基于S-200的纺织设备数据采集子系统设计-毕业论文

本科毕业设计（论文）

目录摘要 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TEXTILEEQUIPMENTBASEDONS7-200DATAACQUISITIONSUBSYSYTEMDESIGNABSTRACTInrecentyears,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.KEYWORDSDataacquisitionBustechnologyoftextilesystemEM277S7-200PLCAutomation1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。++—AXS+—ADS+—BXS+—BDS+—CXS+—CDSXS：线速DS：锭速A、B、C表示每组的3个机车图2-1每组机车6个传感器示意图24VDC24VDC24VDC24VDC24VDC24VDC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：霍尔传感器、S7-200PLC对每台S7-200PLC增加一个EM277PROFIBUSDP模块，作为从站连接到DP网络中。主站采用西门子的CPU317-2DP。电缆和连接器均采用西门子标准产品。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。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。网段中使用中继器保证信号传递的可靠性和稳定性。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。EM277EM277EM277EM277EM277PROFIBUSDP1工业以太网CPU317-2PN/DPCP343-1倍捻机4-6倍捻机7-9倍捻机10-12活动终端倍捻机1-3PROFIBUSDP2电能消耗等图2-3系统网络架构图

3.系统的主要硬件3.1S7-200PLC3.1.1S7-200PLC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，就必须用I0.0为时钟输入端，I0.1为增减方向输入端，I0.2为外部复位输入端。高速计数器输入点、输入/输出中断输入点都包括在一般数字量输入点编号范围内。同一个输入点只能用做一种功能，如果程序使用了高速计数器，则高速计数器的这种工作模式下指定的输入点只能被高速计数器使用。只有高速计数器不用的输入点才可以作为输入/输出中断或一般数字量输入使用。例如HSC0在模式0下工作，只用I0.0作时钟输入，不使用I0.1和I0.2，则这两个输入端可作为他用。在我的毕业设计中，使用的是HSC0到HSC3，并且都是使其工作在模式0，这样从表2-2中可以看到选用的四个输入点分别是I0.0、I0.6、I1.2、I0.1[8]。高速计数器的输入点和工作模式如表3-1所示，在该表中可以清楚的看出当选择高速计数器的工作模式时其控制输入点为哪个。表3-1高速计数器的输入点和工作模式模式描述输入点HSC0HSC1HSC2HSC3I0.0I0.6I1.2I0.1I0.1I0.7I1.3I0.2I1.0I1.4I1.1I1.5(2)高速计数器的使用方法：每个高速计数器都有一个状态字节，程序运行时根据运行状况自动使某些位置位，可以通过程序来读取相关位的状态，用做判断条件实现相应的操作。每个高速计数器都对应一个控制字节。用户可以根据要求来设置控制字节中各控制位的状态，如复位与启动输入信号的有效状态、计数速率、计数方向、允许更新双字值和允许执行HSC指令等，实现对高速计数器的控制。在我的程序中设置高速计数器为增计数，即给其传送的值为16#F8，这便是按照控制字节来的。使用高速计数器即选择工作模式有以下规定：选择高速计数器及工作模式包括两方面工作：根据使用的主机型号和控制要求，一是选用高速计数器；二是选择该高速计数器的工作模式。第一，选择高速计数器；第二，设置控制字节，在选择用HSC0的工作模3之后，对应的控制字节为SMB37。如果想SMB37写入2#11111000，即16#F8，则对HSC0的功能设置为：复位与启动输入信号都是高电位有效，4倍计数频率，计数方向为增计数，允许更新双字值和允许执行HSC指令。第三，执行HDEF指令；第四，设定初始值和预设值，每个高速计数器都对应一个双字长的初始值和一个双字长的预设值。两者都是有符号整数。当前值随计数脉冲的输入而不断变化，当前值可以由程序直接读取HCn得到；第五，设置中断事件并全局开中断，高速计数器利用中断方式对高速事件进行精确控制；第六，执行HSC指令，以上设置完成并用指令实现之后，即可用HSC指令对高速计数器编程进行计数。倍捻工序中倍捻机运转速度很快，计数很不方便，因此在上面安装有霍尔传感器，倍捻机每转一圈霍尔传感器传递出一个脉冲信号，高速计数器就用来计算脉冲信号的数量，即倍捻机转的圈数，再结合传送一定信号所用的时间来计算倍捻机的转速，从而计算出倍捻机的产量。倍捻工序中高速计数器输入点分配，如表3-2所示。表3-2高速计数器的输入点分配A车B车C车线速锭子速度I0.0I0.1I0.3I0.4I0.6I1.23.3霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种：（1）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。（2）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。霍尔传感器也可分为开环原理和闭环原理。