清梳聯系統網絡化監控及其梳棉工藝優化設計

謝水英，陳懷忠，2，朱金芳

(1.浙江工業職業技術學院電氣電子學院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學自動化研究所，浙江 杭州 310018)

清梳聯系統網絡化監控及其梳棉工藝優化設計

謝水英1，陳懷忠1，2，朱金芳1

(1.浙江工業職業技術學院電氣電子學院，浙江 紹興 312000;2.浙江理工大學自動化研究所，浙江 杭州 310018)

清梳聯系統設備種類繁多，整體設備自動化程度低，通信聯網功能弱，信息管理相對滯后，同時在梳棉道夫工藝存在傳動控制技術落后，故障率高等不足。針對以上問題，以西門子PLC為清梳聯系統中心控制器，采用PROFIBUS-DP工業現場總線構成清梳聯網絡化監控系統，實現對各設備的工藝參數修改、任務下達、動態顯示、數據保存、故障分析等監控功能，并對梳棉道夫傳動控制進行矢量變頻設計。結果表明，監控系統提高了企業自動化生產和信息化管理水平，降低勞動力成本，節能降耗。

清梳聯;PROFIBUS-DP;網絡化監控;矢量變頻

清梳聯是棉紡廠把原料加工成單纖維狀態的關鍵設備，清梳聯系統一般由多條生產線組成，每條生產線的數量有時多達數十臺，所有設備數量多達數百臺。棉紡廠一些清梳聯系統電氣控制仍采用手動單機操作，自動化程度低，工藝參數修改和讀取、產量記錄都要到單機臺上手動完成。

傳統清梳聯企業設備種類和數量眾多，生產任務量大，人員往返于各設備之間，工作效率低，信息管理相對滯后。同時在梳棉道夫關鍵工藝中，傳統設備仍采用電磁離合器、雙速電動機等調速方式，工藝落后，精度低，故障率高，不能滿足低速對轉矩的要求，嚴重影響初棉生條質量［1－2］。

本文針對清梳聯系統生產過程中存在的問題，將PROFIBUS-DP現場總線技術、計算機網絡技術以及工業以太網技術應用到清梳聯的網絡化監控系統中，實現了對設備的現場和集中監控、操作與管理。其次引入交流矢量變頻技術，對梳棉道夫關鍵工藝進行改進，達到高效和節能降耗的目的，從而提高棉紡織企業自動化生產、管理水平和經濟效率。

1 清梳聯工藝流程

典型清梳聯工藝流程主要包括抓棉、開棉、混棉、和梳棉等工序。生產流程見圖1。

圖1 清梳聯生產流程Fig.1 Production process of blowing-carding unit

抓棉機首先將排列好的各等級初棉原料按一定次序抓取，以風力為驅動動力，把原料輸送到管道里。然后開棉機把原料開松再混合，同時對不符合標準的雜質進行除雜?；烀迿C按照交錯原理混合并進行儲存，清棉機對原料進行進一步除雜和開松。最后梳棉機對均勻的纖維層進行逐一開松落雜、清纖維和除短絨、梳理后加工成纖維網，經牽伸壓輥后形成棉條，供后續工序使用［3］。

2 網絡化監控總體設計

大的困難。在本文設計中，清梳聯網絡化監控主要采用PROFIBUS-DP現場總線技術，它主要解決工業現場智能化儀器、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高一級控制系統之間的信息傳遞問題，實現企業生產過程的數據采集處理、報表統計、事故分析診斷、設備遠程控制、實時在線診斷等功能，滿足現代企業大批量、高質量、高效低耗的需要，實現生產控制和企業管理的一體化［4－5］。

傳統清梳聯工序中現場設備分布范圍廣，數量多，信號類型復雜，故障診斷及報警等功能不強，集中智能化管理困難，可維護性差，同時不同廠家設備兼容性較差，給整個工序的信息化管理等帶來了極

3 監控網絡通信實現

控制對象為某棉紡廠清梳聯系統，清梳聯系統網絡化監控設計整體方案如圖2所示。

圖2 清梳聯網絡化監控系統結構圖Fig.2 Networked control system structure diagram of blowing-carding unit

圖2中，清梳聯系統主要由6條清梳聯生產線系統構成，本文主要以1條典型的清梳聯生產線說明系統結構組成與設計。該生產線主要由抓棉、開棉、混棉、清棉和梳棉單元組(由10臺梳棉機構成)等組成，各項工藝控制使用S7-200 PLC作為中心控制器。針對現場設備數量多，分布范圍廣，信號類型復雜，數據管理復雜等特點，采用PROFIBUS-DP工業現場總線構成清梳聯網絡化監控網絡，進行設備和數據監控管理。每套清梳聯系統采用了PROFIBUS-DP工業現場總線組成了現場級通信網絡，6套清梳聯網絡通過西門子SIMATIC NET工業以太網構成管理層網絡。清梳聯網絡化監控系統主要分為4個層次:現場設備層、傳輸層、控制層和管理層［6－7］。

3.1 現場設備層

現場設備層作為系統在現場一線的設備，承擔著整個現場設備的數據檢測、采集和設備驅動等功能。如清梳聯設備的啟動停止等各種開關量，抓棉量、手羅拉轉速、棉倉壓力、出棉口壓力等各種模擬量的信號采集，執行機構如電動機、變頻器、電磁閥等各種驅動設備。

