1、引言

隨著當今計算機技術、控制技術以及通信技術的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡集成化的控制系統(tǒng)是工業(yè)自動化系統(tǒng)發(fā)展的必由之路。而現(xiàn)場總線（Fieldbus）是上世紀90年代初發(fā)展形成的，廣泛應用于過程自動化、制造自動化等領域的現(xiàn)場智能設備互聯(lián)通訊網(wǎng)絡。國際電工委員會（IEC）在IEC61158中給現(xiàn)場總線下了一個明確的定義：安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串形、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。它的關鍵特點是：在體系結構上成功地實現(xiàn)了串行連接，一舉克服了并行連接的許多不足;在技術上成功地解決了開發(fā)競爭和設備兼容兩個難題，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的高度智能化、互換性和控制功能的徹底分散化。從而使現(xiàn)場總線技術和其他技術相比，在設備的硬件數(shù)量和投資、安裝費用、維護費用、系統(tǒng)的控制精度和可靠性以及用戶的自主選擇權上都顯示出了巨大的優(yōu)越性。PROFIBUS（PROcess Fieldbus）總線技術又以其技術的成熟性、完成性和應用的可靠性等多方面的表現(xiàn)，在現(xiàn)場總線技術領域中成為領跑者。而PROFIBUS-DP技術是一般用于車間設備級的高速數(shù)據(jù)通信，主站通過標準的PROFIBUS-DP專用電纜與分散的現(xiàn)場設備進行通信，對整個DP網(wǎng)絡進行管理和控制。在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡中多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，另外還提供強大的網(wǎng)絡以及參數(shù)配置、故障診斷和報警處理等的非循環(huán)通信。

本系統(tǒng)將PROFIBUS總線技術應用在紡織行業(yè)的清梳聯(lián)工序的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)中，采用西門子S7-300系列的PLC作為控制系統(tǒng)的主站，將分散的紡織機械設備作為控制系統(tǒng)的從站，將需要的數(shù)據(jù)信息通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行采集和處理。下面主要針對清梳聯(lián)工序，闡述控制網(wǎng)絡的總線構成以及軟件實現(xiàn)，并分析了PROFIBUS總線技術在紡織行業(yè)中應用的優(yōu)勢。

2、系統(tǒng)簡介

典型的紡織生產(chǎn)過程主要包括了清花工序、梳棉工序、預并條工序、條并聯(lián)工序、并條工序、精梳工序、粗紗工序、細紗工序、絡筒工序等生產(chǎn)流程。其中清花工序和梳棉工序簡稱清梳聯(lián)工序。清花工序又稱開清棉，主要對原棉進行混合、開松、除雜，并去除羽毛、尼龍線、碎布、絲麻等異性纖維，主要由往復式抓棉機、開棉機、混棉機、清棉機、微塵異纖分離機等設備組成。梳棉工序主要有各種型號的梳棉機組成，梳理棉纖維使其分離成單纖維狀態(tài)，清除筵棉中的棉結、雜質、疵點及部分短纖維，在梳棉工藝過程中也具有一定的均勻、混合作用，最后將制成的棉條（生條）圈放在條筒中。其典型的清梳聯(lián)生產(chǎn)流程如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由各種型號的18臺清花機和54臺梳棉機組成，但是由于清梳聯(lián)工序中現(xiàn)場設備數(shù)量多、分布范圍廣、信號類型復雜、在線故障診斷以及報警等功能不強，整個系統(tǒng)的可維護性差，集中智能化管理困難，并且不同廠家的設備兼容性差，系統(tǒng)的開放性、集成性不強，給整個工序的信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)集成、生產(chǎn)管理等帶來了極大的困難，大大的影響了企業(yè)生產(chǎn)效率的提高、經(jīng)濟效益的增長和市場競爭力的增強。