开环也就是开关型，闭环就是线性型的.霍尔传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。（1）直放式（开环式）众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输出。这一信号经信号放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4V。（2）磁平衡式（闭环式）磁平衡式电流传感器也叫霍尔闭环电流传感器，也称补偿式传感器，即主回路被测电流I在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈，电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与I与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程[10]。倍捻机在高速运转的情况下，很多数据都不方便记录。霍尔传感器可以快速传递出脉冲信号，因此在倍捻机上安装霍尔传感器以后就可以很方便的利用脉冲信号来记录一些数据，从而可以通过这来计算出需要的数据并且可以随时了解到机器的运行状况。3.4EM277模块3.4.1EM277模块数据交换本质通过EM277PROFIBUSDP扩展从站模块，将S7-200PLC连接到PROFIBUSDP网络上。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200PLC。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277PROFIBUSDP模块，如图3-3中S7-200PLC通过EM277连接到总线上[11]。PROFIBUSDPPROFIBUSDPEM277S7-200PLCS7-300PLC串行I/O总线图3-3S7-200PLC通过EM277连接到总线作为DP从站，EM277模块接受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。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。输入、计数器值、定时器值或其它计算得到的值可以首先移动S7-200PLC的变量存储区，然后传送到主站。首先将数据移到S7-200PLC中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。输入和输出缓存区的地址可以配置在S7-200PLCV存储器中的任何位置。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，若要使改变生效，就必须对PLC重新上电[11]。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存储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立刻从V存储区中提取出来。在建立S7-200PLC用户程序时，必须知道V存储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结束。（3）如果DP通讯中断，强迫EM277模块退出数据交换模式，此时，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）如果主站写入EM277模块的I/O组态或参数信息错误，则DPERROR的红灯将闪烁。（5）如果没有24VDC供电，POWER（电源）灯将熄灭[12]。3.4.2EM277在数据采集中的作用EM277经过串行I/O总线连接到S7-200PLC。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277PROFIBUSDP模块。可以实现S7-200PLC与PROFIBUSDP网络上主站的物理连接。当给EM277PROFIBUSDP模块设定了与主站组态中的地址相匹配的DP端口地址，并且已用PROFIBUS网络上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存储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立刻从V存储区中提取出来[13]。S7-200PLC通过EM277PROFIBUSDP扩展从站模块连接到PROFIBUSDP网络上。可以实现其与网络上的主站进行数据交换，S7-200PLC控制器对设备上的信息进行采集，并将其放到V存储器内，当要把采集来的数据上传给主站时，数据就会从S7-200PLC的V存储器复制到EM277中，以便同时传送到主站，进而通过主站上的通信模块将采集来的数据传送给上位机系统。EM277是实现S7-200PLC与主站数据交换的中转站[14]。3.5数据交换网络通过EM277PROFIBUS-DP扩展从站模块，可将S7-200CPU连接到PROFIBUS-DP网络。EM277经过串行I/O总线连接到S7-200CPU。PROFIBUS网络经过其DP通信端口，连接到EM277PROFIBUS-DP模块这个端口可运行于9600bit/s和12Mbit/s波特之间的任何PROFIBUS波特率，为了保证数据传输在准确性一般设定其传输速率为1.5Mbit/s。作为DP从站，EM277模块接收从主站来的多种不同I/O配置，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S7-200CPU中定义的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站[15]。

