卷染機中央控制系統

盛衛鋒，王小偉

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

卷染機的主要任務就是將一定長度和寬度的織物反復通過一定濃度和溫度的染液，以及在不同溫度下根據工藝需求完成一定的往復次數，以使染料在織物表面上色。卷染機除主要用于直接、活性、硫化、還原等染料的平幅染色外，還可用于小批量退漿、煮練、漂白、水洗、皂煮和染后處理等。由于它機動靈活、操作簡單、更換品種方便、染液浪費少占地小、尤其適用于多品種、小批量的生產，故在卷染行業被廣泛使用。隨著染整廠規模的擴大，卷染機的臺數在不斷增加，管理和操作所需消耗的人力成本也在不斷的增長。故對卷染機集成中央控制系統的需求也就應運而生。

卷染機中央控制系統的將會給企業帶來至少以下3個方面的好處：

1）能夠讓一個或者少數幾個操作人員代替多數操作人員，同時操作和管理全部的卷染機，人力成本將會大大降低。

2）正常情況下操作人員可以不在環境惡劣的生產車間，而是在環境較為舒適的辦公室遠程操作設備。只有當設備遇到特殊情況時，操作人員會遠程控制界面受到報警信息，先讓設備停止運行，再到生產現場解決相關故障。

3）工作人員的關鍵操作比如設備設定轉速、溫度等也將被記錄下來，便于產品的質量管理和工藝管理。

1 系統構成

卷染機的工作原理如圖1所示，兩個尺寸完全相同的主輥，通過滾筒帶動織物在染槽中按染色工藝要求，在一定速度和張力的情況下往復收放并染色，直到符合工藝要求[1]。只有在合適的溫度下，織物在恒定的速度和恒定的符合要求的張力下經過染液才不會有色差，才會有柔和的手感。雖然速度等參數的自動控制工作交給PLC，但是現場操作人員還需監測自動控制系統的的輸出，萬一發現錯誤，可以給予調整。

圖1 卷染機的工作示意圖Fig.1 The sketch of jigger

計算機具有較強的數據處理功能，軟件豐富、配備有多種高級語言，界面友好、操作便利，使用計算機作為可編程控制器的編程工具也十分方便，這些都是HMI所無法比擬的。在計算機與PLC構成的綜合系統中，計算機主要完成文字處理、數據處理、修改參數、圖像顯示、打印報表、系統管理、編制PLC程序、工作狀態監視等任務；PLC仍然直接面向現場設備，完成原來的工作任務；PLC與計算機可實現優劣互補，擴大PLC的處理能力[2]。

如圖2所示，中央控制系統是指對卷染機進行集中監測與控制，提供工藝流程圖顯示、動態數據畫面顯示、工藝配方編寫、趨勢圖生成、歷史查詢、參數設置以及生產管理等多種功能系統，實際上是一種工業網絡。它可以讓工作人員更方便地同時控制和管理多臺設備、計算機輔助PLC之間控制任務的協同工作、計算機作為網間連接器，進行協議轉換，實現PLC與其他計算機網絡的互聯、方便下位機程序的編寫、調試與監控。

圖2 卷染機中央控制系統示意圖Fig.2 The sketch of jigger center control system

由于工業現場的檢測裝置與PLC的I/O點相連，直接由PLC管理，而且卷染機的生產過程參數、工藝配方都保存在PLC的存儲單元中。所以要實現計算機與卷染機通信，直接讓計算機與控制卷染機的PLC通信就可以了，而不必讓計算機與卷染機中的檢測裝置通信。因此，卷染機中央控制系統的主要研究以下3部分：

1）通信網絡設計。中央控制系統需要建立一個通訊網絡作硬件支持，讓計算機和PLC聯網，實現計算機與PLC之間穩定高效的數據通信。

2）計算機對PLC的數據讀寫。由于工業現場的普通開關量與模擬量輸入/輸出裝置都是通過信號線與PLC的I/O點相連，直接由PLC管理。所以對于系統來說，監測就是讀取PLC中的數據并顯示出來，控制就是把具有一定含義的數據寫到PLC中去。數據讀寫也就是通信的最主要內容了。

3）軟件系統的實現。根據所選的通信網絡，選擇合適的開發環境，編制相應的軟件系統。軟件系統應該能夠同時監控設備狀態，提供上傳和下載工藝配方、顯示主要工藝參數圖表功能。

2 PPI協議

目前卷繞機采用西門子S7-200型PLC，是一種小型整體結構形式的PLC，內部集成的PPI接口（Port0、Port1）為用戶提供了強大的通信功能。PPI協議的物理特性為RS-485，它是一種主從協議，即主站發送通信請求到從站，從站進行響應，從站不能主動發送信息，只能等待主站的命令并作出相應響應。

圖3 網絡連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of the network connection

S7-200作為PPI主站時，還可以作為從站響應來自其他主站的通信請求。如果選擇了PPI高級協議，允許建立設備之間的連接，S7-200的每個通信口支持4個連接，EM277僅支持PPI高級協議，每個模塊支持6個連接。如圖3所示，計算機通過網線（即雙絞線）與交換機相連，交換機同時還通過網線與6個串口服務器相連。每個串口服務器又通過PPI編程線連接著一臺PLC，這種構架成本低、擴展性強[3]。