3、系統(tǒng)設計

3.1 方案選擇

由于清梳聯(lián)工序的生產(chǎn)信號類型復雜，紡織機械設備數(shù)量多，類型雜，分布范圍廣，相互之間的通信能力不強，且部分產(chǎn)品采用的仍然是老式的PLC控制器，為了符合企業(yè)未來的發(fā)展方向，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息采集及處理、事故分析及故障診斷、報表統(tǒng)計及打印、設備遠程控制、信息通信、實時在線診斷和生產(chǎn)管理等功能，滿足現(xiàn)代紡織工業(yè)的高質量、低成本、大批量、快速響應、高效低耗、清潔生產(chǎn)的需要，采用基于PROFIBUS的總線技術構成以S7-300PLC作為系統(tǒng)主站、帶有DP通訊模塊的各種機械設備作為從站的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產(chǎn)控制和企業(yè)管理的管控一體化。

3.2 硬件構成

本系統(tǒng)包括18臺清花機和54臺梳棉機。其中54臺JWF1204型號的梳棉機和12臺清花機都是采用S7-200的PLC作為單機設備的控制器，另外6臺清花機的控制器采用帶有RS-485通訊接口的自開發(fā)模塊。由于一個PROFIBUS-DP網(wǎng)絡中最多可以126個系統(tǒng)從站，每個網(wǎng)段中最多有31個系統(tǒng)從站。因此，清梳聯(lián)工序的網(wǎng)絡結構主要是采用S7系列的315-2DPCPU作為系統(tǒng)主站，分別采用EM277通訊模塊和RS-485/DP通訊模塊將各個單機設備通過3個中繼器和1個終端電阻組成4個網(wǎng)段（每個網(wǎng)段包括18個從站），構成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。其網(wǎng)絡結構示意圖如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

安裝西門子的STEP7 V5.3版本的組態(tài)軟件，分配系統(tǒng)主站和從站地址，利用PROFIBUS-DP專用電纜和連接器以及中繼器、終端電阻，按照網(wǎng)絡拓撲結構進行系統(tǒng)網(wǎng)絡的物理連接。然后在STEP7軟件上添加第三方設備需提供自己的GSD文件。GSD文件是制造商事前寫好的，已經(jīng)固化到相應的設備中，不同性能的設備其GSD文件也不一樣。用戶可以讀GSD文件，但不能對其進行修改。進行系統(tǒng)組態(tài)時，必須添加設備的GSD文件，只有這樣設備才能被系統(tǒng)所認可。然后在新建項目的菜單中，選擇“SIMATIC 300 Station”，插入CPU315-2DP的系統(tǒng)主站，然后根據(jù)從站性質，分別組態(tài)EM277和RS-485/DP的通訊模塊。整個系統(tǒng)的組態(tài)結構示意圖如圖3所示。

3.4 軟件設計

軟件系統(tǒng)分別選用工業(yè)組態(tài)編程軟件STEP7 V5.3和遠程監(jiān)控軟件SIMATIC WinCC。STEP7運行于Windows環(huán)境下，界面友好，完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、PLC程序編制、測試、調試等。而WinCC包括設置工業(yè)流程監(jiān)控畫面、報警信息記錄、全局腳本、用戶管理、數(shù)據(jù)的分析、處理及存儲等功能，集控制技術、人機界面技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術等于一體，含有實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為系統(tǒng)的進一步的二次開發(fā)提供了平臺。另外通過友好的HMI還可以進行系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設置、故障顯示等處理。并且對紡織機械設備的數(shù)據(jù)讀取，通過在底層PLC控制器中編寫應用程序，通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，可以在上位機的WinCC監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫中輸入輸出數(shù)據(jù)。

4、效能分析

（1）系統(tǒng)設計簡化

系統(tǒng)中使用SIMATIC STEP7組態(tài)編程軟件對總線系統(tǒng)進行硬件組態(tài)、PLC控制器的程序編寫，并通過上位機的WinCC監(jiān)控軟實現(xiàn)畫面監(jiān)控和信息處理，從而形成了良好的用戶界面，統(tǒng)一的應用平臺。雖然清梳聯(lián)工序的設備形式復雜，但是系統(tǒng)都是基于統(tǒng)一的應用平臺，主站、從站相互通信，信息讀取，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的設備控制和信息處理。從而縮短了設計、生產(chǎn)周期，大大簡化了圖紙設計，控制實現(xiàn)和布線裝配等。

