小样纺纱设备在线监控系统的设计与实现

第28卷第4期2009年8月天津工业大学学报JOURNAL OF TIANJIN POLYTECHNIC UNIVERSITYVol.28No.4August 2009小样纺纱设备在线监控系统的设计与实现王进，马崇启（天津工业大学纺织学院，天津300160）摘要：针对现有数字化小样纺纱设备缺乏远程网络监管的问题，开发了小样纺纱设备在线监控系统.重点论述该系统的网络结构、功能和软件设计，利用以太网模块CS1CJ1-ETN21实现了该监控网络，并开发了小样纺纱设备在线监控软件.实践表明，该系统可实现各小样纺纱设备生产数据的自动采集、网上录入、远程监控等功能，提高纺纱生产设备的自动化、信息化有一定指导意义.关键词：工业以太网；TCP/IP ；小样纺纱设备；在线监控中图分类号：TS103.7文献标识码：A文章编号：1671-024X （2009）03-0033-03Design and realization of online monitoring system of sample spinning equipmentWANG Jin ，MA Chong-qi（School of Textile ，Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300160，China ）Abstract ：A sample spinning equipments online monitoring system is developed aiming at the problem of lack ofmonitoring control network of the existing digital sample spinning equipments.The network structure ，functionand software design of sample spinning system are discussed.The network is realized by using the CS1CJ1-ETN21Ethernet modules and the online monitoring software of the sample spinning equipment is developed.The results show that the online monitoring system can realize automatic acquisition ，online entry and remotemonitoring for the production data of sample spinning equipments.The system has certain guiding significancefor improving the automation and informationization of spinning equipments.Key words ：industrial Ethernet ；TCP/IP ；sample spinning machines ；online monitoring收稿日期：2009-05-18基金项目：纺织工业协会指导性项目（2008064）作者简介：王进（1983—），男，硕士研究生；马崇启（1964—），男，副教授,导师.E-mail :tjmcq@随着我国纺织工业持续快速的发展，交流变频调速技术、智能化控制技术、现场总线技术及数显技术在纺织设备中得到广泛应用[1].目前，国内纺纱设备控制系统的开发多侧重于实现单台设备的纺织工艺性能自动化，将机器所具有的先进功能封闭在单机系统内，而忽略了系统的网络化构成，设备大量运行数据难以用于管理.为了提高小样纺纱设备的生产管理水平，必须利用先进的自动化技术和信息化技术对设备进行信息化改造.现场总线技术以及基于该技术的控制系统运用了微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术，将微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信的能力，不但提高了信号测量、控制和传输的精度，也为实现其远程传输创造了条件[2].目前，以太网技术有着以下的优势[3]：应用广泛、成本低廉、软硬件资源丰富、资源共享能力强且通讯速率高、可持续发展潜力大.为此，本文设计了一个基于工业以太网技术的纺纱设备在线监控系统，采用OMRON CS1CJ1-ETN21网络模块实现，并对组成该网络的硬件和软件系统进行分析和介绍.1系统的网络结构和功能1.1系统网络拓扑结构在数字化小样纺纱设备成功研发的基础上，将纺纱设备进行组网，结构如图1所示.整个系统网络分为3层：管理层、控制层和设备层.纺纱实验室的纺纱设备主要包括数字化小样梳棉机、小样并条机、小样精梳机、小样粗纱机、小样细纱第28卷天津工业大学学报机和小样并捻联合机，各台设备均通过控制系统中的以太网模块接入网络，作为工业以太网的一个结点，分配一个独立的IP 地址；另配备1台工控机将各设备所采集数据包括设备的运行状况、产量、效率、工艺参数、异常报警信息等数据定时存储于网络数据库.数据库服务器通过交换机接入以太网中实现数据交换和共享.1.2管理层的组成及功能管理层由Internet 和Ethernet 网组成，主要任务是对生产过程进行监控，并对控制层进行生产过程的控制[4].处在Internet 上的计算机为远程客户端，处在Ethernet 上的计算机为企业控制服务器.服务器端操作系统选用性能稳定的Windows Server 2003，对服务器的访问采用Client/Server 模式.C/S 模式将处理功能分为2部分：客户端承担应用方面的专门任务；服务器主要用于数据处理，对客户机发出的数据存取请求给与及时处理.这种模式提供了一个较理想的分布环境，有利于发挥各自的处理能力，消除了不必要的网络传输负担.通过C/S 模式，客户端可以通过网络及时查询所需资料.由此，实验室的实时控制系统与网络中监控系统相互渗透，彼此结合，构建了小样纺纱设备的自动化信息处理系统，提升了设备的管理水平.1.3控制层的组成及功能现场控制层的硬件主要是由以太网接口的PLC 、以太网模块、以太网交换机和工控机等组成[5].纺纱系统的各台纺纱设备以可编程控制器（PLC ）为核心，通过以太网模块接入网络并通过交换机连接起来，一方面实现对实时I/O 的控制、控制器之间的互锁以及对过程或设备的控制；另一方面完成程序的上传和下载以及报文传送.现场工控机起到数据中转的作用，把下位机信息以TCP/IP 协议通过以太网传输到网络数据库中，组成了纺纱设备监控系统.以太网交换机把各纺纱设备控制器连接起来，根据纺纱设备的多少来选择以太网交换机，原则上对所连接的设备个数没有具体的限制.本文中PLC 选择的是OMRON CP1H 系列产品，以太网模块选择的是CS1CJ1-ETN21网络模块，以太网交换机选用TP-Link 的TL-SF1024快速以太网交换机.该系统采用工业以太网作为主要的通信平台，以太网采用广泛使用的TCP/IP 协议，与传统的DCS 系统相比该系统具有通信速率高、节省硬件数量与投资、节省安装费用和维护开销、用户具有高度的系统集成主动权，提高了系统的准确性与可靠性等优点.1.4设备层的组成及功能设备层各设备主要由传感器、伺服控制器、伺服电机、变频器和变频电机等构成.伺服控制器和变频器分别通过RS485总线连接可编程控制器，通过RS485总线通讯的方式，由可编程控制器对伺服控制器和变频器进行参数设置、状态查询，同时控制变频器运行；变频器控制变频电机传动设备主轴，主轴装有编码器向可编程控制器反馈主轴的转速；可编程控制器的高速脉冲输出口和伺服控制器连接，由伺服控制器分别驱动伺服电机，再由伺服电机分别传动各执行机构.2监控软件的主要功能模块小样纺纱在线监控系统的监控软件，各功能模块如图2所示.（1）在线监视模块主要工作是远程在线监视现场设备运行情况.根据PLC 网络模块支持的通信协议，由上位机发送读写命令，再将网络模块返回的信息送回计算机，并将监视的参数在监控软件界面中显示，包括工艺信息、设备信息、通讯状态、报警信息等.（2）远程诊断模块主要完成对监控界面上显示的工艺参数、设备参数、报警信息的监控.根据报警信图1系统网络拓扑结构图Fig.1Network topologic structure of system路由器客户端交换机交换机防火墙企业控制服务器以太网现场总线客户端EthernetInternetPLC （带以太网模块）现场工业控制机小样梳棉机小样并条机小样精梳机小样粗纱机小样细纱机小样并捻机管理层控制层设备层图2小样纺纱监控系统模块图Fig.2Modules of sample spinning monitoring systemPLC （带以太网模块）PLC （带以太网模块）PLC （带以太网模块）PLC （带以太网模块）PLC （带以太网模块）客户端34——第4期息的提示（如通讯失败、电机超速、工艺参数有误等）向PLC对应的缓冲区发出读写命令实现远程诊断.（3）历史数据模块主要是为了更好地进行工艺和设备的管理，方便用户对数据库中的历史记录进行查询和打印.比原来的单机管理所存储的信息更多，输入、提取信息也更加方便.主要包括保存监控工艺信息与设备信息、提取已存信息等功能.（4）用户管理模块完成对操作人员身份和权限的判断，主要包括修改密码，创建、修改、删除用户，设置权限等功能.（5）系统维护模块主要完成对数据库的维护、程序的升级等.3系统设计与实现系统以VB6.0和SQL server2000为开发工具，既满足系统功能要求的实现，又注重使界面的操作简便.因篇幅有限，只介绍数据库及典型模块下2个子程序的设计思想与实现方法.3.1数据库设计系统包括3个主题数据库：①历史数据主题库，存放了工艺相关数据、设备相关数据，还有产量、效率及纺纱工序计算结果等临时数据，这些数据在后面的流程中频繁使用，存放在数据库中可以统一调用、优化系统性能.②监控主题库，存放了梳棉机监控信息、并条机监控信息、精梳机监控信息、粗纱机监控信息、细纱机监控信息和并捻联合机监控信息知识及对应设备规格性能参数知识等.③设备主题库，存放了小样纺纱设备知识，包括出厂日期、型号、效率等数据. 3.2用户登陆实现过程运行系统后，首先看到登陆窗体，对用户的身份进行认证，用户有3次机会进行身份认证.身份认证可以分为两个过程：①确认用户是否为有效系统用户；②确定用户类型.第一个过程决定用户能否进入系统，第二个过程根据用户的类型决定用户的操作权限.本系统中分了3个权限分别是：普通用户、工艺管理员、系统管理员.3.3在线监控实现过程现场工控机与PLC之间建立通信的流程图如图3所示.初始化程序包括必要的信息设置：服务器和客户端IP地址、端口号，读写PLC寄存器类型等.工控机作为上位机发起连接请求，PLC为下位机侦听上位机连接请求的信息，当连接请求到达时建立连接.成功连接后发送相应帧命令读取PLC内部寄存器信息，上位机将采集到的信息保存到网络数据库中供远程客户端调用，实现远程在线监控纺纱设备运行情况和工艺情况.4结束语信息技术的应用使纺纱生产设备的自动化、信息化程度明显提高，成为改造纺织生产方式的重要手段,使纺织工业生产能力获得新的突破.本文研制的小样纺纱设备在线监控系统具有开放性高、布线安装方便、运行和维护成本低、自动化程度高的特点.目前该网络监控系统已成功应用于数字化小样纺纱系统中，实现了整个纺纱过程中各小样纺纱设备生产数据的自动采集、相关数据的网上录入、远程监控,从而节省了人力,提高了工作效率,降低了费用,对于纺织企业实现纺纱设备的网络监控有一定指导意义.参考文献：[1]高孝纲，赵世凯.我国的纺织机械机电一体化[J].纺织导报，2001（5）：16-18.[2]何亚平.现场总线技术及其网络化[J].贵州科技工程职业学院学报，2008，4（3）：47-49.[3]彭国平，杜亚江.以太网技术在列车通信网络中的应用探讨[J].铁道车辆，2008，46（12）：25-28.[4]诸葛振荣，柏建新，刘伟成.Intranent在电子提花机生产监控中的应用[J].纺织学报，2002，23（3）：216-217. 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