基于工业以太网的染色设备监控系统.pdf

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1、第2 6 卷第4 期 2 0 0 5 年8 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e 眦h V 0 1 2 6 N o 4 A u g ，2 0 0 5 基于工业以太网的染色设备监控系统 张建新 ( 浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要鉴于传统现场总线控制系统的局限，研究工业以太网进入染色设备监控领域的技术背景及可行性。探讨 以太监控网络的现场控制层和生产管理层的硬件和软件组成。利用以太网模块A D A m 0 0 0 实现了该监控网络，并 开发了染色过程控制软件以及生产管理软件。研究表明，基于工业以太

2、网的染色设备监控网络具有组网简单、开 发维护容易、性能优越等特点，对于实现纺织工业通讯的标准化和印染厂的自动化、信息化具有较强的现实意义。 关键词工业以太网；T c P ，I P ；染整；监控 中图分类号：偈1 0 3 7文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 【2 0 0 5 ) 0 4 0 1 0 9 0 4 S u p e r 、，i s i I 瞎锄dc o n t r o m n gs y s t e mo fd y e i I 唱m a c M n e sb a s e do ni n d u s t r i a lE m e m e t Z H A N GJ i

3、a n x i n ( Z k 洳增P ，沁谢y 如6 0 埘。砂矿胁幽wz h t 如肘n c h i ，M 可， z 巧谊，l g 洫措砂矿S c 据，聊口以 加幻，醌孵b u ，z 埘；口昭 3 1 0 0 1 8 ，劬讥口) A b 出m c tB e c a u s eo ft I l el i m i t so ft h et m d i t i o n a lf i e l d b u sc o n t m ls y s t e m ，t h et e c h n o l o g yb a c k g m u n d 卸df e a s i b i l i t y0 fa p p

4、 l y i r l gt l l e j n d u s 喇a lE f h 唧e n e 柳o r kt o l l ef i e l do fs u p e j s j o na n dc o n 伽i n go fd y e i n gm a c h i n e sw e r es u d i e d E s p e c i a l l y l l ea r c h i 把c t u r eo f t l i sn e t w o r ki n c l u d i n gi t sh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n ds o f h v a r

5、ec o m p o n e n t sw a sr e s e a r c h e d T h en e t w o r kw a sr e a l i z e du s i n gt I l e A D A M 5 0 0 0E t h e m e tm o d I l l e sa n dt l l es o f t w a r ei n c l u d i n gt I l e d y e i n gc o n t m lp r o c e s ss o f h a r ea n dm ep I o d u c t i o nn 础a g e m e n t s o f t w a r

6、 ew a sd e v e l o p e d T h er e 叭h ss h o wt l l a tt l l e d y e i n gm a c h i r I e sn e t w o d 【b 髂e do nt h ei n 山l s t r i a lE t l e m e tn e t w o r kh a st l l e a d v 卸t a g e so f b u i l d i n gn e t w o r ks i m p l y ，d e v e l 叩i n ga n dm a i n t a i n i n ge 鹊i l y 粕dp e r f b r

7、I I l i n gw e Ua l l ds oo n ，锄dw i p r o v i d es o m e b e t t e rr e 8 l i s t i ci n s t n l c t i o 璐 o nr e a l i z i n gt I l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o no f t e x t i l ei n d u s t r y ，t h ea u t o m a t i 髓t i o na l l dt l l e i 1 1 f b 咖a t i z a t i o n0 f 山

8、ed y e i n gi n d u s t r y K e yw o r 凼 i n d u s t r i a lE t l l e m e t ；T C P ，I P ；d y e i n g 锄d 矗n i s h i n g ；s u p e n r i s i l l g 粕dc o n t r o u i n g 纺织染整企业要建立小批量、多品种的快捷生 产方式，就必须建立全企业的管理网络和控制网络， 实现计算机集成制造。目前染整企业管理网络采用 成熟的以太网技术，实现了企业的办公自动化系统。 但是在传统染整企业中，染色设备之间并没有实现 真正意义上的联网，控制网络并不发达，管

