梳棉工序生產信息化系統設計

毛乾貝 喬茜華 江 豪,2 王永華,2

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產業河南省協同創新中心2，河南 鄭州 451191)

梳棉工序生產信息化系統設計

毛乾貝1喬茜華1江 豪1,2王永華1,2

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002;紡織服裝產業河南省協同創新中心2，河南 鄭州 451191)

通過現代紡織生產中梳棉工序生產過程信息化程度的調查，對梳棉機生產參數實時監控的信息化建設進行了研究。設計了基于NT50網關的信息化系統。該系統底層采用Modbus通信網絡，通過串口/總線的網關連接到Profibus網絡，最后應用工業以太網將數據交互至上位機數據庫。系統實時采集上百臺梳棉機的CV值、牽伸比、產量、速度等重要工藝參數，逾百幅監控畫面動態顯示機臺生產參數信息等。實際工程應用表明，系統能夠完成對梳棉工序生產過程的監控和信息管理，有效促進紡織企業管理和控制的信息化系統建設。

清梳聯 Profibus-DP Modbus NT50網關 紡織信息化

0 引言

清梳聯是紡紗生產過程中的重要工序之一，是棉紡工程實現自動化、連續化和現代化的重要標志之一。某紡織企業的3條清梳聯生產線由40臺梳棉機組成。單臺梳棉機配備有數字顯示裝置，能夠直接顯示機臺運行信息和生條質量情況，但各機臺設備相互獨立，不能實現整個生產線集中監控和數據處理。由于“兩化深度融合”是提升紡織行業生產效率的重要途徑，本文基于Modbus總線、Profibus現場總線和工業以太網構建整個網絡架構，完成梳棉工序的數據集中監控和處理。

1 系統總體設計

1.1 網絡架構

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，但許多傳統的工業設備，包括PLC、DCS、智能儀表等一般都使用Modbus協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車間級網絡采用西門子公司的Profibus DP現場總線為主干網絡，成熟且應用可靠。該廠3條清梳聯生產線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協議通信[2]，要使其集成到Profibus-DP網絡，須添加協議轉換模塊或者其他通信設備來完成整個網絡的集成。

在本設計中，采用NT50-DP-RS網關橋模塊將梳棉機勻整控制器使用的Modbus通信協議轉換成Profibus-DP通信協議，間接地將梳棉機集成到底層主干總線網絡中，方便、經濟且系統穩定可靠。具體網絡架構如圖 1所示。考慮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小網絡；Modbus小網絡連接到NT50網關，通過網關實現Modbus協議到Profibus-DP協議的轉換，間接并入主干Profibus-DP網絡中；各主站通過工業以太網電纜連接到工業級交換機上，經光纖連接至監控室服務器，實現了監控系統與底層梳棉機勻整控制系統的物理線路連接[3]。

圖1 網絡整體架構

1.2 NT50網關

NT50網關橋是德國赫優訊公司開發的專門用于總線協議轉換的設備，可以進行多種總線協議轉換，具有操作簡單、系統穩定的特點。本設計采用的是NT50-DP-RS網關即Modbus轉Profibus的通信模塊[4]。

如圖 2所示，網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，可以將網關連接到Profibus-DP總線網絡中；X3為標準的網口，可以根據不同的接線連接RS-232設備、RS-485設備，在此使用網口中的引腳4和5連接RS-485設備，用于Modbus通信。可以通過網關上的指示燈判斷設備的運行狀態和診斷故障，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號燈可以查看網關橋與主站的通信狀態，通過5號燈查看當網關作為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 網關硬件

NT50網關功能強大，可以作多種協議的轉換。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議選擇好后，對應的Fireware會自動呈現。NT50還可以對讀取的字作自動高低字節轉換，便于不同PLC之間通信時的數據處理，減少程序的編寫。同時，NT50在Profibus-DP通信中可以根據通信網絡自動調節通信速率，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，診斷網關作為Profibus-DP Slave、Modbus RTU和Gateway的通信信息，包括監視系統與從站通信交換的字節內容、通信狀態等。

2 軟件系統設計

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

2.1 網關軟件設計

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

2.1.1 DP從站參數設定

網關兩個通信口各自的協議標準可以根據需要在軟件中選擇確定，網關以DP從站和Modbus主站的身份鏈接兩個網絡。

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

2.1.2 Modbus主站

網關橋在Modbus網絡中設定為Modbus主站，在Modbus-RTU菜單中進行組態。根據勻整控制器控制系統即現在的Modbus從站的通信格式設定通信協議參數，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，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位寄存器數據，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據的首地址、寄存器或者線圈數。

