摘要:針對中國棉花加工過程中存在的加工設(shè)備故障率高、故障處理時間長的問題,研發(fā)了一套基于Modbus協(xié)議的棉花加工測控系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流檢測裝置和轉(zhuǎn)速檢測裝置,用于檢測棉花加工設(shè)備運(yùn)行電流與轉(zhuǎn)速參數(shù),采用數(shù)據(jù)挖掘故障診斷技術(shù),分析加工設(shè)備故障特征,判斷加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊過程中,傳感器與控制器之間采用Modbus RTU協(xié)議、觸摸屏與上位機(jī)之間采用Modbus TCP協(xié)議,確保設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的安全傳輸。棉花加工測控系統(tǒng)一個軋季的正常運(yùn)行,有效降低了設(shè)備故障率,減少了故障處理時間,驗(yàn)證了整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和正確性。
關(guān)鍵詞:Modbus協(xié)議;電流檢測;轉(zhuǎn)速檢測;棉花加工;測控系統(tǒng)
中圖分類號:TP277;TS113 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:0439-8114(2016)11-2913-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.052
棉花加工的生產(chǎn)過程是指由原料子棉開始到制成產(chǎn)品皮棉、短絨等的全部勞動過程[1],其工藝主要由子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理、集棉、打包、剝絨六個環(huán)節(jié)組成。在子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理和集棉環(huán)節(jié),由于棉花喂給不均勻、子棉回潮率大等原因,存在加工設(shè)備堵棉、皮帶斷裂等故障。隨著中國近年棉花產(chǎn)量不斷提高,傳統(tǒng)的繼電器與單一的PLC的控制模式,檢測信息速度慢且信息量少[2],致使加工設(shè)備很難同步協(xié)調(diào)工作,繼而造成加工設(shè)備故障率高、故障處理時間長,嚴(yán)重影響了棉花加工的產(chǎn)量與質(zhì)量。
本研究設(shè)計(jì)的棉花加工測控系統(tǒng),根據(jù)Modbus協(xié)議簡單、實(shí)施容易等特點(diǎn),解決棉花加工過程中存在的設(shè)備故障率高、故障處理時間長的問題。通過測控系統(tǒng)的使用,降低了棉花加工過程的設(shè)備故障率,縮短了故障處理時間,提高了棉花加工產(chǎn)量與質(zhì)量。
1 Modbus協(xié)議及其分析
Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言,通過此協(xié)議,控制器及相互之間經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信[3-5]。Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU、TCP等,并沒有規(guī)定物理層。協(xié)議的物理層可以是RS-232、RS-422、RS-485或TCP。與其他總線標(biāo)準(zhǔn)相比,Modbus協(xié)議具有協(xié)議簡單、實(shí)施容易、性價比高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[6,7]。
Modbus協(xié)議采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中,如果某Slave站點(diǎn)斷開后(如故障或關(guān)機(jī)),Master端可以加以診斷;而當(dāng)故障修復(fù)后,網(wǎng)絡(luò)又可自動接通。因此,Modbus協(xié)議的可靠性較高[8]。在Modbus協(xié)議中,有多種協(xié)議代碼,本研究主要使用以下4種功能代碼(表1)。
2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 測控系統(tǒng)硬件組成
測控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、觸摸屏與控制器、傳感器等幾部分組成。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)棉花加工數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計(jì)功能;觸摸屏與控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析判斷、控制、傳輸、顯示功能;傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、傳輸功能;LED顯示屏實(shí)現(xiàn)車間加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警功能。棉花加工測控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。2.2 Modbus傳感器設(shè)計(jì)
Modbus傳感器設(shè)計(jì)包括電流檢測裝置設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)速檢測裝置設(shè)計(jì)。電流檢測裝置和轉(zhuǎn)速檢測裝置主控芯片均采用宏晶科技生產(chǎn)的STC15F2K60S2單片機(jī)。
STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時鐘的單片機(jī),是高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,且速度快8~12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時鐘(±0.3%),±1%溫飄(-40~+85 ℃),常溫下溫飄±0.6%(-20~+65 ℃),5 MHz~35 MHz寬范圍可設(shè)置,可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路[9]。
2.2.1 電流檢測裝置設(shè)計(jì) 電流檢測裝置實(shí)時檢測加工設(shè)備的電流值,并把測得的電流值通過Modbus RTU協(xié)議發(fā)送給PLC控制器,電流檢測裝置可實(shí)現(xiàn)16路電流的檢測。
電流檢測裝置主要由STC15F2K60S2、16路模擬量轉(zhuǎn)換電路、A/D采樣、DC/DC降壓電路、光耦隔離電路、RS-485電路組成。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于電流檢測裝置安裝的配電房存在多種干擾源,為了確保檢測裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,在電流檢測裝置的通訊電路中增加光耦隔離電路,實(shí)現(xiàn)RS-485通訊電路的電氣隔離。
2.2.2 轉(zhuǎn)速檢測裝置設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速檢測裝置實(shí)時檢測加工設(shè)備關(guān)鍵部位的轉(zhuǎn)速值,并把所測轉(zhuǎn)速值通過Modbus RTU協(xié)議發(fā)送給PLC控制器,以供控制器對加工設(shè)備工況進(jìn)行判斷。
轉(zhuǎn)速檢測裝置主要由STC15F2K60S2、脈沖信號檢測電路、DC/DC降壓電路、數(shù)碼管顯示電路、光耦隔離電路、RS-485電路組成。裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。轉(zhuǎn)速檢測裝置安裝在車間加工設(shè)備上,為了方便加工人員及時掌握所測加工設(shè)備的轉(zhuǎn)速值,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測裝置時增加數(shù)碼管顯示電路,實(shí)時顯示轉(zhuǎn)速值。同樣,為了確保通訊的穩(wěn)定性,在轉(zhuǎn)速檢測裝置的通訊電路中,增加光耦電氣隔離電路,增強(qiáng)通訊的可靠性。
2.3 測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析設(shè)計(jì)
棉花加工設(shè)備在工作過程中,常會出現(xiàn)堵棉、皮帶或鏈條斷裂、主軸失穩(wěn)等故障,通過研究與分析可知,根據(jù)電流和轉(zhuǎn)速的變化率,可區(qū)分出加工設(shè)備不同的工作狀態(tài),具體如下。
1)當(dāng)加工設(shè)備正常工作時,其電流和轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出,轉(zhuǎn)速曲線和電流曲線幾乎為一條直線。因此,在加工設(shè)備正常工作時,電流變化率di/dt≈0,轉(zhuǎn)速變化率a≈0。
2)當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)堵棉現(xiàn)象時,其電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。從圖5可以看出,轉(zhuǎn)速曲線迅速下降為0,電流曲線迅速上升,達(dá)到一定值時保持不變,當(dāng)加工人員關(guān)斷加工設(shè)備電源后,電流曲線逐漸降低為零。因此,在加工設(shè)備電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)后的有限時間內(nèi),電流變化率di/dt<0,轉(zhuǎn)速變化率a>0。
3)當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)皮帶或鏈條斷裂現(xiàn)象時,其電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示。從圖6可以看出,轉(zhuǎn)速曲線迅速下降為0,電流曲線緩慢下降,下降到一定值時保持不變。因此,在加工設(shè)備電機(jī)出現(xiàn)皮帶或者鏈條斷裂現(xiàn)象后的有限時間內(nèi),電流變化率di/dt<0,轉(zhuǎn)速變化率a<0。
4)當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)主軸失穩(wěn)現(xiàn)象時,其轉(zhuǎn)速和電流曲線如圖7所示。從圖7可以看出,電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線呈周期性變化。因此,在加工設(shè)備出現(xiàn)主軸失穩(wěn)現(xiàn)象時,電流變化率|di/dt|>0,轉(zhuǎn)速變化率|a|>0。
通過以上分析可以看出,測控系統(tǒng)控制器通過計(jì)算檢測的加工設(shè)備電機(jī)的電流變化率和設(shè)備關(guān)鍵部位轉(zhuǎn)速變化率,根據(jù)電流變化率和轉(zhuǎn)速變化率的不同,判斷出加工設(shè)備的工作狀態(tài),進(jìn)行相應(yīng)的控制和其他處理。
2.4 測控系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)
測控系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時采集子棉預(yù)處理、軋花、皮棉清理、集棉工藝環(huán)節(jié)加工設(shè)備的電流值與轉(zhuǎn)速值,通過Modbus RTU協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器;PLC控制器對檢測的電流值與轉(zhuǎn)速值進(jìn)行綜合分析判斷,把檢測數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果通過Modbus RTU協(xié)議傳輸給觸摸屏,觸摸屏顯示數(shù)據(jù),并通過Modbus TCP協(xié)議把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī);上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和統(tǒng)計(jì),然后把統(tǒng)計(jì)結(jié)果提供給管理人員。
在子棉預(yù)處理環(huán)節(jié),當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時,PLC控制器控制自動喂花機(jī)的電機(jī)停止工作,停止喂花;在軋花、皮棉清理、集棉環(huán)節(jié),當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時,PLC控制器控制軋花機(jī)開合箱電機(jī)開箱,停止軋花;在加工設(shè)備出現(xiàn)故障時,PLC控制器控制LED屏顯示器控制器,實(shí)現(xiàn)車間LED顯示屏故障報(bào)警顯示。測控系統(tǒng)控制流程如圖8所示。
3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件為測控系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)軟件。軟件采用VC6.0開發(fā)環(huán)境,使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫。SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫功能允許用戶透明地查詢和操作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫實(shí)例的數(shù)據(jù),并使應(yīng)用程序看起來只有一個大型的集中式數(shù)據(jù)庫,用戶可以在任何一個場地執(zhí)行全局應(yīng)用,具有數(shù)據(jù)分布透明性和邏輯整體性等特點(diǎn)。
上位機(jī)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、存儲車間內(nèi)所有采集的數(shù)據(jù);統(tǒng)計(jì)車間加工設(shè)備故障原因、故障時間、故障率。上位機(jī)軟件與車間觸摸屏通過Modbus TCP協(xié)議通訊,把所采集的數(shù)據(jù)存儲在SQL server 2000數(shù)據(jù)庫中,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
進(jìn)入主界面后,可以選擇查看所檢測加工設(shè)備的電流曲線與轉(zhuǎn)速曲線,當(dāng)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時,可在故障報(bào)警界面查看故障原因、故障處理時間等相關(guān)故障信息。
4 小結(jié)
基于Modbus協(xié)議的棉花加工測控系統(tǒng),在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師新湖總場新旺社區(qū)棉花加工廠安裝使用,將棉花加工設(shè)備的參數(shù)檢測、分析判斷與自動控制相結(jié)合,降低棉花加工設(shè)備故障率10%,縮短故障處理時間30%,提高了生產(chǎn)效率;基于Modbus協(xié)議的棉花加工測控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了加工過程設(shè)備故障率、故障原因統(tǒng)計(jì),為管理人員生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支撐。
隨著棉花加工測控系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,以及系統(tǒng)的推廣使用,將為棉花加工過程的信息化、智能化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1] 徐炳炎.棉花加工新工藝與設(shè)備[M].北京:機(jī)械出版社,2002.
[2] 張 順,張錦石.機(jī)采棉加工微電腦智能控制系統(tǒng)[J].中國棉花加工,2014(2):17-19.
[3] 何凌霄,林凡強(qiáng).基于MODBUS協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)火災(zāi)測控系統(tǒng)[J].電子科技,2013(9):148-151.
[4] 鄧元生. 基于單片機(jī)的MODBUS總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].長沙:中南大學(xué),2009.
[5] 陳 銘.基于MODBUS協(xié)議的設(shè)備和PLC實(shí)現(xiàn)通訊的研究[J].湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,30(4):60-62.
[6] 張世界,蔣 健,宋 彬.一種基于Modbus協(xié)議的多總線工業(yè)測控系統(tǒng)[J].今日電子,2012(1):55-57.
[7] 王小鵬,張九強(qiáng).MODBUS在智能保護(hù)裝置上的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2011(1):190-192.
[8] 王佳承,費(fèi)敏銳,王海寬.基于Modbus的多現(xiàn)場總線集成測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動化儀表,2009,30(6):20-25.
[9] 陳桂友.單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2012.