基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统.docx

基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统.docx

《基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统

基于PROFIBUS清花工序纺织设备数据采集系统

本科毕业设计〔论文〕

题目基于PROFIBUS的清花工序

纺织设备数据采集系统

学生姓名

专业班级电气工程及其自动化07-2班

学号

院〔系〕电气信息工程学院

指导教师

完成时刻2020年06月05日

郑州轻工业学院电气信息工程学院

本科毕业设计任务书

题目基于PROFIBUS的清花工序纺织设备数据采集系统

专业电气工程及其自动化学号姓名

要紧内容、差不多要求、要紧参考资料等：

一、要紧工作内容

1.深入学习PLC与总线技术的基础知识和应用为完成设计奠定基础。

2.了解有关纺织设备数据采集系统的进展，完成数据采集系统的设计。

3.依照要求，完成系统中相应程序的编写与调试。

4.进行系统的调试并撰写毕业论文。

二、差不多要求

1.翻译与设计有关的英文资料3000字以上。

2.查阅与课题有关的资料，完成设计方案，方案应具有有用性和经济性；编写3000字以上文献综述一份；写出开题报告。

3.进行系统的硬件设计和软件设计。

4.在系统设计的基础上撰写毕业论文。

三、要紧参考资料

[1]王永华,A.Verwer.现场总线技术及应用教程[M].北京:

机械工业出版社,2006,12.

[2]秦益霖.西门子S7-300PLC应用技术[M].北京:

电子工业出版社,2007.

[3]边春元,任双艳,满永奎等.S7-300/400PLC使用开发指南[M].北京:

机械工业出版社,2007.

完成期限：

2020.03～2020.06

指导教师签名：

专业负责人签名：

2020年3月1日

基于PROFIBUS的纺织设备数据采集系统

摘要

目前，在纺织生产过程中，设备的单机操纵、传统的生产和治理方法等还在广泛使用，这大大制约着纺织企业信息化治理的进展。

本课题把现场总线技术应用在传统的纺织生产过程中，完成海量数据的实时采集和处理，全面提高了工厂的生产效率和治理效能，使传统产业实现了较好的生产治理的信息化。

本系统关键问题是解决单个设备的联网问题，关于采纳S7-200PLC操纵的设备，可运用EM277PROFIBUSDP扩展模块，将其作为从站连接到DP网络中；配置RS-485通讯接口的操纵设备，那么选择使用RS485/DP协议转换模块连接到DP网络中。

最后由DP主站通过以太网通讯模块〔CP343-1〕连接到以太网。

上位机系统要紧用于监控和智能治理，其图形界面按照生产线工艺流程布置，具有生产线关键设备运行状态显示、工艺参数和设备参数的实时显示；重要参数的设定值、实际值实时显示等功能。

关键词数据采集系统PROFIBUS总线技术纺织设备工业以太网技术

PROFIBUS-BASEDDATAACQUISITION

SYSTEMOFTEXTILEEQUIPMENTS

ABSTRACT

Atpresent,intheprocessofdomestictextileproduction,equipmentswithindividualcontrolsystem,traditionalmethodofproductionandmanagementarewidelyadopting,whichgreatlyrestrictedthedevelopmentoftextileenterprisesinformationmanagement.Inthesystem,fieldbushasbeenusedinthetraditionaltextileproduction,themassdatahasbeenacquisitionanddisposedreal-timely,thefactory'sproductionefficiencyandthemanagementperformancehaveenhancedcomprehensively,abettermanagementofinformationtechnologywillbeachievedinthetraditionalindustry.

Thekeyissuetothissystemisasingledevicenetworking.S7-200PLCfortheuseofcontrolequipmentsasaDPslaveconnectedtothenetwork,withusingtheEM277PROFIBUSDPexpansionmodule;ToRS-485communicationinterfaceconfigurationofcontroldevices,ChoosingtouseRS485/DPprotocolconversionmoduleconnectedtotheDPnetwork.Atlast,bytheDPmasterviaEthernetcommunicationmodule（CP343-1）connectedtotheEthernet.

