基于現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )監控系統的結構和實(shí)現方案

在絡(luò )紗過(guò)程中清除紗線(xiàn)中的有害紗疵，是紡紗生產(chǎn)的關(guān)鍵工序之一。以往紡紗過(guò)程中的清紗管理只是單機管理，利用電子清紗控制器(一種由兩級單片機構成的RS-422全雙工總線(xiàn)式監控裝置)實(shí)時(shí)進(jìn)行120路紗線(xiàn)上的紗疵清除工作;并完成該機臺相關(guān)參數的設定、統計、故障實(shí)時(shí)監測和LCD界面控制等工作;同時(shí)積累了大量生產(chǎn)數據，形成了“信息孤島”，不利于全車(chē)間范圍內的絡(luò )紗生產(chǎn)和質(zhì)量管理。為了提高車(chē)間的生產(chǎn)效率和管理水平，我們開(kāi)發(fā)實(shí)現了一個(gè)基于現場(chǎng)總線(xiàn)的電子清紗器網(wǎng)絡(luò )監控系統。該系統中，電子器清紗器具有了數字通信能力;同時(shí)增設工控機作為遠程監控計算機，利用MOXA CP-114IS異步多串口卡組成以RS-485為物理層的現場(chǎng)總線(xiàn)，將單個(gè)分散的現場(chǎng)設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，實(shí)現現場(chǎng)設備與遠程監控計算機之間的數據傳輸和信息交換。系統最大掛接127臺電子清紗器，輪巡采集每一臺電子清紗器中的相關(guān)數據，組建數據庫并進(jìn)行統計分析，及完成相關(guān)參數的統一設定;增設網(wǎng)絡(luò )型溫濕度傳感器對紗線(xiàn)的生產(chǎn)條件自動(dòng)監測紀錄，避免了人工抄錄的繁重工作;同時(shí)LED條屏顯示器滾動(dòng)顯示生產(chǎn)通知以及崗位產(chǎn)量質(zhì)量實(shí)時(shí)數據，增強了崗位間的競爭力。下面對該系統做詳細闡述。

1 系統拓撲結構：

整個(gè)系統是一個(gè)基于RS-485物理協(xié)議，自定現場(chǎng)設備通信協(xié)議和標準現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議共存，實(shí)現數據傳輸與信息交換的現場(chǎng)總線(xiàn)系統。包括監控層、通信層、現場(chǎng)設備層三部分。系統結構如圖1所示。

1.1監控層

用工控機作為車(chē)間級監控服務(wù)器，接收底層現場(chǎng)設備傳送的數據并組建數據庫，實(shí)現對現場(chǎng)設備的監控管理，進(jìn)行工藝參數的設定和修改。同時(shí)可以通過(guò)Intranet/Internet技術(shù)與企業(yè)局域網(wǎng)或遠程控制網(wǎng)站相連。

1.2通信層

約定通信協(xié)議與各底層現場(chǎng)設備通信。由MOXA CP-114IS、研華ADMA-4510S(中繼器)形成基于RS-485物理協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)。其中，中繼器主要是考慮到現場(chǎng)設備與車(chē)間級監控服務(wù)器通信距離遠時(shí)選用。

1.3現場(chǎng)設備層

由數臺電子清紗器、溫濕度傳感器以及LED條屏顯示器構成。其中與電子清紗裝置的連接是利用8251 USART(Universal Synchromous/Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片，加入RS-485通信驅動(dòng)電路形成數字通信接口，在保證原有功能不受影響的前提下，通過(guò)通信層與監控層交換數據。

2 通信層設計

2.1通信協(xié)議

監控層工控機(稱(chēng)主機，以下同)通過(guò)PCI通信控制卡(MOXA CP-114IS)的COM端口形成基于RS-485物理協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)，最大可與127臺現場(chǎng)設備電子清紗器(稱(chēng)從機，以下同)進(jìn)行主從通信。從機核心為Intel 8031單片機，異步串行通信波特率可達19.2Kbps;每一字節傳送數據共有11位：1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，1個(gè)奇偶校驗位，1個(gè)停止位。主機與從機通過(guò)通信層以數據包形式傳送數據，數據包格式如表1所示。

q35o4w4lhsf0521.gif (6.47 KB, 下載次數: 0)

