论文 基于S200的纺织设备数据采集子系统设计.docx

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论文基于S200的纺织设备数据采集子系统设计

本科毕业设计（论文）

基于S7-200的纺织设备数据采集子系统设计

摘要

近年来，我国纺织机械行业的信息化水平有了明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了自动控制技术。

随着这些技术的推广应用很大程度提高了纺织行业的工作效率和管理效能。

但是对于一些工厂的部分旧设备，要想实现数据的集成就需要另外配置数据采集子系统进行纺机设备的生产数据的获取。

本文采用的现场总线对于纺织行业信息化的主要作用是通过高速、稳定、高集成性的数据通信网络，不断的进行数据交换，做到设备的生产数据采集，实现车间工序的数据集成。

为了实现这种作用本文采用PROFIBUS-DP现场总线技术，通过每台S7-200增加一个PROFIBUS-DP扩展模块EM277作为从站连接到DP网络中。

底层旧设备通过传感器将运动信号传递给S7-200PLC，通过S7-200进行设备机台的生产工艺参数运算，最后通过EM277进行数据集成。

S7-300作为DP主站通过以太网模块（CP343-1）连接到以太网，实现对纺织所需数据的传输，实现分布式、现场化和抗干扰性能的提高，实现生产过程的自动化、智能化，完成纺织机械与现代先进控制技术的结合，为纺织企业的信息化从设备层打下坚实的基础。

关键词数据采集纺织系统总线技术EM277S7-200PLC自动化

TEXTILEEQUIPMENTBASEDONS7-200DATAACQUISITIONSUBSYSYTEMDESIGN

ABSTRACT

Inrecentyears,theinformationleveloftextilemachineryindustryinChinahasbeensignificantlyimproved,theautomaticcontroltechnologyiswidelyusedintextilemachinery.Withthepopularizationandapplicationofthesetechnologiesgreatlyimprovetheefficiencyoftheworkefficiencyandthemanagementofthetextileindustry.Butforsomeoldequipmentofsomefactory,integratedtorealizethedatawillneedtogetproductiondataoftextilemachineryadditionalconfigurationdataacquisitionsubsystem.

ThemainfunctionofFieldbususedinthispaperforthetextileindustryinformationisthroughthedatacommunicationnetworkofhigh-speed,stable,highintegration,continuetocarryoutthedataexchange,sothatequipmentproductiondataacquisition,implementationofworkshopprocessdataintegration.InordertoachievethiseffectusingPROFIBUS-DPfieldbustechnology,througheachS7-200addsaPROFIBUS-DPextensionmoduleEM277asthestationisconnectedtotheDPnetwork.TheoldequipmentthroughthesensormotionsignalstotheS7-200PLC,productionprocessparameteroperationequipmentthroughS7-200,finallythroughtheEM277fordataintegration.S7-300asDPmasterstationthroughtheEthernetmodule（CP343-1）connectedtotheEthernet,andrealizedatatransmissionrequiredfortextile,distributed,on-siteandanti-jammingperformance,automation,intelligentproductionprocess,completewithtextilemachineryandadvancedcontroltechnology,forthetextileenterpriseinformationfromthedevicelayerasolidfoundation.

KEYWORDSDataacquisitionBustechnologyoftextilesystemEM277S7-200PLCAutomation

1绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1国内外纺织工艺的现状

20世纪70年代,随着科学技术的发展,电子信息技术开始在纺织生产中广泛应用,纺织技术不断向优质、高产自动化连续化方向发展,走出了一条大幅度减少用人,大幅度提高劳动生产率的道路。

