一种最先进的梳棉工序生产信息化系统

      作者：郭  兴

    本文基于Modbus总线、Profibus现场总线和工业以太网构建整个网络架构，完成梳棉工序的数据集中监控和处理。

    1  系统总体设计

    1.1  网络架构

    Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，但许多传统的工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等一般都使用Modbus协议作为它们之间的通信标准。

    某纺织厂实施的信息化系统车间级网络采用西门子公司的Profibus DP现场总线为主干网络，成熟且应用可靠。该厂3条清梳联生产线40台梳棉机，配备的匀整控制装置均具有标准的RS-485通信口，支持Modbus协议通信，要使其集成到Profibus-DP网络，须添加协议转换模块或者其他通信设备来完成整个网络的集成。

    在本设计中，采用NT50-DP-RS网关桥模块将梳棉机匀整控制器使用的Modbus通信协议转换成Profibus-DP通信协议，间接地将梳棉机集成到底层主干总线网络中，方便、经济且系统稳定可靠，具体网络架构如图1所示。考虑到信息量和实时性的要求，每4台梳棉机单机设备通过Modbus通信线串行连接组成Modbus小网络；Modbus小网络连接到NT50网关，通过网关实现Modbus协议到Profibus-DP协议的转换，间接并入主干Profibus-DP网络中；各主站通过工业以太网电缆连接到工业级交换机上，经光纤连接至监控室服务器，实现了监控系统与底层梳棉机匀整控制系统的物理线路连接。

    1.2     NT50网关

    NT50网关桥是德国赫优讯公司开发的专门用于总线协议转换的设备，可以进行多种总线协议转换，具有操作简单、系统稳定的特点。本设计采用的是NT50-DP-RS网关即Modbus转Profibus的通信模块。

    如图2所示，网关桥具有两个标准通信端口(X2、X3)，用于硬件连接和故障诊断。X2口为DP通信端口，可以将网关连接到Profibus-DP总线网络中；X，为标准的网口，可以根据不同的接线连接RS-232设备、RS485设备，在此使用网H中的引脚4和5连接RS-485设备，用于Modbus通信。可以通过网关上的指示灯判断设备的运行状态和诊断故障，如通过1号SYS灯判断设备是否在正常运行情况，通过2号APL灯判断设备X：口和X，口的通信情况是否存在异常，4号灯可以查看网关桥与主站的通信状态，通过5号灯查看当网关作为Modbus主站时与底层从站的通信是否建立，8/9号灯的闪烁显示是否与Modbus从站通信。NT50网关功能强大，可以作多种协议的转换。在通信端口X2中可以选择ASCII、CANopen Master、Modbus RTU、Profibus-DP Master，Profibus-DP Slave等功能项，在通信端口X3中可以选择Modbus RTU、ASCII、Open Modbus/TCP、Profinet IO Device等协议通信。在此配置X2为Profibus-DP Slave，配置X3为Modbus RTU，当两个通信端口的通信协议选择好后，对应的Fireware会自动呈现。NT50还可以对读取的字作自动高低字节转换，便于不同PLC之间通信时的数据处理，减少程序的编写。同时，NT50在Profibus-DP通信中可以根据通信网络自动调节通信速率，并且支持同步锁存、安全模式以及报文DPV1等扩展功能，用于要求实时性高、安全性强的总线通信。

    NT50具有故障诊断功能，可以通过状态信号灯对通信连接等简单故障作出判断，更可以通过软件在线诊断，诊断网关作为Profibus-DP Slave、Modbus RTU和Gateway的通信信息，包括监视系统与从站通信交换的字节内容、通信状态等。

    2软件系统设计

    系统采用西门子S7系列CPU-317 2DP作为DP网络的控制主站、NT50网关作为DP从站，各自功能的完成均需要进行相应的软件设计。

    2.1网关软件设计

    使用SYCON软件可对NT50进行配置，设置网关的不同通信参数。软件可以独立于硬件之外，使得全部设计便于保存系统文件，而且能够避免清洁或者维修时的误动作导致系统错误。

    2.1.1    DP从站参数设定

    网关两个通信口各自的协议标准可以根据需要在软件中选择确定，网关以DP从站和Modbus主站的身份链接两个网络。

    在Profibus-Slave设置菜单中设定网关桥作为DP从站的参数，在此菜单中设置网关桥作为DP从站的地址、波特率等基本参数。根据与底层Modbus从站通信的信息量，配置用于交换的数据量，可以是字或者字节。在此需要注意的是，每个网关的输入输出最多仅支持120个字即240字节的数据交换，且各个slot中字节或者字的配置必须与主站组态软件Step7中的配置完全一致。

    2.1.2    Modbus主站

    网关桥在Modbus网络中设定为Modbus主站，在Modbus-RTU菜单中进行组态。根据匀整控制器控制系统即现在的Modbus从站的通信格式设定通信协议参数，将通信接口类型设定为RS-485通信，波特率为9 600 kbit/s，无校验等。

主站对底层从站不同功能的完成需要通过功能码命令实现，如表1所示。在此选择功能码FC。来读取Modbus从站的寄存器，获取需要的16位寄存器数据，选择功能码FC，和FC2读取底层控制器的I/O信息。在命令表中还可以设置从站读取数据的首地址、寄存器或者线圈数。