4.系统的软件设计4.1运用STEP7对整个系统硬件进行组态STEP7中一个DP主站组态应包含地址，从站类型以及从站所需要的任何参数赋值信息。还应告诉主站由从站（输入）读入的数据应放置何处，以及从何处获得写入从站（输出）的数据。DP主站建立网络，然后初始化其DP从站。主站将参数赋值信息和I/O组态写入到从站。然后，主站从从站那里读出诊断信息，并验证DP从站已接受参数和I/O组态。然后，主站开始与从站交换I/O数据。每次对从站的数据交换为写输出和读输入。这种数据交换方式无限期地继续下去。如果有意外情况发生，从站器件可以通知主站，而主站就会读取来自从站的诊断信息[16]。一旦DP主站已将参数和I/O组态写入到DP从站，而且从站已从主站那里接收到参数和组态，则主站就拥有那个从站。从站只能接收其主站的写请求。网络上的其它主站可以读取该从站的输入和输出，但是它们不能向该从站写入任何信息。组态EM277及其地址分配主站通过将EM277输出区的信息发送给从站的输入缓冲区，与其每个从站交换数据。从站将其输出缓冲区的数据返回给主站的输入区，以响应从主站来的信息。EM277可用DP主站组态，以接收从主站来的输出数据，并将输入数据返回给主站。输出和输入数据缓冲区驻留在S7-200PLC的变量存储器（V存储器）内。当用户组态DP主站时，应定义V存储器内的字节位置。从这个位置开始为输出数据缓冲区，它应作为EM277的参数赋值信息的一个部分。用户也要定义I/O组态，它是写入到S7-200PLC的输出数据总量和从S7-200PLC返回的输入数据总量。EM277从I/O组态确定输入和输出缓冲区的大小。DP主站将参数赋值和I/O组态信息写入到EM277PROFIBUSDP模块，然后，EM277将V存储器地址和输入及输出数据长度传送给S7-200PLC[17]。图4-1表示CPU224中的V存储器的一个存储器模型，以及一个DP主站CPU的I/O地址区。在这个例子中，DP主站已定义了4个字输出和16个字输入的一种I/O组态，以及V存储器偏移为3000。CPU224中的输出缓冲区和输入缓冲区长度（由I/O组态确定）分别是16个字和4个字。输入数据缓冲区从VB2400开始；输出缓冲区紧紧跟随输出缓冲区，并在VB2408处开始。CPU224CPU317-2DPV存储区I/O地址区DP模块EM277DP模块EM277偏移量:2400字节输入缓冲区：4个字输出缓冲区：16个字VB变量存储字节 PIB303PIB303PQB272I/O输入区：PQB27216个字I/O输出区：4个字PI外部输入PQ外部出VB0PIB272VB2399PIB272VB2400VBVB2407VBVB24088PQB279PQB279VBVB2439图4-1V存储器和I/O地址区具体组态如下：首先从STEP7中HWConfig左边的窗口找到EM277的GSD文件，将此文件拖放到总线网络上，右击EM277的位图，选择属性，设置与S7-300PLC交换数据的区域的偏移量，并且此从站地址设为11。如图4-2所示。图4-2S7-200的数据交换区的偏移量设置S7-300PLC与S7-200PLC的数据交换是通过S7-200PLC的V存储区作为中介来进行的[15]，即S7-300PLC的输入输出区对应S7-200PLC的存储区，在如图4-3所示的组态信息设置，二者交换数据的区域为：在S7-300PLC中，PIB272-PIB303区域的数据来自S7-200PLC的VB2408-VB2439，PQB272-PQB279区域的数据输出到S7-200PLC的VB2400-VB2407。即只要S7-200PLC通过区域VB2408-VB2439把数据发到S7-300PLC中，而S7-300PLC通过区域VB2400-VB2407把数据发送到S7-200PLC中。图4-3EM277在S7-300中数据交换区的设置4.2数据采集及处理(1)程序中各输出地址对应的数据如表4-1所示。表4-1输出地址及对应数据输出地址对应数据VW3000VW3002VD3004VW3008VW3010VD3012 VW3016VW3018VD3020VB3024A车锭速（r/min）A车条筒转速（r/min）（线速）A车产量（m）B车锭速（r/min）B车条筒转速（r/min）（线速）B车产量（m）C车锭速（r/min）C车条筒转速（r/min）（线速）C车产量（m）A、B、C车运行标志(2)主程序用来程序的初始化，并且初始高速计数器的工作模式。高速计数器初始化程序用来初始化高速计数器，选择高速计数器HSC3，并选择工作模式0。（2）锭速、线速计算锭速计算对计数器HC3设定一个预设值，然后运行程序，当达到预设值时执行中断程序，时间继电器T33记录了达到预设值的时间，预设值相当于转轴所转的圈数，从而计算出倍捻机的锭速。线速计算VW3008、VW3010分别表示B车的锭子速度和线速，V3024.0可以显示倍捻机的运行状况。V3024.0有数据输出则表示机车处于开启状态；反之则处于停止状态。设定计算50个脉冲，当脉冲数到达51时记录时间，即产生50个脉冲的时间，把此时的速度转换为每分钟的转速就是倍捻机的线速。当计算完成后T98复位，继续下一次计算，就可以时刻监控倍捻机的线速。（3）产量计算定时中断设定为250ms，进入中断后两次累加即500ms的中断操作，500ms时记录一次产量。然后再次经过500ms时再记录一次产量，用这次产量减去前一次产量获得产量差，就这样每500ms累计一次产量差，达到一定数量后乘以比例0.0006360856就达到了实际产量。当产量达到上限值后，就需要运行下面的程序把数据清零，然后继续执行产量计算程序。在这个系统的编程设计中，最关键之处就是通过EM277模块，主站能够读取从站发送的数据，并一直保持接受状态，完成数据的采集。需要说明的是在论文中只是附了部分程序用来说明系统的运行情况，并且应用硬件基本相同，程序编写中只需根据需要改变相应的地址和存储单元等就可以完成整个系统[18]。

5.总结及展望5.1全文总结本文是通过现场总线技术来实现对倍捻工序多种信息的采集和上传，从而方便工作人员利用各种参数来监控设备的运行状况及实现各种数据的计算。倍捻机设备都使用S7-200CPU224的PLC控制器通过EM277模块将其连接到DP总线网络上，并通过主站上的通信模块将其连接到工业以太网上。实现基于PROFIBUS-DP总线技术对倍捻机设备的主要参数采集，解决生产现场数据采集的准确性、实时性和高速性的问题。并且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。本系统应用于实际工程中还需要做大量工作，根据现场设备具体情况进行布线和安装，设备的在线调试，考虑现场的干扰等问题，功能不足之处还需修改。5.2纺织行业信息采集系统未来的展望为应对全球范围的金融危机对中国纺织行业的影响，纺织行业迫切需要加快技术进步，推进产业升级，而信息化建设是产业进步和升级过程中不可缺少的重要内容。国家将纺织行业作为全国企业信息化的工作试点，这对推进纺织行业信息化建设将是一个非常有利的条件。在纺织生产领域，用现代信息技术改造传统纺织行业是纺织工业发展的唯一出路。

计算机作为信息技术的载体，在纺织行业中应用的程度实际上就是企业信息化的程度。纺织行业作为传统制造业，其信息化就是将信息技术、自动化技术、现代管理技术和制造技术相结合，最终实现产品设计制造和企业管理信息化，生产过程控制的自动化，制造装备的数字化，咨询服务的网络化。纺织企业信息化发展的领域主要分为产品设计、企业管理、生产过程控制、生产装备和企业间协作五方面，涉及技术包括信息技术、自动控制技术、现代管理技术与制造技术等。采用PROFIBUS总线技术对纺织生产信息，完成海量数据的实时采集和上传，促进纺织企业的发展已成为当今世界的潮流。纺织信息采集系统必将广泛地使用总线技术和网络技术来进行数据采集，节省大量的人力物力，提高生产效率。积极融入国际纺织产业格局调整进程，在充分研究、了解相关环境、政策的基础上，积极稳妥地“走出去”，通过新设、并购、参股等多种形式在海外建立研发中心、营销网络以及生产加工基地、纺织原料基地等，实现生产要素在全球范围内的优化配置[20]。

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附录附录1A、B、C三车的运转情况及锭速A车B车C车附录二A、B、C线速储存

附录三A、B、C脉冲达到上限并清零

附录四高速计数器基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究