（2）系統(tǒng)調試、診斷方便

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡主要是主站通過標準的PROFIBUS-DP專用電纜與分散的現(xiàn)場設備進行通信，對整個網(wǎng)絡管理和控制。由于RS-485的傳輸技術簡單，雙絞線的敷設不需要專業(yè)知識，簡單培訓后就可以現(xiàn)場施工和安裝，因此系統(tǒng)易于安裝。另外系統(tǒng)提供了強大的診斷工具，為系統(tǒng)的現(xiàn)場調試工作帶來方便。通過診斷工具的檢測，發(fā)現(xiàn)DP網(wǎng)絡的各種問題，例如主、從站通訊錯誤，網(wǎng)絡架構錯誤、站點丟失等。利用STEP7的在線診斷功能、ProfiTrace等獲得確切的故障信息，調試網(wǎng)絡，使之運行正常。

（3）系統(tǒng)擴展方便

由于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡采用一根專用的雙絞線電纜將整個網(wǎng)絡連接在一起，可以根據(jù)實際工程的需要，采用中繼器和終端電阻，分期、分時段的將DP網(wǎng)絡分成多個網(wǎng)段連接到網(wǎng)絡架構上去。另外，由于PROFIBUS是公開、規(guī)范的協(xié)議，凡是支持該協(xié)議的其他廠家的設備均可以方便的接入，為今后的產(chǎn)品選型留有更靈活的選擇余地。

（4）系統(tǒng)安全性高

網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性高，分別在系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計中充分考慮。其在硬件設計上添加有報警器、自動斷電保護、站點丟失報警等措施，當系統(tǒng)發(fā)生重大錯誤是，通過急停按鈕，關掉系統(tǒng)的要害部分，有效的保護的系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)受到破壞。另外在軟件設計上，除了在程序設計上添加保護環(huán)節(jié)外，在上位機畫面上還提供了豐富的故障診斷信息。當系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，可以根據(jù)系統(tǒng)提示，查找原因，很好的保證了系統(tǒng)的安全性。

（5）數(shù)據(jù)集成及處理

根據(jù)紡織工藝的特點，大量的工藝、生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要采集和處理。PROFIBUS-DP網(wǎng)絡可以提供38400bit/s到12Mbit/s的網(wǎng)絡傳輸速率，通過上位機的WinCC監(jiān)控軟件的SQL Server2000的數(shù)據(jù)庫，方便得數(shù)據(jù)存儲和處理。

5、結束語

現(xiàn)場總線作為工業(yè)控制網(wǎng)絡技術在紡織行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，實現(xiàn)了系統(tǒng)的分布式控制，網(wǎng)絡速度快，可靠性高，開放性好，抗干擾能力強，安裝、調試和系統(tǒng)維護方便，提高了紡織企業(yè)的信息化管理水平和生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，增強了市場競爭力。因此，現(xiàn)場總線技術在我國的紡織行業(yè)具有典型應用價值和推廣意義。

本文作者創(chuàng)新點：本文中帶有PLC控制器和自開發(fā)的帶RS-485通訊接口的控制模塊的紡織機械設備作為系統(tǒng)的應用設備，采用PROFIBUS總線技術作為系統(tǒng)的通信基礎，以西門子公司的STEP7和WinCC軟件作為系統(tǒng)的組態(tài)、編程和監(jiān)控工具，對傳統(tǒng)的紡織工藝進行數(shù)據(jù)集成，信息化管理。和傳統(tǒng)的單機控制方法相比，該系統(tǒng)可靠性高、功能強。其在我國的紡織行業(yè)具有典型的推廣意義和應用價值。

本項目在10萬紗錠規(guī)模的紡織企業(yè)的清梳聯(lián)工序應用，年增長經(jīng)濟效益約15萬元。

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