盛衛(wèi)鋒，王小偉

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

卷染機的主要任務(wù)就是將一定長度和寬度的織物反復(fù)通過一定濃度和溫度的染液，以及在不同溫度下根據(jù)工藝需求完成一定的往復(fù)次數(shù)，以使染料在織物表面上色。卷染機除主要用于直接、活性、硫化、還原等染料的平幅染色外，還可用于小批量退漿、煮練、漂白、水洗、皂煮和染后處理等。由于它機動靈活、操作簡單、更換品種方便、染液浪費少占地小、尤其適用于多品種、小批量的生產(chǎn)，故在卷染行業(yè)被廣泛使用。隨著染整廠規(guī)模的擴大，卷染機的臺數(shù)在不斷增加，管理和操作所需消耗的人力成本也在不斷的增長。故對卷染機集成中央控制系統(tǒng)的需求也就應(yīng)運而生。

卷染機中央控制系統(tǒng)的將會給企業(yè)帶來至少以下3個方面的好處：

1）能夠讓一個或者少數(shù)幾個操作人員代替多數(shù)操作人員，同時操作和管理全部的卷染機，人力成本將會大大降低。

2）正常情況下操作人員可以不在環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車間，而是在環(huán)境較為舒適的辦公室遠程操作設(shè)備。只有當設(shè)備遇到特殊情況時，操作人員會遠程控制界面受到報警信息，先讓設(shè)備停止運行，再到生產(chǎn)現(xiàn)場解決相關(guān)故障。

3）工作人員的關(guān)鍵操作比如設(shè)備設(shè)定轉(zhuǎn)速、溫度等也將被記錄下來，便于產(chǎn)品的質(zhì)量管理和工藝管理。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

卷染機的工作原理如圖1所示，兩個尺寸完全相同的主輥，通過滾筒帶動織物在染槽中按染色工藝要求，在一定速度和張力的情況下往復(fù)收放并染色，直到符合工藝要求[1]。只有在合適的溫度下，織物在恒定的速度和恒定的符合要求的張力下經(jīng)過染液才不會有色差，才會有柔和的手感。雖然速度等參數(shù)的自動控制工作交給PLC，但是現(xiàn)場操作人員還需監(jiān)測自動控制系統(tǒng)的的輸出，萬一發(fā)現(xiàn)錯誤，可以給予調(diào)整。

圖1 卷染機的工作示意圖Fig.1 The sketch of jigger

計算機具有較強的數(shù)據(jù)處理功能，軟件豐富、配備有多種高級語言，界面友好、操作便利，使用計算機作為可編程控制器的編程工具也十分方便，這些都是HMI所無法比擬的。在計算機與PLC構(gòu)成的綜合系統(tǒng)中，計算機主要完成文字處理、數(shù)據(jù)處理、修改參數(shù)、圖像顯示、打印報表、系統(tǒng)管理、編制PLC程序、工作狀態(tài)監(jiān)視等任務(wù)；PLC仍然直接面向現(xiàn)場設(shè)備，完成原來的工作任務(wù)；PLC與計算機可實現(xiàn)優(yōu)劣互補，擴大PLC的處理能力[2]。

如圖2所示，中央控制系統(tǒng)是指對卷染機進行集中監(jiān)測與控制，提供工藝流程圖顯示、動態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、工藝配方編寫、趨勢圖生成、歷史查詢、參數(shù)設(shè)置以及生產(chǎn)管理等多種功能系統(tǒng)，實際上是一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。它可以讓工作人員更方便地同時控制和管理多臺設(shè)備、計算機輔助PLC之間控制任務(wù)的協(xié)同工作、計算機作為網(wǎng)間連接器，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)PLC與其他計算機網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、方便下位機程序的編寫、調(diào)試與監(jiān)控。

圖2 卷染機中央控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 The sketch of jigger center control system