80年代后期,欧洲首先出现了全自动化纺纱工厂,传统纺织技术进入了现代化技术发展阶段。

现代纺织技术的主要特征是智能化生产现代纺织技术依靠高度自动化的生产设备,保证和提高产品质量,提高生产效率,减少用人,提高劳动生产率,降低产品成本,增强产品竞争。

我国棉纺织企业技术改造已经有了很大进步，装备水平有了很大提高。

2005年全国7500万棉纺纱锭中，90年代先进水平的设备已占50%。

国产成套棉纺新设备基本上达到90年代国际先近水平，但与当前国际先进水平还有较大差距。

　　我国棉纺织设备和国际先进水平的差距主要反映在自动化程度、生产效率、设备运行的稳定性、可靠性等方面，要着力关键技术的开发创新，赶上国际纺织技术发展步伐。

　　棉纺织企业更新改造急需的高档无梭织机和自动络筒机依靠大量进口。

我国转杯纱的比重还比较小，国产转杯纺纱机速度低，自动化程度低，产品质量也不高，展出的几种新机型还需要改进提高。

细络联技术国际上80年代中期就已进入实用阶段，我国应尽快提上议事日程，细络联对大幅度提高细纱生产效率，减少细纱和络筒工序用人，改善劳动条件，提高劳动生产率有重要作用。

紧密纺纱技术我国引进不少，国产机型也还需要改进提高，不断总结管理使用经验[1]。

　　国产精梳机工艺性能、速度水平已有很大提高，可以满足一般产品质量要求，但和国际知名品牌还有一定差距。

器材、专件是影响装备整体水平，影响纱、布质量，影响新工艺，新技术推广应用的重要因素。

国产金属针布、钢领、钢丝圈、胶辊胶圈、金属槽筒、捻接器等与国际知名品牌还有较大差距。

1.1.2信息采集在纺织行业的应用

纺织业是传统的劳动密集型行业。

随着科技的发展，劳动力成本相对逐渐提高，在纺织成本结构中，资本劳动力比相对较高。

纺织生产过程自动化，是降低纺织企业的生产成本的途径之一。

纺织生产过程自动化不仅可直接降低劳动力成本，还可通过提高生产效率、产量、产品质量降低其生产成本。

所以实现纺织生产过程自动化已成为西方发达国家纺织企业的基本竞争手段。

纺织行业属于典型的制造业之一，面对变幻莫测，动态多变的全球市场竞争，企业如何以最快的时间（T）、最低的生产成本（C）、最优的产品（Q）、最佳的生产环境（E）以及最好的服务（S）来赢得市场，是企业成功的关键，是现代企业的立足之本[2]。

在这种大的背景下，新的制造理念层出不穷，如虚拟制造、敏捷制造、精益生产等，无论这些侧重点在哪里，都在于尽可能的提高制造系统响应市场和客户的快速性，以谋得敏捷[3]。

“敏捷”主要是表现在跟踪变化和响应时间的快速方面，生产指挥人员、企业决策者不仅关心在一个时间段内任务的具体安排，同时还要关心设备负荷、纺织制品状态、实时任务以及物料状态等，所以“以时间为关键的制造”越来越为企业所重视。

其核心是利用各种实时信息对计划进行及时的调整和调度，由于制造车间不仅是大量制造实时信息的集散地，即生产计划的具体执行者，更是制造信息的反馈者，所以制造车间对整个制造系统的敏捷性会产生很大程度上的影响。

新一代车间管理系统要想实现有效的企业集成，就必须具有良好的集散性、自治性和开放性以及敏捷性等特点[4-5]。

1.1.3总线技术在数据采集中的应用

生产过程中现场采集的数据为制造执行系统和企业资源管理系统提供了基

础的数据源，是企业信息化的基础。

目前数据采集的方法是多种多样的，现场总

线技术作为一种新的串行、多点的数字式数据采集方案，能够使系统具有高度开

放性、互操作性，而且现场总线技术本身具有结构的高度分散性以及对现场环境

的高度适应性和良好的经济性，近年来受到越来越广泛的关注[6]。

通过对国内纺织行业信息化现状的调研，以及对传统和现代的数据采集方法的分析比较，提出了以现场总线控制技术为基础的纺织生产质量控制参数的数据采集方案。

根据项目实际应用对象以及现场总线的特点，选用了PROFIBUSDP总线控制技术作为数据采集网络基本技术，提出了本项目的详细设计方案。

包括软硬件的设计、用户程序的设计。

1.2课题研究的目的和意义

网络信息化技术极大地提高了劳动生产率和工作效率，作为全球正面临着的一场新技术革命，普遍应用于纺织产品研发过程、生产过程、管理过程和营销过程中，为纺织工业在新世纪全面进入数字化阶段提供了重要条件。

