徐源鈺，蘇旭中，劉燕卿，劉新金

（江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，無(wú)錫 214000）

0 引言

作為中國(guó)傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)之一的紡織業(yè)正面臨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)壓力、勞動(dòng)力成本上升等問(wèn)題。隨著“中國(guó)制造2025”的實(shí)施，對(duì)智能制造工程提出了生產(chǎn)過(guò)程智能優(yōu)化控制，建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠、數(shù)字化車間的要求，因此將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于紡織行業(yè)是一個(gè)必然的趨勢(shì)[1]。

竹節(jié)紗具有粗細(xì)分布不均勻及種類豐富的特征，能夠生產(chǎn)出各種風(fēng)格不同的織物，受到消費(fèi)者和市場(chǎng)的歡迎。江南大學(xué)自主研發(fā)的ZJ-5A型數(shù)字式智能竹節(jié)紗生產(chǎn)裝置運(yùn)用環(huán)錠紡竹節(jié)紗生產(chǎn)方式，運(yùn)行中使前羅拉恒速，控制轉(zhuǎn)速較低的中后羅拉，從而形成與基紗有變化的粗節(jié)，通過(guò)觸摸屏來(lái)調(diào)節(jié)竹節(jié)紗的生產(chǎn)工藝參數(shù)即可生產(chǎn)出種類豐富、精密的竹節(jié)紗[2]。但是這種控制方式在問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和處理上受到了時(shí)間以及空間上的限制：操作局限于在車間內(nèi)進(jìn)行；需要人工的巡視才能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不利于問(wèn)題的及時(shí)處理[3]。因此，需要借助于遠(yuǎn)程通訊模塊以及虛擬串口技術(shù)來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控。

1 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

該設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上添加了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，無(wú)需對(duì)原有的硬件設(shè)備進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化了改造的過(guò)程、降低了設(shè)備改造升級(jí)的成本。

遠(yuǎn)程通訊模塊的使用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLC、觸摸屏等設(shè)備的遠(yuǎn)程上下載程序和設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控，解決了竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備“信息孤島”的問(wèn)題，對(duì)于竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的控制不再受到距離的限制。在實(shí)際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)對(duì)于多臺(tái)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以將生產(chǎn)車間與企業(yè)的管理層緊密聯(lián)系起來(lái)，有助于提高生產(chǎn)管理的效率，進(jìn)一步向“智能工廠”、“數(shù)字化車間”邁進(jìn)；對(duì)于竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的PLC和觸摸屏的遠(yuǎn)程上下載程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程在線管理，無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，簡(jiǎn)化了對(duì)于設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維修的過(guò)程，有效地減少人力的支出。

虛擬串口技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了所需要連接的設(shè)備物理串口缺少的問(wèn)題，而且能夠減少設(shè)備間的布線，節(jié)約了生產(chǎn)成本的同時(shí)也避免了因車間內(nèi)布線過(guò)多而引發(fā)的安全生產(chǎn)問(wèn)題。

整套系統(tǒng)具有全球性監(jiān)測(cè)與控制、穩(wěn)定性高、運(yùn)維便捷的性能特點(diǎn)。

2 主要硬件及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

如圖1所示，竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、遠(yuǎn)程控制模塊和全球監(jiān)控中心組成。其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包含以西門子S7-200PLC、信捷觸摸屏為主的ZJ-5A型生產(chǎn)裝置；遠(yuǎn)程控制模塊采用了信捷A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊，具有全球網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可使用、持久在線、通訊穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；全球監(jiān)控中心則是以云服務(wù)器和PC端為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，不斷采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的工藝參數(shù)，能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、曲線、故障報(bào)警等實(shí)時(shí)顯示在PC端，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的效果。

圖1 竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

PLC將采集到的生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)通過(guò)A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊上傳到云服務(wù)器。PC端連入局域網(wǎng)后，將從云服務(wù)器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)虛擬串口傳輸?shù)嚼鐾☉B(tài)（MCGS）數(shù)據(jù)庫(kù)中，在PC端的昆侖通態(tài)（MCGS）組態(tài)環(huán)境中創(chuàng)建生產(chǎn)管理界面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，方便、實(shí)時(shí)地觀察現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況；同時(shí)也能夠?qū)⒅窆?jié)紗生產(chǎn)設(shè)備上觸摸屏的參數(shù)設(shè)定的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到PC端，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