圖4 PPI協議數據讀寫步驟Fig.4 Read and write steps of PPI protocol

PPI協議是基于字符的異步通信協議，帶有起始位、8位數據、奇偶校驗位和一個停止位。通信幀由起始字符、源和目的站地址、幀長度和數據完整性校驗和組成，只要波特率相同。也就是說可以實現計算機對多臺PLC混合存儲區多組數據的一次讀寫。

圖4所示為PPI協議一次數據讀/寫步驟，表示計算機要與PLC進行PPI數據讀寫的一般步驟：計算機按照通信要求，用規定格式的數據向PLC發送通信命令；PLC收到命令后，首先進行命令校驗，如果命令數據格式正確無誤，則向計算機返回初步應答信號；計算機在收到初步應答信號后，再次向PLC發送確認命令；PLC只有在再次收到確認命令后，才開始執行命令響應[4-5]。其中數據讀寫請求命令和最后的響應為SD2格式，確認命令為SD1格式。它們的具體內容如下：

SD1幀格式和內容：

SD2幀格式的格式和內容：

其中：SD1為起始定界符10H，SD2為68H；DA為目標地址；SA為源地址；FC為幀控制字節；LE為從DA開始到Data結束的字節長度；LEr為重復長度字節；Data為協議數據單元，是協議的核心內容；FCS表示從DA開始到Data結束的字節代數和；ED為結束定界符16H。

3 系統軟件

卷染機中央控制系統的功能還需要通過軟件來表現。系統采用面向對象的設計思想，首先根據要求抽象出命令、命令生成器、卷染機、PPI通信等對象；然后對需求進行合理分層，構建相對獨立的業務模塊；之后設計業務邏輯，利用多態、繼承、封裝、抽象的編程思想，實現業務需求；最后通過整合各模塊，主線程將實例化卷染機類對象，啟動內置的命令隊列生成器、命令執行器、并向其注冊更新界面的事件[6]。

3.1 數據讀寫

在卷染機中央控制系統中，計算機與PLC通信內容主要是數據讀寫。數據讀取的內容較多，如表1所示，列出了系統的要求計算機從PLC讀取的內容，包括數據長度、存儲地址、每條數據的實際物理意義。

表1 計算機從PLC讀取的具體內容Tab.1 Specific content of the computer read from PLC

表2列出了系統要求計算機向PLC寫入的內容，包括數據長度、存儲地址、每條數據的實際物理意義。現場操作人員一般根據現場的實際情況，才會進行數據寫入操作。比如管理員發現機器溫度較高，才會向PLC中相關存儲單元中寫于一些數據然系統降溫，所以這些要寫入的數據都是隨機性數據。

表2 計算機向PLC寫入的具體內容Tab.2 Specific content of the computer write to PLC

3.2 狀態監控界面

卷染機每秒鐘使用命令生成器向命令隊列中添加新的對象，用于讀取設備狀態。當程序收到PLC的信息經PPI對象解析后，顯示在用戶界面上，如圖5所示。當然用戶也可以點擊界面上的按鈕，向命令隊列添加進水、排水、加料、讀配方等命令。

圖5 狀態監控界面Fig.5 The interface of monitoring

系統的配方處理有上傳配方和下載配方之分，先選擇機臺號，然后點擊上傳按鈕就可以了，如圖6所示。上傳按鈕功能的實現與設備狀態監測一樣，都是把命令添加到命令隊列中交給卷染機對象來處理，更新界面的也是由卷染機對象所觸發的更新界面事件來實現。PPI協議一次只能讀取222字節的數據，所以上傳60個字的配方被分為2數據讀取命令依次執行。下載配方的實現與上傳配方的唯一區別就是，下載配方要分10次執行。

圖6 上傳下載配方界面Fig.6 The interface of upload and download recipes

4 結 論

本文介紹了一種卷染機中央控制系統，著重描述了計算機通過PPI通訊協議同時對多臺西門子S7-200型PLC混合存儲區多組數據的一次讀寫技術。系統實現了集中控制多臺卷染機，檢測設備狀態、上傳和下載配方和顯示主要工藝參數圖表的功能。通過調試檢測，系統能夠平穩的長時間運行，完全可以滿足實際使用需要。

[1]顧利秋.卷染機恒張力恒線速控制的研究[D].無錫:江南大學，2008.

[2]張連義，葉長春，李迅波.PLC網絡與計算機網絡連接的應用[J].實用測試技術.2002，28（5）:31-32.ZHANG Lian-yi，YE Chang-chun，LI Xun-bo.Application of PLC network connected to computer network[J].Practical measurement technology.2002，28（5）:31-32.

[3]李江全.西門子S7-200PLC數據通信及測控應用 [M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]潘必勝.西門子PLC的PPI通信協議研究[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（12）:35-37.PAN Bi-sheng.PPI communication protocol of the siemens PLC[J].Microcontroller and Embedded System Application，2009（12）:35-37.

[5]彭魏臻，麻紅昭，張華，等.PPI協議分析[J].化工自動化及儀表，2006，33（4）:47-50.PENG Wei-zheng，MA Hong-zhao，ZHANG Hua，et al.PPI protocol analysis[J].Chemical Automation and Meters Chemical Automation and Meters，2006，33（4）:47-50.

[6]韓雙霞.變壓器真空干燥設備的監控系統研究與設計[D].杭州:浙江工業大學，2007.