由于工業(yè)現(xiàn)場的檢測裝置與PLC的I/O點相連，直接由PLC管理，而且卷染機的生產(chǎn)過程參數(shù)、工藝配方都保存在PLC的存儲單元中。所以要實現(xiàn)計算機與卷染機通信，直接讓計算機與控制卷染機的PLC通信就可以了，而不必讓計算機與卷染機中的檢測裝置通信。因此，卷染機中央控制系統(tǒng)的主要研究以下3部分：

1）通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。中央控制系統(tǒng)需要建立一個通訊網(wǎng)絡(luò)作硬件支持，讓計算機和PLC聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)計算機與PLC之間穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)通信。

2）計算機對PLC的數(shù)據(jù)讀寫。由于工業(yè)現(xiàn)場的普通開關(guān)量與模擬量輸入/輸出裝置都是通過信號線與PLC的I/O點相連，直接由PLC管理。所以對于系統(tǒng)來說，監(jiān)測就是讀取PLC中的數(shù)據(jù)并顯示出來，控制就是把具有一定含義的數(shù)據(jù)寫到PLC中去。數(shù)據(jù)讀寫也就是通信的最主要內(nèi)容了。

3）軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)。根據(jù)所選的通信網(wǎng)絡(luò)，選擇合適的開發(fā)環(huán)境，編制相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)應(yīng)該能夠同時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，提供上傳和下載工藝配方、顯示主要工藝參數(shù)圖表功能。

2 PPI協(xié)議

目前卷繞機采用西門子S7-200型PLC，是一種小型整體結(jié)構(gòu)形式的PLC，內(nèi)部集成的PPI接口（Port0、Port1）為用戶提供了強大的通信功能。PPI協(xié)議的物理特性為RS-485，它是一種主從協(xié)議，即主站發(fā)送通信請求到從站，從站進行響應(yīng)，從站不能主動發(fā)送信息，只能等待主站的命令并作出相應(yīng)響應(yīng)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of the network connection

S7-200作為PPI主站時，還可以作為從站響應(yīng)來自其他主站的通信請求。如果選擇了PPI高級協(xié)議，允許建立設(shè)備之間的連接，S7-200的每個通信口支持4個連接，EM277僅支持PPI高級協(xié)議，每個模塊支持6個連接。如圖3所示，計算機通過網(wǎng)線（即雙絞線）與交換機相連，交換機同時還通過網(wǎng)線與6個串口服務(wù)器相連。每個串口服務(wù)器又通過PPI編程線連接著一臺PLC，這種構(gòu)架成本低、擴展性強[3]。

圖4 PPI協(xié)議數(shù)據(jù)讀寫步驟Fig.4 Read and write steps of PPI protocol

PPI協(xié)議是基于字符的異步通信協(xié)議，帶有起始位、8位數(shù)據(jù)、奇偶校驗位和一個停止位。通信幀由起始字符、源和目的站地址、幀長度和數(shù)據(jù)完整性校驗和組成，只要波特率相同。也就是說可以實現(xiàn)計算機對多臺PLC混合存儲區(qū)多組數(shù)據(jù)的一次讀寫。

圖4所示為PPI協(xié)議一次數(shù)據(jù)讀/寫步驟，表示計算機要與PLC進行PPI數(shù)據(jù)讀寫的一般步驟：計算機按照通信要求，用規(guī)定格式的數(shù)據(jù)向PLC發(fā)送通信命令；PLC收到命令后，首先進行命令校驗，如果命令數(shù)據(jù)格式正確無誤，則向計算機返回初步應(yīng)答信號；計算機在收到初步應(yīng)答信號后，再次向PLC發(fā)送確認命令；PLC只有在再次收到確認命令后，才開始執(zhí)行命令響應(yīng)[4-5]。其中數(shù)據(jù)讀寫請求命令和最后的響應(yīng)為SD2格式，確認命令為SD1格式。它們的具體內(nèi)容如下：