9、理网络无 法和控制网络集成，来获取生产现场信息。 近年来出现的现场总线技术，使得设备之间甚 至传感器、执行器之间的互联成为可能，实现了企业 的控制网络。但现场总线也面临着标准繁多、难以 与企业管理网络集成等诸多问题。近年来出现的工 业以太网技术，以成熟的T c P ，I P 协议作为设备、器 件之间通信的标准协议，将整个企业的管理网络和 控制网络的网络协议进行了统一，解决了控制网络 的实现以及控制网络与管理网络的集成问题。 本文设计了一个基于工业以太网技术的染整企 业监控网络，采用A D A M 5 0 0 0 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。该网络的 建成，对于实现

10、美国纺织工业协会( A T M I ) 提出“需 要一种统一的标准实现纺织企业的信息标准化流 动”u 的目标进行了有益的尝试。 1 工业以太网技术概述 工业以太网技术是以太网技术在工业过程领域 的应用，其协议标准与以太网技术完全相同。以太 网技术以其灵活、方便的连接方式，高效、低廉的性 价比，在当前的局域网领域得到了广泛的应用。但 是，众所周知，传统以太网由于采用共享介质拓扑结 构，多个设备( 结点) 采用c s M A C D 介质访问控制方 法来争用一个介质，因而它是一个不确定性网络，这 基金项目：浙江省教育厅资助项目( 2 0 0 3 1 1 8 3 ) 作者简介：张建新( 1 9 7

11、2 一) ，男，讲师，硕士。主要研究方向为纺织企业信息化、计算机控制及现场总线技术等。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【1 1 0 】纺织学报2 0 0 5 年第4 期 是影响以太网长期无法进入工业控制领域的重要原 因。另外，由于工业以太网设备的工作环境与办公 环境存在较大差别，所以工业以太网设备要求能在 较宽温度范围内工作、封装牢固( 抗振和防冲击) 、导 轨安装等。 近年来，对传统以太网进行了以下方面的改造， 使其逐渐适应工业现场的需要，能够

12、被现场使用。 1 ) 采用快速以太网来加大网络带宽，通过采用提高 带宽，限制总线上站点数目，控制网络流量等措施 后，在相同通信量的条件下，可以使总线型网络保持 在轻负载工作条件下。因而减少了因竞争信道而引 起的碰撞，相应地提高了实时性，也就提高了网络通 信的确定性。2 ) 采用交换式以太网，用交换技术替 代原有的总线型c s M A c D 技术，避免了由于多个站 点共享并且竞争信道导致发生的碰撞，减少了信道 图1 网络拓扑结构图 带宽的浪费。3 ) 很多公司已经开发出可以应用在工 信介质，需要采用专有的现场总线设备，编制专有的 业现场的嵌入式以太网模块，实现远程监控。它们 软件系统，与上层办

13、公以太网不能实现无缝连接。 能适应工业现场的恶劣环境而正常工作。 2 2 现场控制层的硬件组成 以太网在企业基层的应用使得接口问题和不同 现场控制层的硬件主要是由以太网接口的 系统、不同层次之间的数据转换问题成为过去。据 P L C 、输入输出模块和以太网交换机等组成H 1 。P L c 预测，2 0 0 4 2 0 0 7 年，工业以太网结点将年增长 和输入输出模块安装在电控箱中，负责对各自的染 8 4 1 ，到2 0 0 7 年将会达到6 百万个结点。 色设备进行巡回检测，采集所需的数据，并根据上位 机设定的参数和染色流程，指挥染色设备上的阀门、 2系统的硬件组成 电机等执行器件实现对单台

14、染色设备入水、入布、备 2 1 网络拓扑结构图 药、加药及药桶水洗、压力控制、温度控制、水洗、出 在设计网络拓扑结构的时候，首先要考虑以太 布等工序工艺参数的控制，保证染色的均匀性。以 网的实时性和不确定性问题。采用基于分散控制的 太网交换机负责将车间各台次染色设备控制器连接 设计思想进行网络拓扑结构的设计。分散控制思 起来。可以根据车间内染色机台的多少来选择以太 想可以使控制风险分散，并减少网络中的信息流量， 网交换机。原则上对所连接的设备个数没有具体的 从而提高实时性。每台染色设备配备一个电控箱， 限制。 作为工业以太网的一个结点，分配一个独立的I P 地 带以太网接口的P L C 选择的