3 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制技術(shù)可以讓用戶在遠(yuǎn)離設(shè)備的地方實(shí)時(shí)地控制、監(jiān)控設(shè)備，不受距離的限制，能夠及時(shí)有效地處理設(shè)備的生產(chǎn)故障，便于生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的用途[4]。

竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的核心是西門子S7-200系列PLC，圖2所示為竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程應(yīng)用通信架構(gòu)：PLC上的RS485端口與遠(yuǎn)程控制模塊通過(guò)串口線連接，并通過(guò)Modbus_RTU協(xié)議模式進(jìn)行通信；設(shè)置遠(yuǎn)程控制模塊使其連入局域網(wǎng)，從而將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆品?wù)器中；遠(yuǎn)程的電腦用戶端連入局域網(wǎng)后，創(chuàng)建一個(gè)虛擬串口，可以直接以串口的方式從云服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及傳輸。

圖2 竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程應(yīng)用通信架構(gòu)

3.1 通訊接口

工業(yè)上，采用串行通訊的方式，數(shù)據(jù)字按照一位一位的順序進(jìn)行傳送，具有較強(qiáng)的抗干擾性能。常見(jiàn)的串口通訊物理端口為RS232和RS485。圖3和圖4所示為RS232和RS485的通訊結(jié)構(gòu)，由圖中可看出，信號(hào)是以電壓信號(hào)傳輸?shù)?，?dāng)RS232結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生干擾信號(hào)時(shí)，易造成兩接地端電位不等，使得接收端的信號(hào)與發(fā)送信號(hào)不同，所以此方式不利于長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸；而RS485結(jié)構(gòu)中將信號(hào)分為正負(fù)兩路，信號(hào)到達(dá)接收端后，將兩路信號(hào)相減得到發(fā)送端的原始信號(hào)，所以當(dāng)信號(hào)源產(chǎn)生干擾信號(hào)時(shí)，干擾信號(hào)會(huì)疊加到兩路信號(hào)中，在接收端相減后能夠排除干擾信號(hào)的影響，從而確保接收端能夠得到正確的原始信號(hào)。RS485以差分傳輸?shù)姆绞接行懦肼暩蓴_，更利于長(zhǎng)距離傳輸，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。RS232只能進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊，而RS485可多點(diǎn)通訊，并在通訊字符中標(biāo)注響應(yīng)的設(shè)備地址。

圖3 RS232的信號(hào)結(jié)構(gòu)圖

圖4 RS485的信號(hào)結(jié)構(gòu)圖

基于虛擬端口的竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)多臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控，并且在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，車間內(nèi)來(lái)自于其他電氣設(shè)備的干擾信號(hào)較多，因此需要更為穩(wěn)定的通訊方式[5]。綜上分析，A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的PLC之間的通訊方式基于RS485端口的通訊展開(kāi)。

3.2 通信協(xié)議

MODBUS作為串行通信協(xié)議，能夠使得多個(gè)設(shè)備連接到同一網(wǎng)絡(luò)中并進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交流，符合基于虛擬端口的竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于多臺(tái)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通信的要求。MODBUS通信協(xié)議包含MODBUSRTU、MODBUS-ASCII、MODBUS-TCP/IP這三種形式，系統(tǒng)所使用的A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊支持MODBUSRTU（Remote Terminal Unit），該協(xié)議采用的是緊湊型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示方式，命令符中帶有循環(huán)冗余方式的校驗(yàn)，充分保證了信息的準(zhǔn)確性及可靠性。MODBUS是遵從主/從結(jié)構(gòu)的協(xié)議，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主站，其他節(jié)點(diǎn)作為從站，每個(gè)從站會(huì)分配有一個(gè)地址。主站會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)從站地址進(jìn)行逐個(gè)訪問(wèn)，保證主站能與每個(gè)從站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，進(jìn)而形成周期性的數(shù)據(jù)傳遞模式。在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，主站能夠讀寫(xiě)相應(yīng)設(shè)備地址的從站中的數(shù)據(jù)地址寄存器，而從站不能訪問(wèn)其他從站，只能響應(yīng)主站的命令[6]。

MODBUS協(xié)議定義了四種數(shù)據(jù)類型：可讀寫(xiě)位線圈（0區(qū)）、只讀離散量輸入（1區(qū)）、只讀模擬輸入寄存器（3區(qū)）、可讀寫(xiě)保持寄存器（4區(qū)），如表1所示MODBUS協(xié)議中的數(shù)據(jù)地址都是從1開(kāi)始的[7]。當(dāng)設(shè)備接收到指令時(shí)，首先根據(jù)報(bào)文中的功能碼自動(dòng)選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域，再根據(jù)起始地址選中相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的首地址，最后訪問(wèn)相應(yīng)字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，MODBUS協(xié)議的訪問(wèn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