采用最新的现场总线技术，促进纺织企业的发展已成为当今世界的潮流。

由于制造业设备的更新周期比较长，短时间内将陈旧的生产设备全部更换成全新设备是企业所不愿采用的。

但是通过组建纺织生产过程中的信息采集与处理系统，也能够全面提高工厂的生产效率。

与传统的纺织工艺过程相比，在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都具有无法比拟的优势。

具体表现在：

在没有联网的纺织生产过程中，现场设备的运行情况只能靠工人24小时值班看守，劳动强度大，并且如果出现故障，由于现场工人的使用经验差异，做出的判断也会有较大的差异。

运用了总线技术对信息进行采集，在控制室就可以监控到每台设备的运行情况，并由专业人员做出相对准确的判断；缩短了操作时间，并增强了控制的直观性、科学性和准确性；减轻了设备因不合理运行带来的过度机械磨损，延长了设备的使用寿命；并且系统具有较为完善的故障判断、报警功能，从而也降低了系统维护的设备成本与人工成本。

它的大力推广将取得良好的经济效益与社会效益。

追求高度智能化、系通化、标准化，是未来纺织生产工艺要求的必然趋势。

信息集成系统综合了信息采集、信息处理和控制为一体的管理信息系统，代表了现代工业自动化控制技术的高新水平及发展方向。

1.3课题研究的主要内容

纺织车间对倍捻工序需要设定许多参数，通过PROFIBUS-DP组态联网后，可在计算机中通过Wincc进行设定，使参数设定更加直观、简便。

本设计基于PROFIBUSDP总线技术对生产线上设备参数的采集，解决生产现场数据采集的准确性、实时性的问题，使工序安全稳定运行。

运用现场总线技术进行远程控制，实现现场设备与控制中心的远程数据通讯，从而实现了生产现场辅助管理和工艺参数优化，使整个公司的信息化管理形成一个闭环控制系统，确保公司资源管理系统的成功实施。

2.系统总体方案设计

2.1进口设备倍捻工序

在纺织工程领域，纺纱与织布是两个完全不同的工艺过程。

纺纱是织布的前期工艺。

加捻属于纺纱的后期工艺。

对于短纤纱，加捻使纤维之间抱合得更加紧密，使纱具有一定物理机械性质；对于长丝，加捻的工艺目的是改善织布工艺的加工性，提高纺织品抗起毛起球、抗勾丝性，强捻使织物风格独特。

加捻是使纱条的两个截面产生相对回转，这时纱条中原来平行于纱轴的纤维倾斜成螺旋线。

纱线加捻的多少以及纱线在织物中的捻向与捻度的配合，对产品的外观和性能都有较大的影响。

加捻性质的指标有：

表示加捻程度的捻度、捻系数及表示加捻方向的捻向。

纱线的捻向对织物的外观和手感影响很大，利用经纬纱的捻向与织物组织相配合，可织出外观、手感等风格各异的织物。

顾名思义，倍捻机作为一种加捻设备，实现一转两捻，效率比传统捻线机成倍提高，卷装容量增大，加捻质量大幅度提高。

倍捻机主要具有以下特点：

高品质锭子在高速运转下的持久稳定性；二级传动机构，使受力更合理，加捻范围更广；油浴式齿轮箱，特殊的导纱曲线，使卷绕成形良好；卷绕张力可以在超喂罗拉上任意调节，因此也适用于染色用松驰柔软的卷绕。

2.2基于S7-200对纺织设备的数据采集方案

2.2.1总体方案设计

本课题所用的倍捻机采用的是西门子公司的S7-200CPU224的PLC进行控制的。

每3台倍捻机连接有一台S7-200的PLC，倍捻机的所有数据都存储在S7-200的存储区中，所以要想实现数据的采集，只要将总站S7-300的PLC与倍捻机上S7-200间建立连接。

S7-200与S7-300之间可以进行MPI通信、PROFIBUS通信以及以太网通信三种方式。

本课题选用PROFIBUS通信，PROFIBUSDP一般用于车间设备级的高速数据通信，主站通过标准的PROFIBUSDP专用电缆与分散的现场设备进行通信，对整个DP网络进行管理和控制。