表1 功能碼命令表

DP從站和Modbus主站的配置完成后，網關在兩個網絡中各自的功能已經實現，現在需要做的就是將兩個網絡鏈接起來，完成兩個網絡對應的數據區必要的映射。映射方式可以分為兩種，一種是系統自動映射功能，另一種是根據需要的寄存器數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，本系統也選擇手動來完成映射。數據映射的一般規則總是把Receive的數據映射至Send的數據，Receive的方向是網關上某一接口接收的數據，Send的方向則是網關上另一個接口發送數據，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，則可再次根據需要完成映射。至此完成網關的所有配置。右擊網關，選擇 Download 將配置文件下載到網關中。根據所下載的固件版本和配置文件，上電運行網關，實現通信工作。

2.2 S7 PLC組態

使用Step7軟件將Profibus總線網絡的主站以及所拖帶的從站全部進行組態和參數配置：在硬件組態畫面中添加機架，插入電源、S7-300 PLC等主站組態信息，在主站的Profibus電纜上添加組態的從站NT50，配置從站的站地址、通信參數、交換字節數等。其中從站各slot中的數據配置必須與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時間、診斷等參數信息。隨后，將硬件組態下載到西門子PLC中，如果錯誤，檢查顯示燈全部熄滅，則整個網絡硬件組態成功[3]。

硬件組態無誤后，在各個系統塊如組織塊和數據塊中進行編程設計，以實現整個網絡的通信和底層數據的讀取。在組織塊OB1中編寫程序，完成系統通信和控制功能。為了減少主程序的程序量和循環時間，編寫函數，用于主程序的調用，完成主要功能，部分程序的功能在FC311等函數中完成。

3 工程實際應用

系統通過軟、硬件的設計實現了紡紗生產過程中梳棉工序生產數據的集成和處理。

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

表2 監控畫面參數

對于生產數據如CV值，生成歷史數據曲線供采集觀察。當生產速度跟設定速度不匹配時，系統發出故障報警；同時系統動態顯示實時產量信息，并在每個班做出報表統計規劃，存檔供以后查詢使用。

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

(1)實時性強。實時監控生產設備的運行狀態、工藝參數、生產狀態以及效率等參數信息，實現訂單跟蹤、產量評估等，為企業管理人員決策管理提供參考。

(2)強大的數據采集和處理功能。系統根據用戶需求對生產運行過程中的各項生產數據和參數進行實時采集、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；實時采集顯示機臺的運行參數、生產信息以及各故障信息并報警，重要參數的歷史曲線回溯功能；實時周期記錄關鍵參數的運行數據(比如計長、效率、停車次數等)，并以曲線、棒圖等圖形方式顯示參數的歷史數據，協助工藝人員進行數據縱向和橫向對比分析。

(3)有效的生產管理功能。系統可以根據用戶需要自動生產班次表，自動進行倒班班次調整，自動處理節假日調休，并可以按工序、生產統籌區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)系統具有運行穩定可靠、實時性較高、易于維護、性價比高的優點。

4 結束語

系統通過軟硬件的設計，利用網關橋協議轉換模塊完成不同協議總線網絡的集成，實現了對梳棉工序生產數據的獲取和運行信息的監控，對生產數據進行有效的處理。自本系統運行以來，底層主干網絡的通信正常穩定，沒有出現任何軟硬件的問題，保證了整個網絡系統對生產工序監控的實時有效。實踐證明，PLC通過NT50 DP-RS總線橋與Modbus RTU設備通信實現梳棉機信息化網絡集成是一種行之有效的方法。

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

[2] 從順章，楊麗麗，尚旭輝.梳棉機智能型自調勻整控制底層控制系統的研究[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：機械工業出版社，2010:37-62.

[4] 德國赫友訊自動化系統有限公司.德國赫優訊NT-50-DP-RS網關操作指南[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總線通訊控制系統與實現[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

河南省產學研合作基金資助項目(編號：132107000003)；

河南省科技成果轉化基金資助項目(編號：142201210006)。

毛乾貝(1989-)，男，現為鄭州輕工業學院電氣工程專業在讀碩士研究生；主要從事工業控制網絡與系統方面的研究。

TP274+.2;TH6

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510015

修改稿收到日期：2015-03-04。