15、是A D A M 8 0 0 0 系列 址。整个网络的拓扑结构图可以组成一个交换式的 产品或者选择传统的基于P C 的A D A M 5 5 1 0 P L C 。由 星形网络。整个监控系统网络分为2 层：现场控制 于5 5 1 0 没有以太网接口，需要再选用一块 层和生产控制层。如图1 所示。 A D A M 4 5 7 7 模块( 串行口转以太网模块) 将其连入以 染色车间的各台染色设备通过车间级交换机连 太网。溢流染色机包含的输入输出点数为：D I 共1 6 接起来，构成星形网络。在每个车间有一个车间级 个、D O 共2 7 个、A I 共2 个( 用于温度控制和液位控 的现场控制服务器

16、，负责染色流程编辑、下载、化验 制) ，为此可以选购带1 6 路A I 的A D A M 5 0 5 1 一块、 室管理和称重、自动加药、货物调配、实时数据采集 1 6 路D O 模块A D A M 5 0 5 6 二块，8 路A I 输入模块 等功能，组成了一个车间级的染色设备监控系统。 A D A M 5 0 1 7 一块共4 块，恰好可以供一台5 5 1 0 P L c 的 该监控网络再和整个工厂的其它网络和服务器通过 4 个插槽。以太网交换机的选择必须适应工业现场 工厂级以太网交换机连接起来，组成一个全交换层 的要求，不能使用普通机房用的交换机，本文选用 次结构的网络。传统的D C s

17、 系统采用和上面的结 M O x A 的工业以太网设备服务器E D 6 0 0 8 - M M - s C 。 构类似的结构，但是封闭专有的网络。而常规的现 2 3 生产管理层的硬件组成 场总线控制网络，其在车间级上的结点互连采用的 生产管理层的计算机主要任务是对生产过程进 是以太网，而在现场控制层则采用现场总线作为通 行监控，并为上级管理层提供生产过程信息。主要 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第4 期纺织学报 包括生产过程管理

18、计算机和数据库服务器以及网络 服务器等。本层向上通过办公室以太网连接到工厂 的I n t m e t 中，向下通过工业以太网将各个染色设备 连接成网络。 生产管理机上运行生产管理系统软件，其主要 功能：1 ) 对染色设备进行控制参数设定，设定和编辑 染色流程；设定和编辑染色机参数如温度控制的 P I D 参数，液位参数等。2 ) 实时采集并显示染色设 备的数据如液位、温度、步骤信息。3 ) 根据订单，产 生工序单、生产指令单以及染料单进行排缸等运算。 生产管理机需要采用较好的硬件系统，可以是一台 和多台计算机，一般用W i n d o w s 作为操作系统。 数据库服务器也需要采用性能较好的硬

19、件系 统。其操作系统可以是L i n u x 和w i n d o w s ，可以选用 各种合适的数据库管理系统。在生产管理层，网络 服务器主要功能是实现上下层网络的互联，由于上 下层网络类型相同，不需要协议转换软件，网络服务 器也可以和生产过程管理计算机合二为一。 3 系统的软件组成 系统的监控软件可以分为系统软件和应用软件 两大类口 。系统软件包括数据库管理系统软件、操 作系统软件。应用软件包括2 个部分：一个是前面 所述的生产管理软件，它运行在服务器上，另一个是 在每个P L C 上运行的染色过程控制软件。从软件 模块功能分，可以分为数据库软件模块，总控模块、 监控模块、生产管理模块和通