在PROFIBUSDP中多数据交换是周期性的，第一类主站循环地读取各从站的输入信息，并向它们发出有关的输出信息。

另外非循环通信还提供了强大的网络及参数配置故障诊断和报警处理等功能。

由于S7-200PLC上没有PROFIBUSDP通信口，所以S7-200PLC需要通过EM277PROFIBUSDP扩展模块和标准DP电缆连接到DP网络。

该倍捻工序有12台倍捻机，3台倍捻机共用一个S7-200PLC，每台倍捻机配置有两个霍尔传感器，PLC上的6个高速计数器分别用来计算这6个传感器的脉冲数量，用来测定机车线速和锭子速度。

图2-1是传感器的示意图。

上面图中24VDC都是借用S7-200PLC的电源。

每组的三台倍捻机A、B、C之间隔有一段距离，PLC安装在倍捻机B上，A、C与B之间通过6芯线连接，其中2芯连接PLC的电源线给传感器供电，其它的用来连接高速计数器的输入点，向PLC传递传感器信号。

S7-200PLC安装在倍捻机B上，因此B机上的传感器信号线可以直接接到PLC的高速计数器输入点。

图2-2高速计数器的输入点分配

图2-3三个倍捻机接线图。

另外，为了保证单台设备停机对整个网络不产生影响，对于DP网络中的终端电阻均采用活动终端电阻。

又因为设备分布范围较广，因此在网络设计中采用了中继器，保证了信号传递的可靠性和稳定性。

并且网络中的中继器和终端电阻均由就近的动力电柜单独提供供电回路，采用开关电源单独供电。

2.2.2网络配置的具体方案

倍捻工序中一共有12台设备，3台设备为一组共用一个S7-200PLC，每台设备配备高速计数器和霍尔传感器，高速计数器采集霍尔传感器的脉冲信号传送到S7-200中，然后通过EM277模块传送到主站中。

网络配置的具体方案为：

1.霍尔传感器、S7-200PLC

2.对每台S7-200PLC增加一个EM277PROFIBUSDP模块，作为从站连接到DP网络中。

3.主站采用西门子的CPU317-2DP。

4.电缆和连接器均采用西门子标准产品。

5.主站和部分从站上的连接器采用带编程口的产品，以方便检查网络和调试。

6.网络末端挂接活动终端电阻，以避免网络末端设备的维护和故障而对整个网络造成影响。

7.网段中使用中继器保证信号传递的可靠性和稳定性。

8.整个DP网络由主站通过CP343-1连接到工业以太网上。

2.2.3网络架构的设计

这条工序12台设备共用一个主站，主站分出2个网络，一个传递电能消耗等数据，另一个传递4个S7-200从站的数据，一个从站控制3台设备。

图2-3为系统网络架构图

当信号在电缆上传输时，任何附加的电阻、电容，以及线路终端等都会引起信号反射，反射会在线路上引起许多信号的叠加，产生严重的信号干扰，特别是在高速率传输时，这种情况更甚。

减少或消除反射的方法是在电路的终端加上一个适当的终端电阻网络，这个电阻网络可以吸收信号能量，显著地减弱信号反射。

图2-3系统网络架构图

3.系统的主要硬件

3.1S7-200PLC

3.1.1S7-200PLC的简介

S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。

S7-200外观图和结构图如图3-1和3-2所示[7]。

图3-1S7-200外观图图3-2S7-200结构图

SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性价比。

S7-200系列出色表现在以下几个方面：

极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。

3.1.2S7-200PLC的使用

 S7-200在扫描循环中完成一系列任务。

任务循环执行一次称为一个扫描周期。

在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：

（1）读输入：

S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。

（2）执行程序：

CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。

程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。

（3）处理通讯请求：

S7-200执行通讯处理。

（4）执行CPU自诊断：

S7-200检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常

（5）写输出：

在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。

S7-200的编程软件为STEP7-Micro/WIN，该编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境，基本功能：