Superiormachinesystemismainlyusedformonitoringandintelligentmanagement,anditsgraphicalinterfacelayoutaccordingtotheproductionlineprocess,withaproductionlineoperatingstatusdisplayofkeyequipment,processparametersandequipmentparametersinrealtimedisplay;importantparametersettings,theactualvalueofthereal-timedisplayandsoon.

KEYWORDSDataacquisitionsystemPROFIBUStechnologyTextileequipments

IndustryEthernet

1绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1国内外纺织厂信息集成技术的现状

我国纺织工业是一种粗放型经营方式，高水平的生产能力不足，而低水平的生产能力过剩。

目前处于生产状态的设备有25%属于立即被剔除的落后设备，而先进的设备严峻不足。

以自动络筒机为例，现在世界上平均比重已达到24%以上，发达国家已超过了80%，而我国只有5%[1-2]。

随着全球经济一体化的进展，我国纺织行业这种劳动密集型的生产差不多不能适应国际竞争，要紧表达在以下几个方面：

〔1〕现场设备分散，缺少整体网络的操纵。

〔2〕生产者和治理者之间没有建立有效的连接导致资源优化调度不能顺利进行。

〔3〕落后的设备，强大的劳动强度，市场竞争中处于劣势。

将信息技术与企业的治理、业务、生产、进展过程紧密结合起来，增强纺织企业竞争力，不管是ERP依旧FCS、DCS，差不多上实现企业信息化的一种手段，都代表着一种先进的自动化方案及治理理念。

确保它们的成功实施，就需要企业拥有最差不多的生产自动化系统，亦需要企业改革现有的阻碍进展的治理理念。

在国外，由于机电一体化程度比较高，在纺、织、络筒等棉纺生产的工序中，差不多都差不多拥有信息集成系统，实现了对实时生产过程的操纵，相继显现了一批所谓的〝无人纺织厂〞。

在生产过程中可实现数据治理、人机对话等自控功能，多生产机台的集中操纵专门容易实施[3-4]。

1.1.2纺织行业对信息集成技术的要求

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刻〔T〕、最低的生产成本〔C〕、最优〔Q〕的产品、最正确的生产内环境〔E〕、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[5]。

在这种大的背景下，新的制造理念层出不穷，如虚拟制造、灵敏制造、精益生产等，不管这些侧重点在哪里，都在于尽可能的提高制造系统响应市场和客户的快速性，以谋得灵敏[6]。

〝灵敏〞要紧是表现在跟踪变化和响应时刻的快速方面，生产指挥人员、企业决策者不仅关怀在一个时刻段内任务的具体安排，同时还要关怀设备负荷、纺织制品状态、实时任务以及物料状态等，因此〝以时刻为关键的制造〞越来越为企业所重视。

其核心是利用各种实时信息对打算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，即生产打算的具体执行者，更是制造信息的反馈者，因此制造车间对整个制造系统的灵敏性会产生专门大程度上的阻碍。

新一代车间治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灵敏性等特点。

信息集成系统作为车间治理操纵系统的重要组成部分，因此也应该具有〝灵敏性〞。

先进制造系统正朝着集成和智能化方向进展，向深度和广度不断迈进，其核心是信息的猎取、处理、传输、利用等信息化工作，信息集成系统也必须具有这种大的趋势，适应先进制造系统的进展要求，要紧表达在其分散性、自治性、网络化、可塑性、可靠性等特点[7-8]。

1.1.3总线技术在纺织信息采集中的应用

随着近几年纺织行业的蓬勃进展，企业信息化应用水平不断提高，纺织生产线已要求实现企业打算层与车间执行层的双向信息流交互，通过信息集成、过程监控及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，提高企业灵敏性治理能力。

基于现场总线技术和工业以太网技术基础上的全数字工业网络操纵系统已成为电气自动操纵系统结构进展的必定趋势。

现场总线操纵系统把操纵技术、运算机技术和先进的网络通信技术结合起来，是当前制造业自动化领域广泛采纳的一种最先进、低成本和最可靠的操纵技术，已成为当今工业自动化领域的主流应用技术。

从结构上来讲，现场总线具有基础性、灵活性和分散性等特点；从技术上来讲，现场总线具有开放性、交互性、自治性和适应性等特点[9]。

现场总线的使用为工业自动化领域带来了革命性的变化，它的要紧优点表达在节约硬件数量与投资，节约安装和爱护费用，提高系统的操纵精度和可靠性，提高用户的自主选择权等优点。