20、信模块。 3 1 数据库的设计 在数据库设计中，将监控系统部分的数据库和 整个染整企业的生产管理数据库系统结合起来，这 样生产过程的数据能为整个企业管理信息系统所共 享。整个数据库系统包含从订单到化验室、生产过 程等多个数据表格。与监控系统有关的数据表格主 要有：染色设备信息表( 主要记录染色设备的各项参 数如编号以及I P 地址、生产厂家等) ；通信协议表格 ( 记录应用层通信协议的相关信息，主要是指传递数 据的格式) ；染色流程信息表格( 记录染色流程的信 息以及步骤参数) ；染色设备状态信息表( 记录染色 设备实时的参数状况，如温度、压力和液位，当前正 在执行的染色流程步骤号等) 。其它

21、的如染色配方 表、订单表以及织物( 纱线) 规格表等都是生产管理 数据库的一部分。 数据库管理系统软件采用L i n u x 平台下的 P 0 s t g r e s Q L 开放源码的数据库管理系统，它具有性能 优越、成本低等优点。 3 2 生产管理软件的设计 如前所述，生产管理软件主要由染色流程编辑 模块、通信模块、染色参数设定模块( 这个模块和染 色流程编辑模块合在一起，作为一个特殊的染色流 程，如参数设定染色流程) 、实时数据监控模块以及 排缸模块等组成。本项目中整个软件采用 P o w e r B u i l d e r 开发。生产管理软件和染色过程控制 软件之间通过T C P I

22、P 协议进行通信。T c P I P 协议 没有应用层协议。针对这个具体的应用，定义了一 个简单应用层的协议，指出了生产管理软件和染色 过程控制软件之间传送参数、监控数据回传时的具 体格式。参数有染色设备参数和染色工艺参数两 类。染色设备参数包括染缸的最高温度、安全温度、 染缸排水排干时间、取样和检查时间、P I D 参数等，其 值相对固定。染色工艺参数与所染布匹、所染颜色等 具体的工艺过程密切相关，是通过打样时生成的染色 工艺曲线获取的。回传数据指出当前染色设备的状 态和染色工艺的状态，也包含报警信息的状态。 3 3 染色过程控制软件的设计 该软件运行在P 比上，软件编制采用P M 编程语

23、言梯形图语言完成。本研究采用基于P c 的P M A D A M 5 5 1 0 ，不需要学习专门的梯形图语言，可以直接用 c 语言完成程序的设计。整个软件的架构见图2 。 图2 染色过程控制软件架构 4 结论 霪了轰莒詈蓄兰萎爹盏萎嵩霎奖茎显冀翥篆墨霎 采用T c P I P 协议的工业以太网，正逐渐替代标 ( 下转第1 1 4 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 【1 1 4 】纺织学报 2 0 0 5 年第4 期 广而基一 窿燃批麓H 鲥硎

24、晌I s e 一硎n r o l 黜盛蹴l 麟燃引黜燃豺n c x t l i n e L i I l 】【i n f o ll n 雠t 叫e c n h 舾n 侧l n 眈捃e l e c t l i n l 【i n f d ，_ 。一 E 萋：瑞8 黛麓H * - c c t i n 如lI ”硎响l 麟黜盟撩J 鼬嚣黜麓H 渊船舛 p I c x t l i n e L i n l 【i n f b = o I| I l 嚣b c l d n f o l h I 慑b e l o c t l i I l “n f d 圈3 二维链表 就有多少行，而每一行有多少个选针单元，取决于该 行

25、的编织宽度。行信息中包含当前行的机头运行速 度、每一系统压针电机的压针深度、大罗拉卷布量、 针板横移量、导纱器号以及三角和压板状态等控制 参数。选针信息包括当前针数时所有选针器的选针 情况，机头每走一针有1 2 个字节的选针数据，这是 产生数据量大的主要原因。当根据用户花型文件把 链表填满以后，再编历链表，将所有的数据写入到一 个与用户花型文件同名的二进制文件中。 2 3 网络传输模块 作为一个独立的线程工作，它时刻监视客户机 的动态，随时准备启动对客户机的服务。用户花型 文件在经过该系统处理后，生成的二进制文件大小 一般在2 5M B 之间，所以服务器与客户机之间的 通信协议采用了基于小文件