SD1幀格式和內(nèi)容：

SD2幀格式的格式和內(nèi)容：

其中：SD1為起始定界符10H，SD2為68H；DA為目標地址；SA為源地址；FC為幀控制字節(jié)；LE為從DA開始到Data結(jié)束的字節(jié)長度；LEr為重復(fù)長度字節(jié)；Data為協(xié)議數(shù)據(jù)單元，是協(xié)議的核心內(nèi)容；FCS表示從DA開始到Data結(jié)束的字節(jié)代數(shù)和；ED為結(jié)束定界符16H。

3 系統(tǒng)軟件

卷染機中央控制系統(tǒng)的功能還需要通過軟件來表現(xiàn)。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，首先根據(jù)要求抽象出命令、命令生成器、卷染機、PPI通信等對象；然后對需求進行合理分層，構(gòu)建相對獨立的業(yè)務(wù)模塊；之后設(shè)計業(yè)務(wù)邏輯，利用多態(tài)、繼承、封裝、抽象的編程思想，實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求；最后通過整合各模塊，主線程將實例化卷染機類對象，啟動內(nèi)置的命令隊列生成器、命令執(zhí)行器、并向其注冊更新界面的事件[6]。

3.1 數(shù)據(jù)讀寫

在卷染機中央控制系統(tǒng)中，計算機與PLC通信內(nèi)容主要是數(shù)據(jù)讀寫。數(shù)據(jù)讀取的內(nèi)容較多，如表1所示，列出了系統(tǒng)的要求計算機從PLC讀取的內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)長度、存儲地址、每條數(shù)據(jù)的實際物理意義。

表1 計算機從PLC讀取的具體內(nèi)容Tab.1 Specific content of the computer read from PLC

表2列出了系統(tǒng)要求計算機向PLC寫入的內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)長度、存儲地址、每條數(shù)據(jù)的實際物理意義?，F(xiàn)場操作人員一般根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，才會進行數(shù)據(jù)寫入操作。比如管理員發(fā)現(xiàn)機器溫度較高，才會向PLC中相關(guān)存儲單元中寫于一些數(shù)據(jù)然系統(tǒng)降溫，所以這些要寫入的數(shù)據(jù)都是隨機性數(shù)據(jù)。

表2 計算機向PLC寫入的具體內(nèi)容Tab.2 Specific content of the computer write to PLC

3.2 狀態(tài)監(jiān)控界面

卷染機每秒鐘使用命令生成器向命令隊列中添加新的對象，用于讀取設(shè)備狀態(tài)。當程序收到PLC的信息經(jīng)PPI對象解析后，顯示在用戶界面上，如圖5所示。當然用戶也可以點擊界面上的按鈕，向命令隊列添加進水、排水、加料、讀配方等命令。

圖5 狀態(tài)監(jiān)控界面Fig.5 The interface of monitoring

系統(tǒng)的配方處理有上傳配方和下載配方之分，先選擇機臺號，然后點擊上傳按鈕就可以了，如圖6所示。上傳按鈕功能的實現(xiàn)與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測一樣，都是把命令添加到命令隊列中交給卷染機對象來處理，更新界面的也是由卷染機對象所觸發(fā)的更新界面事件來實現(xiàn)。PPI協(xié)議一次只能讀取222字節(jié)的數(shù)據(jù)，所以上傳60個字的配方被分為2數(shù)據(jù)讀取命令依次執(zhí)行。下載配方的實現(xiàn)與上傳配方的唯一區(qū)別就是，下載配方要分10次執(zhí)行。

圖6 上傳下載配方界面Fig.6 The interface of upload and download recipes

4 結(jié) 論

本文介紹了一種卷染機中央控制系統(tǒng)，著重描述了計算機通過PPI通訊協(xié)議同時對多臺西門子S7-200型PLC混合存儲區(qū)多組數(shù)據(jù)的一次讀寫技術(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了集中控制多臺卷染機，檢測設(shè)備狀態(tài)、上傳和下載配方和顯示主要工藝參數(shù)圖表的功能。通過調(diào)試檢測，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的長時間運行，完全可以滿足實際使用需要。

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[3]李江全.西門子S7-200PLC數(shù)據(jù)通信及測控應(yīng)用 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

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