现场总线技术要紧应用于进行过程数据采集，进行直截了当的数字操纵，进行设备和系统的监测和诊断，实施安全性和冗余等方面。

纺织行业是典型的制造业，其特点是设备数量多，分布区域大，信号类型复杂。

由于现场总线技术适应了现代纺织工业的高质量、低成本、大批量、快速响应、高效低耗、清洁生产的需要，目前它在纺织操纵系统中已得到广泛的应用。

专门对被控纺织设备中的每个过程和状态信息进行实时采集，获得所有设备监测、过程操纵、状态检测的现场信息的应用更能显示出其优越性。

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、治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时期提供了重要条件。

采纳最新的现场总线技术，促进纺织企业的进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，短时刻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纳的。

然而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，在系统的稳固性、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，现场设备的运行情形只能靠工人24小时值班看管，劳动强度大，同时假如显现故障，由于现场工人的使用体会差异，做出的判定也会有较大的差异。

运用了总线技术对信息进行采集，在操纵室就能够监控到每台设备的运行情形，并由专业人员做出相对准确的判定；缩短了操作时刻，并增强了操纵的直观性、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；同时系统具有较为完善的故障判定、报警功能，从而也降低了系统爱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，是以后纺织生产工艺要求的必定趋势。

信息集成系统综合了信息采集、信息处理和操纵为一体的治理信息系统，代表了现代工业自动化操纵技术的高新水平及进展方向。

1.3课题研究的要紧内容

〔1〕本课题针对郑州宏业纺织厂的现状，既有国外进口的最先进的设备，也有落后的旧设备，依靠先进的PROFIBUS总线技术将具有不同通信接口的设备联网。

〔2〕实现基于PROFIBUS总线技术对清花工序生产线上的要紧设备参数采集，解决生产现场数据采集的准确性、实时性的问题。

〔3〕运用现场总线技术进行远程操纵，实现现场设备与操纵中心的远程数据通讯，从而实现了生产现场辅助治理和工艺参数优化，使整个公司的信息化治理形成一个闭环操纵系统，确保公司资源治理系统的成功实施。

2系统总体方案设计

2.1清花工序的介绍

纺纱的生产过程一样分成六个工序：

清梳联工序，预并、精梳工序，并条工序，粗纱工序，细纱工序，络筒工序。

清花工序包含于清梳联工序中，又称开清棉，要紧是对原棉进行混合、开松、除杂，并去除羽毛、尼龙线、碎布、丝麻等异性纤维，要紧由抓棉机、开棉机、混棉机、清棉机、微尘异纤分离机等设备组成[10]。

另外在此次设计中从实际的现场布局来看，6台滤尘机组也运算在清花工序内。

2.2郑州宏业纺织厂的设备现状

宏业纺织厂新建的生产流水线上，使用了大量的分离式的操纵系统或智能化的操纵设备。

整体的操纵系统具有以下几个方面的特点：

〔1〕现场机械设备分布范畴较广，数量较多，现场设备的在线故障诊断、报警、储备功能不强，专门难完成现场设备的远程集中监控，整个系统的可爱护性较差。

〔2〕现场机械设备各自独立运行，相互之间没有联系，对整个系统的集中智能治理造成了专门大的困难。

〔3〕操纵系统中使用的操纵器品种多，如PLC的品种就有西门子、台达、富士、松下和光洋等数家公司的产品；操纵系统的类型多，有使用PLC直截了当操纵的，还有纺织机械厂家自开发的数据采集模块等；系统不开放、可集成性差、不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。

〔4〕各分立设备的通信功能不强，造成组网困难，难于实现在信息化时代的工业网络操纵。

所有这些都给全厂的信息监控，数据采集、处理和智能化的生产治理带来了极大的困难，同时也大大阻碍了企业生产效能和治理的提高，最终阻碍企业的社会形象、经济效益和市场的竞争力。

2.3基于总线技术对清花工序中要紧设备参数的采集

2.3.1清花工序总体技术方案设计

依照宏业公司清花工序车间生产流水线的实际情形以及目前工业自动化技术的进展水平和现状，我选择两层的工业操纵网络系统来实现整个系统的网络通信功能：

底层采纳基于现场总线技术的操纵系统来完成对清花工序的整个生产流水线中各设备的信息采集；上层采纳基于工业以太网技术实现对整个信息系统的信息传输，并使用优化的应用软件系统来完成终端数据的处理。

宏业纺织大部分的纺织设备差不多上单独订货，由不同厂家生产而成，单台设备的操纵系统差不多上生产厂家设计好并安装在了设备上，整个系统的特点是底层操纵设备数量和品种型号较多，不同厂家所使用的操纵器也不同，同时操纵器对外的通讯接口也不同。

针对该车间的具体问题考虑，我在处理这些技术细节时分为以下两种情形：

〔1〕关于采纳S7-200PLC操纵的设备

这类设备数量比较多，S7-200PLC通过EM277PROFIBUSDP扩展模块和标准DP电缆连接到DP网络。

在网络上设一个DP主站〔主站采纳CPU315-2DP〕，DP主站配有工业以太网通信模块〔CP343-1〕，通过该模块和工业双绞线能够把每个DP网络都连接到工业以太网交换机上，通过带光纤口的工业以太网交换机，挂入光纤环网。

〔2〕关于配置RS485通讯接口的操纵设备

关于这类机械设备的操纵器，能够通过RS485/DP协议转换模块连接到DP网络中，再由DP主站通过以太网通讯模块〔CP343-1〕接到以太网交换机（SCALANCE204-2）挂到光纤以太网上。

整个车间设一个集中操纵室，集控室内依照需要设置假设干台上位机，分别用于工程师站、操作员站〔治理机〕和设备监控运算机等。

另外依照需要，还能够设置一个WEB服务器，来实现与企业网或因特网的连接。

高层的治理网络基于工业以太网，完成非实时数据的传递和系统治理任务。

治理运算机〔操作员站〕实现生产监控、治理和数据分析，要紧作用是完成各条生产线的生产打算、设备治理、质量操纵及分析等。

2～3台治理运算机既能够单独操作，也能够互为冗余。

另外，为了保证单台设备停机对整个网络不产生阻碍，关于DP网络中的终端电阻均采纳活动终端电阻。

又因为设备分布范畴较广，数量较多，因此在网络设计中采纳了中继器将设备分成几个网段并组成为一个网络，保证了信号传递的可靠性和稳固性。

同时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，采纳开关电源单独供电。

2.3.2清花工序网络配置的具体方案

宏业纺织生产线中清花工序中共有39台清花机和6台滤尘机组，各自独立完成混棉、开棉、清棉和滤尘等任务。

其中清花机要紧包括：

往复式抓棉机5台，操纵机柜5个，单轴流开棉机4个，多仓混棉机9个，开棉机9个，异纤微尘分离机7台等。

除7台异纤微尘分离机和5台往复式抓棉机预留有RS-485通讯接口外，其他操纵器及滤尘机组差不多上采纳西门子S7-200PLC。

网络配置的具体方案为：

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

2.对留有RS-485通讯接口的异纤微尘分离机和往复式抓棉机来说，每台增加一个RS-485/DP模块，作为从站连接到DP网络中。

3.主站采纳西门子的CPU315-2DP。

4.电缆和连接器均采纳西门子标准产品。

5.主站和部分从站上的连接器采纳带编程口的产品，以方便检查网络和调试。

6.网络末端挂接活动终端电阻，以幸免网络末端设备的爱护和故障而对整个网络造成阻碍。

7.网段中使用中继器保证信号传递的可靠性和稳固性。

8.整个DP网络由主站通过CP343-1连接到工业以太网上。

2.3.3系统网络结构的设计

由于设备较多，因此网络有3个网段组成，网段之间由中继器连接。

其中第一个网段包含15台设备：

2台异纤微尘分离机、6台滤尘机组、1台往复式抓棉机、1个带有PLC的操纵机柜、1台单轴流开棉机、2台多仓混棉机、2台开棉机。

第二个网段包含18台设备：

4台异纤微尘分离机、2台往复式抓棉机、2个带有PLC的操纵机柜、2台单轴流开棉机、4台多仓混棉机、4台开棉机。

第三个网段包含12台设备：

1台异纤微尘分离机、2台往复式抓棉机、2个带有PLC的操纵机柜、1台单轴流开棉机、3台多仓混棉机、3台开棉机；图2-1为具体系统结构图。

图2-1清花工序系统构成图

3系统要紧硬件的介绍

3.1EM277PROFIBUSDP模块

3.1.1EM277的介绍

通过EM277PROFIBUSDP扩展从站模块，将S7-200PLC连接到PROFIBUSDP网络上。