26、传输的T 兀P 协议。 I P 协议是一个传输文件的简单协议，它基于u D P 协议而实现。任何传输起自一个读取或写入文件的 请求，这个请求也是连接请求，如果服务器批准此请 求，则服务器打开连接，数据以定长5 1 2 字节传输。 服务器发出下一个数据包前必须得到客户对上一个 数据包的确认，如果一个数据包的大小小于5 1 2 字 节，则说明传输完成，如果数据包在传输过程中丢 失，发出方会在超时后传输最后一个未被确认的数 据包。采用此协议，可以满足客户机对文件名、文件 列表、文件大小进行更改和下载文件的请求。虽然 1 哪协议限制很多，但它实现起来简单方便，完全 能满足为A R M 传输加工文件的要

27、求。另外软件界 面上可以显示客户机的当前状态，诸如显示当前联 机的客户机I P 地址、端口号、当前下载文件等信息。 3 结论 本文介绍的花型准备系统是嵌入式全自动横机 的重要组成部分，它利用了P C 机强大的数据处理 能力，处理了全部编织工艺需要的数据，A R M 只需 要根据编码器返回的中断，将二进制文件的对应数 据发往单片机的相应地址，单片机根据指令来完成 相应的动作。花型准备系统大大减轻了嵌入式系统 的负担，从而将A R M 从繁琐的工艺处理中解放出 来，很好的满足了整个控制系统对实时性的要求。 P C 与嵌入式系统之间采用网络通讯，实现了远程控 制，一个工厂只需要配备一台装有花型准备系

28、统的 电脑，即可实现为所有的嵌入式全自动横机输送花 型文件。 参考文献： 1 谭琳，耿兆丰国外花型准备系统的最新技术概述 J 中国纺 织大学学报，1 9 9 7 ，2 3 ( 5 ) ：“2 一1 1 6 2 戚玉舯，耿兆丰电脑横机计算机花型准备系统 J 中国纺织 大学学报，1 9 9 6 ，2 2 ( 5 ) ：5 9 6 5 3 胡红新型横机构造与编织 M 北京：中国纺织出版社， 1 9 9 B 2 9 1 2 9 4 D a v i dJ K r u d i n s l 【i ，s c o tw i n g o ，G e o 。g es h e p h e I d ，e ta 1 V i

29、 鲫a l c + + 技术内幕 M 希望图书工作室，译第5 版北京：希望 电子出版社，2 0 0 1 5 吴风祥，刘丽华，张伟用J A V A 实现一个U D P 通信模型 J 】 微型电脑应用，2 0 0 1 ，1 7 ( 1 0 ) ：1 2 0 ( 上接第1 1 1 页) 必然的。 基于工业以太网标准的染色设备监控网络，是 染整企业I n t 跚I e t 的一个重要组成部分。它可以和 染整厂的染料称重配色系统、纱( 布) 出库和入库系 统组成一个全自动化的染整厂层次化控制系统。该 自动控制系统和染整企业的财务子系统、销售子系 统和人事子系统等一起，组成染整厂信息化的基本 模型。工业以

30、太网使得这个层次化模型之间的连接 变得更加畅通和容易。 参考文献： 1 G e 叫g es c l I l l e i d e r I I l d 啪m a lE 山锄e t ：舳o p e ng I a I I d a I di nt l l em a I k e t J C 咖h o ls o l u 仰I n 懈c I I a t i 咖矗l ，2 0 0 3 ，( 9 ) ：3 0 3 2 2 张广辉，徐江华，邵惠鹤基于交换式以太网的嵌入式控制系 统 J 自动化仪表，2 0 0 3 ，2 4 ( 6 ) ：5 7 3 诸葛振荣，柏建新，刘伟成I n 啪e t 在电子提花机生产监控中 的应用 J 纺织学报，2 0 0 2 ，2 3 ( 3 ) ：5 2 5 3 4 朱新杰，陈宗农，詹建潮，等基于P I J c 的织机集散监控系统 J 纺织学报，2 0 0 1 ，2 2 ( 6 ) ：3 5 3 6 圈 圈 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark