時性強。實時監(jiān)控生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)、工藝參數(shù)、生產(chǎn)狀態(tài)以及效率等參數(shù)信息，實現(xiàn)訂單跟蹤、產(chǎn)量評估等，為企業(yè)管理人員決策管理提供參考。

(2)強大的數(shù)據(jù)采集和處理功能。系統(tǒng)根據(jù)用戶需求對生產(chǎn)運行過程中的各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)和參數(shù)進行實時采集、顯示、記錄與分析。實時顯示各機臺的工藝流程圖畫面；在同一屏幕按照機臺的車間布局及實際位置，實時在線顯示機臺當前狀態(tài)和運行過程，用不同的顏色表示正常運行、故障停機、停臺、斷電等狀態(tài)；實時采集顯示機臺的運行參數(shù)、生產(chǎn)信息以及各故障信息并報警，重要參數(shù)的歷史曲線回溯功能；實時周期記錄關鍵參數(shù)的運行數(shù)據(jù)(比如計長、效率、停車次數(shù)等)，并以曲線、棒圖等圖形方式顯示參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，協(xié)助工藝人員進行數(shù)據(jù)縱向和橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

(3)有效的生產(chǎn)管理功能。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要自動生產(chǎn)班次表，自動進行倒班班次調(diào)整，自動處理節(jié)假日調(diào)休，并可以按工序、生產(chǎn)統(tǒng)籌區(qū)域進行設備手動或自動換班，滿足上位機到點自動換班和下位機擋車工手動換班的要求。

(4)系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠、實時性較高、易于維護、性價比高的優(yōu)點。

4 結束語

系統(tǒng)通過軟硬件的設計，利用網(wǎng)關橋協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊完成不同協(xié)議總線網(wǎng)絡的集成，實現(xiàn)了對梳棉工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)的獲取和運行信息的監(jiān)控，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效的處理。自本系統(tǒng)運行以來，底層主干網(wǎng)絡的通信正常穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何軟硬件的問題，保證了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)對生產(chǎn)工序監(jiān)控的實時有效。實踐證明，PLC通過NT50 DP-RS總線橋與Modbus RTU設備通信實現(xiàn)梳棉機信息化網(wǎng)絡集成是一種行之有效的方法。

[1] 王永華, Verwer A(英)．現(xiàn)場總線技術及應用教程[M]．2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012:74-90

[2] 從順章，楊麗麗，尚旭輝.梳棉機智能型自調(diào)勻整控制底層控制系統(tǒng)的研究[J].紡織機械,2007(3):27-30.

[3] 崔堅,趙欣，任術才．西門子S7-可編程控制器-STEP7編程指南[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010:37-62.

[4] 德國赫友訊自動化系統(tǒng)有限公司.德國赫優(yōu)訊NT-50-DP-RS網(wǎng)關操作指南[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[5] 劉大千，楊斌，孫德輝.PROFIBUS-DP總線與Modbus總線通訊控制系統(tǒng)與實現(xiàn)[J].自動化技術與應用,2013(12)：110-113.

[6] 甄立東．西門子WinCC V7基礎與應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011：84-108.

Design of the Informatization System for Carding Process

Through investigating the informatization level of carding productive process in textile industry, the informatization construction of real time monitoring of the productive parameters of carding machine is researched, and the informztization system based on NT50 gateway is designed. In the system, the Modbus communication network is used in bottom layer; and then Profibus network is connected through gateway, finally the data interaction with database in host computer is conducted via industrial Ethernet. The important process parameters of more than one hundred of carding machines, including CV values, draft ratios, yields and speeds etc., are collected by the system in real time, and hundreds of monitoring graphics dynamically display productive parameters and related information. The practical engineering applications indicate that the system is capable to accomplish monitoring of the carding process and information management, thus the construction of informatization system for management and control in textile enterprises are effectively promoted.

Blowing-carding Profibus-DP Modbus NT50 gateway Textile informatization

河南省產(chǎn)學研合作基金資助項目(編號：132107000003)；

河南省科技成果轉(zhuǎn)化基金資助項目(編號：142201210006)。

毛乾貝(1989-)，男，現(xiàn)為鄭州輕工業(yè)學院電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事工業(yè)控制網(wǎng)絡與系統(tǒng)方面的研究。

TP274+.2;TH6

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10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510015

修改稿收到日期：2015-03-04。