表1 通信數據包格式

其中：55H,AAH分別為幀頭和幀尾，用于標識一個(gè)完整的數據包;數據包第2字節中的D6~D0為下位機的唯一地址編碼，確保某一時(shí)刻通信鏈路的唯一性，D7位用于標識數據流的方向，便于處在總線(xiàn)上的各節點(diǎn)判斷數據流向,并配合地址碼表示每一數據包的目的地址或源地址;數據包3、4字節同為數據包的長(cháng)度,以增強通信的可靠性;第5字節為操作碼+項目碼共同組成的命令碼，并結合數據流標志明確通信命令所表示的內容和動(dòng)作要求(如設定，查詢(xún)，正反向應答等);緊接著(zhù)的部分為數據包的可變信息體，根據不同的通信項目由主機下傳的參數或是從機上傳應答的數據組成;校驗和采用字節累加(不計進(jìn)位)，保留最低字節計算的結果，確保數據包傳遞的正確性。

2.2通信過(guò)程

通信采取主從應答方式，主機首先發(fā)送地址幀作為握手，被尋址的從機應答主機，建立連接;在判斷地址符合后，主機給被尋址的從機發(fā)送控制命令，被尋址的從機根據其命令向主機回送相應的數據或應答。同時(shí)所有未被尋址的從機根據通信協(xié)議監聽(tīng)總線(xiàn)上的下行數據(以主機為參考點(diǎn))，以便取得地址信息與主機建立連接。

現場(chǎng)設備層設計

3.1現場(chǎng)設備層硬件設計

現場(chǎng)設備層每臺現場(chǎng)設備均由16個(gè)前級數據采集處理器(實(shí)時(shí)采集120路紗線(xiàn)信號，采用RS-422全雙共總線(xiàn)與后級單片機通信)和1個(gè)后級單片機構成監控裝置。為了實(shí)現與上位監控層的數字通信，加入RS-485通信驅動(dòng)電路。

圖3 現場(chǎng)設備層硬件原理框圖

3.2現場(chǎng)設備層軟件設計

作為現場(chǎng)設備的電子清紗器是一個(gè)24小時(shí)不間斷運行的多任務(wù)實(shí)時(shí)監控裝置。由于該裝置要檢測跑紗平均速度為600m/min，共120路紗線(xiàn)的紗線(xiàn)截面變化信號，使其具有很高的實(shí)時(shí)性要求;同時(shí)還要實(shí)現相應的動(dòng)作控制(如對有害紗疵的切除等)以及后級單片機系統的實(shí)時(shí)處理，顯示、統計等功能，又決定了該裝置的多任務(wù)性。這樣在保證原系統的實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的同時(shí)，加入現場(chǎng)設備層的通信軟件在編寫(xiě)時(shí)就有了一定的特殊性。我們借鑒Windows編程的原理，在單片機編程中進(jìn)入消息概念，進(jìn)行基于消息的多任務(wù)機制編程。從機的監控軟件主要流程如圖4所示(主要對通信部分說(shuō)明)。

圖4 從機監控軟件主要流程圖(左—主程序 ，右—T0中斷程序通信部分)

其中：主程序主要完成上電自檢、消息巡檢、按照消息隊列組織通信信息體、數據發(fā)送、功能鍵散轉、驗校設備等工作。為了保證系統的實(shí)時(shí)性，必須減少中斷服務(wù)的時(shí)間占用，因此在中斷程序中只做簡(jiǎn)短的消息標志處理和必要工作。大量的消息響應工作則利用中斷的間隙進(jìn)行處理。

T0中斷每0.5毫秒產(chǎn)生一次，該段程序是整個(gè)從機任務(wù)的管理員，是現場(chǎng)設備程序的核心。T0主要完成總線(xiàn)上數據的接收和判斷、采用時(shí)間片算法完成對紗線(xiàn)信號采集器的通信控制、車(chē)速的采集、產(chǎn)質(zhì)量記錄等任務(wù)。值得說(shuō)明的是，為了保證從機的實(shí)時(shí)性，沒(méi)有采用常規的中斷通信接收或等待查詢(xún)的接收編程方式，而是結合T0中斷時(shí)間的周期性和異步串行數據傳輸的特點(diǎn)，定時(shí)做數據接收端的掃描，完成數據的接收(這部分程序占時(shí)不應大于60個(gè)機器周期,否則影響主程響應的實(shí)時(shí)性);當主程監測到有完整數據包到來(lái)標志后，進(jìn)行數據包的流向、地址以及正確性分析并置欲發(fā)送信息的裝配標志;同樣當主程巡檢消息隊列時(shí)發(fā)現信息裝備標志后，則分析主機命令、裝備信息、建立發(fā)送標志，并以消息的形式通知主程用查詢(xún)方式發(fā)送數據包。這樣做不僅可以提高中斷的響應速度，又不影響數據的處理和其他任務(wù)的執行。很好的解決了多中斷實(shí)時(shí)數據響應與數據處理耗時(shí)之間的矛盾，從而提高了系統的實(shí)時(shí)性。