表1 MODBUS數(shù)據(jù)地址

圖5 MODBUS協(xié)議的訪問(wèn)結(jié)構(gòu)

3.3 虛擬串口

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在PC端直接對(duì)遠(yuǎn)端生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行管理能夠有效地提高生產(chǎn)管理的效率。但是多數(shù)的電腦物理串口個(gè)數(shù)有限，或是與所需要連接的設(shè)備的串口有著物理沖突，使得僅僅依靠于物理串口的通信體現(xiàn)出了一定的局限性。竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)多臺(tái)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)控，那么每臺(tái)設(shè)備至少需要一個(gè)物理串口來(lái)與電腦端相連，實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)的話就會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)布線過(guò)多、易引發(fā)生產(chǎn)事故等問(wèn)題[8]。

虛擬串口不再使用數(shù)據(jù)電纜，并且具有于實(shí)際的物理串口相似的功能。虛擬串口的建立、設(shè)置與連接只需要通過(guò)虛擬串口軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠有效解決上述的問(wèn)題，減少生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的布線，簡(jiǎn)化了工作，并且無(wú)需添加其他的新設(shè)備，降低了硬件的生產(chǎn)成本[9]。

在該系統(tǒng)中，首先，在PC端創(chuàng)建一個(gè)虛擬串口，可在設(shè)備管理器中查看到該串口；打開(kāi)西門子PLC的STEP7編程軟件，在PC/PPI通信中選中相應(yīng)的虛擬串口號(hào)，同時(shí)勾選“調(diào)制解調(diào)器連接”，并對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信的設(shè)置：波特率9600bps、8位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)和1位停止位；最后，刷新得到當(dāng)前所連接的PLC，從而實(shí)現(xiàn)程序的上傳及下載操作。

4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

4.1 MCGS概述

MCGS（Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng)）與以往使用專用機(jī)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，更具有通用性，能夠快速完成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)造，它通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)表輸出等多種形式向用戶提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案，因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用[10]。

4.2 設(shè)計(jì)流程

首先要了解竹節(jié)紗生產(chǎn)的工藝流程以及生產(chǎn)設(shè)備的構(gòu)成，明確具體的監(jiān)控對(duì)象及技術(shù)要求。在此基礎(chǔ)上，定義數(shù)據(jù)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立；根據(jù)實(shí)際技術(shù)需求完成對(duì)于主控窗口、設(shè)備窗口以及用戶窗口的構(gòu)造，設(shè)置好系統(tǒng)中各個(gè)部件所需調(diào)用的運(yùn)行策略，即完成MCGS的組態(tài)過(guò)程。竹節(jié)紗生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)建的MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖6所示。

圖6 MCGS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建完成以后，還需要實(shí)現(xiàn)MCGS與竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的PLC之間的數(shù)據(jù)交互，才能夠?qū)崿F(xiàn)在MCGS端對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，這個(gè)過(guò)程被稱為設(shè)備構(gòu)件的通道連接。竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備通道連接如圖7所示。

圖7 設(shè)備通道連接

4.3 交互界面設(shè)計(jì)

如圖8所示為竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)MCGS用戶界面端參數(shù)設(shè)定的界面。主要的設(shè)定參數(shù)有竹節(jié)紗的長(zhǎng)度、倍率及基紗的長(zhǎng)度，擁有操作權(quán)限的用戶在PC端登錄以后，在該界面根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求輸入?yún)?shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)所連接的設(shè)備的生產(chǎn)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定。

圖8 竹節(jié)紗生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)MCGS用戶界面端參數(shù)設(shè)定的界面

除此以外，還有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面、運(yùn)行狀態(tài)界面、歷史數(shù)據(jù)界面以及報(bào)警顯示等。如圖9所示即為竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面。

圖9 竹節(jié)紗生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)利用虛擬串口技術(shù)及A-BOX遠(yuǎn)程通訊模塊，解決了竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備“信息孤島”的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于多臺(tái)竹節(jié)紗生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，以及在線對(duì)設(shè)備的PLC上傳及下載程序，節(jié)省了大量人力、物力的同時(shí)也有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)管理的效率，在紡織工業(yè)的控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。