（1）STEP7-Micro/WIN是在Windows平台上运行的SIMATICS7-200PLC编程软件，简单、易学，能够解决复杂的自动化任务。

（2）适用于所有SIMATICS7-200PLC机型软件编程。

（3）支持IL、LAD、FBD三种编程语言，可以在三者之间随时切换。

（4）具有密码保护功能。

（5）STEP7-Micro/WIN提供软件工具帮助您调试和测试您的程序。

这些特征包括：

监视S7-200正在执行的用户程序状态，为S7-200指定运行程序的扫描次数，强制变量值等。

（6）指令向导功能：

PID自整定界面；PLC内置脉冲串输出（PTO）和脉宽调制（PWM）指令向导；数据记录向导；配方向导。

（7）支持TD200和TD200C文本显示界面（TD200向导）。

3.1.3S7-200PLC的数据采集

申行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。

当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据被转换为串行的位。

在接收数据时，串行的位将被转换为字节数据。

PLC的数据采集分为以下两种：

（1）开关量的采集，通过PLC输入模块实现，一般都是直流24V输入，PLC提供一个公共点，或正或负，再将这个公共点接入限位开关等设备中，当限位闭合时，形成通路，将信号引入PLC输入点，此时PLC里面这个输入点就通了，可以在编程时使用。

（2）模拟理的采集，通过模拟量模块，A/D（模拟量/数字量）模块，可以将外面的重量信号，温度信号、压力信号等引入，A/D模块能接受的信号是0-10V，0-5V，-5-5V电压信号及0-20MA，4-20MA电流信号，如果终端采集模块得到的信号不是这些标准信号，还要通过变送器转换一下，标准信号进入A/D模块后，就会由A/D转换成数字，这些转换后的数字量，可由程序使用，进行转换，处理，最后得到所需要的数据显示出来。

在工业生产中．数据采集系统应用广泛，各类传感器、变送器与其配合使用，可同时对温度、压力、液位、流量、重量、湿度等工程参数进行测量、显示、报警、控制、变送输出等。

因此利用该数据采集系统与霍尔传感器通过运算放大电路相连组成一个产量计算系统，可以使繁琐的产量计算以及相关复杂的数据处理实现自动化解决了一大难题。

随着PLC单片机的不断发展和微机技术的不断发展，特别是网络技术在测控领域的广泛应用．由PC机和多台单片机构成的测控系统已成为单片机技术发展的一个方向。

它结合了单片机在实时数据采集和微机对图型处理、显示的优点。

同时WINDOWS环境下后台微机在数据库管理上具有明显的优势。

二者结合，使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的二者结合，使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的

自动监测或控制，而形成了以网络为核心的分布式多点系统可发展的趋势。

3.2高速计数器

3.2.1高速计数器的简介

不同型号的PLC主机，高速计数器的数量也不同，CPU222有4个，它们是HC0、HC3、HC4和HC5；CPU224、CPU224XP和CPU226有6个，它们是HC0-HC5。

这些计数器中，HC3和HC5只能作为单向计数器，其他计数器既可作为单向计数器，也可以作为双向计数器使用。

在此选用的高速计数器是高数计数器0到高速计数器3[8]。

另外高速计数器的计数和动作可采用中断方式进行控制，与CPU的扫描周期关系不大，各种型号的PLC可用的高速计数器的中断事件大致分为3类：

当前等于预设值中断；输入方向改变中断和外部复位中断。

在我的这个系统中就是利用高速计数器的初始值等于预设值便产生中断。

所用高速计数器都支持当前值等于预设值中断。

每个高速计数器的3种中断的优先级由高到低，不同高速计数器之间的优先级又按编号顺序由高到低。

3.2.2高速计数器的使用

（1）工作模式及输入点：

高速计数器的使用共有四种基本类型：

带有内部方向控制的单向计数器，带有外部方向控制的单向计数器，带有两个时钟输入的双向计数器和A/B相正交计数器。

它的输入信号类型有：

无复位或启动输入，有复位无启动输入或者既有启动又有复位输入。

每种高速计数器有多种工作模式，以完成不同的功能。

高速计数器的工作模式与中断事件有密切关系。

在使用一个高速计数器时，首先要使用HDEF指令给计数器设定一种工作模式，每一种HSCn的工作模式的数量也不同，HSC1和HSC2最多可达12种，而HSC5只有一种工作模式。

选用某个高速计数器在某种工作模式下工作后，高速计数器所使用的输入端不是任意选择的，必须按系统指定的输入点输入信号。

例如，如果HSC0在模式4下工作，就必须