    DP从站和Modbus主站的配置完成后，网关在两个网络中各自的功能已经实现，现在需要做的就是将两个网络链接起来，完成两个网络对应的数据区必要的映射。映射方式可以分为两种，一种是系统自动映射功能，另一种是根据需要的寄存器数量和排位手动完成映射。由于在许多工程中映射的需求不同，本系统也选择手动来完成映射。数据映射的一般规则总是把Receive的数据映射至Send的数据，Receive的方向是网关上某一接口接收的数据，Send的方向则是网关上另一个接口发送数据，映射过程如图3所示。

    由图3可知，可以在Mapped Signals对话框中查看映射结果，作出检查，如果映射结果不符合要求，则可再次根据需要完成映射。至此完成网关的所有配置。右击网关，选择Download将配置文件下载到网关中。根据所下载的固件版本和配置文件，上电运行网关，实现通信工作。

    2.2  S7 PLC组态

    使用Step7软件将Profibus总线网络的主站以及所拖带的从站全部进行组态和参数配置：在硬件组态画面中添加机架，插入电源、S7-300 PLC等主站组态信息，在主站的Profibus电缆上添加组态的从站NT50，配置从站的站地址、通信参数、交换字节数等。其中从站各slot中的数据配置必须与NT50在SYCON软件中的配置一致，在主站的配置信息中确定主站的循环时间、诊断等参数信息。随后，将硬件组态下载到西门子PLC中，如果错误，检查显示灯全部熄灭，则整个网络硬件组态成功。

    硬件组态无误后，在各个系统块如组织块和数据块中进行编程设计，以实现整个网络的通信和底层数据的读取。在组织块081中编写程序，完成系统通信和控制功能。为了减少主程序的程序量和循环时间，编写函数，用于主程序的调用，完成主要功能，部分程序的功能在FC311等函数中完成。

    3工程实际应用

    系统通过软、硬件的设计实现了纺纱生产过程中梳棉工序生产数据的集成和处理。

上位机采用WinCC组态软件实现人机交互。由一百多幅画面动态显示梳棉机的运行状态，并实时监控生产参数信息；有几十个报表根据用户需求对数据进行相应的处理；从单机监控画面中可以直观地看到单机设备的动态运行画面，实时呈现机器运行状态、锡林速度、出条速度等生产信息。对于一些比较详细的生产参数如打手速度、前后传感器、CV值等则以表格的形式显现，具体信息如表2所示。

    对于生产数据如CV值，生成历史数据曲线供采集观察。当生产速度跟设定速度不匹配时，系统发出故障报警；同时系统动态显示实时产量信息，并在每个班做出报表统计规划，存档供以后查询使用。

    基于这些信息，可以实现设备在线故障诊断和报警等功能，并且可以完成对生产过程的监控和管理，提高生产效率和合理分配资源。系统的基本功能和优点如下。

    (1)实时性强。实时监控生产设备的运行状态、工艺参数、生产状态以及效率等参数信息，实现订单跟踪、产量评估等，为企业管理人员决策管理提供参考。

    (2)强大的数据采集和处理功能。系统根据用户需求对生产运行过程中的各项生产数据和参数进行实时采集、显示、记录与分析。实时显示各机台的工艺流程图画面；在同一屏幕按照机台的车间布局及实际位置，实时在线显示机台当前状态和运行过程，用不同的颜色表示正常运行、故障停机、停台、断电等状态；实时采集显示机台的运行参数、生产信息以及各故障信息并报警，重要参数的历史曲线回溯功能；实时周期记录关键参数的运行数据（比如计长、效率、停车次数等），并以曲线、棒图等图形方式显示参数的历史数据，协助工艺人员进行数据纵向和横向对比分析。

    (3)有效的生产管理功能。系统可以根据用户需要自动生产班次表，自动进行倒班班次调整，自动处理节假日调休，并可以按工序、生产统筹区域进行设备手动或自动换班，满足上位机到点自动换班和下位机挡车工手动换班的要求。

    (4)系统具有运行稳定可靠、实时性较高、易于维护、性价比高的优点。

    4结束语

    系统通过软硬件的设计，利用网关桥协议转换模块完成不同协议总线网络的集成，实现了对梳棉工序生产数据的获取和运行信息的监控，对生产数据进行有效的处理。自本系统运行以来，底层主干网络的通信正常稳定，没有出现任何软硬件的问题，保证了整个网络系统对生产工序监控的实时有效。实践证明。PLC通过NT50 DP-RS总线桥与Modbus RTU设备通信实现梳棉机信息化网络集成是一种行之有效的方法。

    5摘要：通过现代纺织生产中梳棉工序生产过程信息化程度的调查，对梳棉机生产参数实时监控的信息化建设进行了研究。设计了基于NT50网关的信息化系统。该系统底层采用Modbus通信网络，通过串口／总线的网关连接到Profibus网络，最后应用工业以太网将数据交互至上位机数据库。系统实时采集上百台梳棉机的cv值、牵伸比、产量、速度等重要工艺参数，逾百幅监控画面动态显示机台生产参数信息等。实际工程应用表明，系统能够完成对梳棉工序生产过程的监控和信息管理，有效促进纺织企业管理和控制的信息化系统建设。