EM277通过串行I/O总线连接到S7-200PLC。

PROFIBUS网络通过其DP通信端口，连接到EM277PROFIBUSDP模块，如图3-1中S7-200PLC通过EM277连接到总线上[11]。

图3-1S7-200PLC通过EM277连接到总线

作为DP从站，EM277模块同意从主站来的多种不同的I/O组态，向主站发送和接收不同数量的数据。

这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。

与许多DP从站不同的是，EM277模块不仅仅是传输I/O数据。

EM277能读写S7-200PLC中定义的变量数据块。

如此，使用户能与主站交换任何类型的数据。

输入、计数器值、定时器值或其它运算得到的值能够第一移动S7-200PLC的变量储备区，然后传送到主站。

第一将数据移到S7-200PLC中的变量储备器，就可将输入、计数值、定时器值或其它运算值传送到主站。

输入和输出缓存区的地址能够配置在S7-200PLCV储备器中的任何位置。

输入和输出缓冲器的缺省值地址为VB0。

输入和输出缓冲地址是主站写入S7-200PLC赋值参数信息的一部分，用户必须组态主站以识别所有的从站以及将需要的参数和I/O组态写入每一个从站。

为了将EM277作为一个DP从站使用，用户必须设定与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址。

从站地址是使用EM277模块上的旋转开关设定的。

在为新的从站地址按照顺序进行了开关改变以后，假设要使改变生效，就必须对PLC重新上电。

一旦EM277PROFIBUSDP模块已用一个DP主站成功地进行了组态，EM277和DP主站就进入数据交换模式。

在数据交换模式中，主站将输出数据写入到EM277PROFIBUSDP模块，然后，EM277模块响应最新的S7-200PLC输入数据。

EM277模块不断地更新其从S7-200PLC来的输入，以便向DP主站提供最新的输入数据。

然后，该模块将输出数据传送给S7-200PLC。

从主站来的输出数据放在V储备器中由某地址开始的区域内，而该地址是在初始化期间，由DP主站所提供的。

到主站的输入数据在输出数据之后赶忙从V储备区中提取出来。

在建立S7-200PLC用户程序时，必须明白V储备器中的数据缓冲区的开始地址和缓冲区大小。

EM277PROFIBUSDP模块在前面的面板上有四个状态LED，用来指示DP端口的运行状态：

〔1〕S7-200PLC上电后，DXMODE灯一直熄灭直到DP通讯开始。

〔2〕当DP的通讯成功地初始化后〔EM277PROFIBUSDP模块进入和主站交换数据的状态时〕，DXMODE灯变绿直到数据交换状态终止。

〔3〕假如DP通讯中断，强迫EM277模块退出数据交换模式，现在，DXMODE灯熄灭而DPERROR灯变红。

此状态一直保持到S7-200PLC断电或数据交换重新开始。

〔4〕假如主站写入EM277模块的I/O组态或参数信息错误，那么DPERROR的红灯将闪耀。

〔5〕假如没有24VDC供电，POWER〔电源〕灯将熄灭。

表3-1总结了EM277状态指示器的各种状态

LED

OFF

红色

红色闪耀

绿色

CPU故障

模块良好

内部模块故障

-----------------

-----------------

POWER

没有24DC

-----------------

-----------------

24VDC用户电源良好

DPERROR

没有错误

脱离数据交换模式

参数化/组态错误

-----------------

DXMODE

不在数据交换模式

-----------------

-----------------

在数据交换模式

3.1.2EM277在数据采集中的作用

除7台异纤微尘分离机和5台往复式抓棉机预留有RS-485通讯接口外，其他操纵器及滤尘机组差不多上采纳西门子S7-200PLC，因此可采纳EM277PROFIBUSDP扩展从站模块将这些S7-200PLC连接到PROFIBUSDP网络上。

EM277