3.2 傳輸層

傳輸層主要是由不同等級域的網絡構成，每個封閉網絡都配備有相應網絡傳輸控制設備等，它們承擔著整個系統數據信號的網絡傳輸，主要由通信線、通信模塊和各種通信協議構成。在清梳聯系統中，各種信號交換主要構建在基于PROFIBUS-DP現場總線和工業以太網上。老設備一般采用RS-485通信方式，但 RS-485通信波特率一般在9.6～19.2 kbps之間，同樣在19.2 kbps速率的條件下，RS-485若超過100 m，效果較差，而DP通信距離可達到1.2 km，可見DP通信速率大大優于傳統的RS-485通信。在傳輸層還設計了清梳聯系統監測的人機交互接口，實現對用戶操作需求的信號傳輸與反饋［8］。

3.3 控制層

控制層是清梳聯系統整個自動化控制系統中人機信息交換控制中心，主要由PLC、觸摸屏、WINCC SCADA組態軟件等構成。每條生產線構成一個車間級監控系統，車間控制室由監控上位機、打印機和UPS等設備組成。PROFIBUS-DP控制網絡結構如圖3所示。主控制器選用西門子公司S7-300 PLC，CPU選用帶PROFIBUS-DP接口的 CPU315-2DP，在PROFIBUS-DP網絡中作為主站，地址設為2。以PC機作為上位機對系統進行監控管理，并配置CP5611通信卡作為網絡接口，地址設為1。

圖3 PROFIBUS-DP控制網絡結構圖Fig.3 Control structure diagram based on PROFIBUS-DP

多個分布在清梳聯各個工作現場的S7-200 PLC(CPU226)作為從站，PROFIBUS-DP網絡地址依次設為3，4，…，n。各從站負責現場信息的采集并向主站發放有關信號及執行具體控制命令。每臺S7-200 PLC配備一臺觸摸屏，對現場設備進行監控。S7-200通過EM277 PROFIBUS-DP通信模塊的DP端口，與CP5611通信卡通過1根雙絞屏蔽線連接構成PROFIBUS-DP現場總線網絡。以西門子生產的WINCC作為上位機的監控組態軟件。利用WINCC較強的網絡、數據處理和數據庫管理功能，能對清梳聯系統設備數據進行處理，將各清梳聯設備的工作狀態參數置于該監控計算機的可見和可控領域，完成指定工藝的參數修改、工況動態監控、事故報警、歷史數據集中保存、數據統計打印等任務［9］。

3.4 管理層

在6套清梳聯主控PLC安裝CP343-1通信模塊，上位機安裝Ethernet CP1613通信網卡，上位機和各清梳聯生產線主控PLC通信模塊均設置不同的IP地址，上位計算機利用交換機，通過西門子SIMATIC NET工業以太網將1～6號清梳聯生產線主控PLC信號進行監控采集，在WINCC SCADA監控系統中，在TCP/IP下建立連接和創建變量，構成了企業管理層。將各車間生產線監控數據連接入企業局域網，為企業ERP系統提供數據，生產數據的管理主要包括輪班信息、生產月計劃、機臺信息、質量指標、和產量指標等，構建企業ERP管理系統。企業管理層可以方便對工廠設備運行狀況進行整體監控，下達生產計劃和提取各車間運行情況的各種分析報表，用戶可方便地對數據庫中的歷史記錄進行查詢、編輯和打印。清梳聯系統工業以太網結構如圖4所示。

圖4 工業以太網結構圖Fig.4 Industrial Ethernet structure diagram

清梳聯網絡監控系統可安裝在多臺計算機中，實現資源共享。當遠程監控等外網接入工業以太網時，需安裝以太網防火墻。用戶根據需要，通過對網絡訪問權限限制，授權設備才允許訪問，以防止外網非法攻擊，保護系統內部設備安全運行。這樣可在世界各地通過Internet網，對系統進行遠程監控、故障診斷和管理。

3.5 PLC程序設計

清梳聯各工藝PLC編程主要由自動控制、手動控制、初始化模塊、通信模塊、診斷模塊、故障處理模塊等組成，PLC程序設計結構如圖5所示。

圖5 PLC程序結構Fig.5 PLC program structure

自動控制主要在開關信號、模擬量信號和故障信號等輸入的情況下，自動控制系統運行，實現各項功能。手動控制一般用于設備檢修或異常狀態控制。初始化模塊負責上電對系統初始化，通信模塊負責與主站和從站通信、上報故障信息、設置參數，調用各類數據等。診斷模塊用于系統自診斷，故障模塊用于系統故障顯示和報警等。

4 梳棉工藝控制優化

對清梳聯網絡化監控改造的同時，必須對較為落后，影響生產效率的工藝進行改進。在梳棉傳動系統中，道夫工藝的主要作用是凝聚和轉移錫林針面上的纖維，聚集成棉網輸出，對接頭和生頭速度要求較低(道夫頻率一般要求僅為4 Hz)，同時要求起動轉矩大。傳統設備采用雙速電動機、慣性輪、電磁離合器，用電氣加機械的手段來實現，故障較高，經常造成停機。一些企業用普通V/F變頻調速加以改進，調速性能有所提升，但存在轉速易受負載和轉差率的影響，動態性能差和控制精度低等不足，同時低速運行時，轉矩值偏低，效果仍然不理想。嚴重時出現破邊，棉網拉斷的現象，影響生產質量和效率。本文設計用矢量變頻技術對該工藝進行進一步改進。矢量變換的核心是把感應電動機利用坐標變換，把轉矩電流和勵磁電流分量變成標量獨立開來，再對它們進行控制，控制效果可以與直流電動機相媲美［10］。

本文采用西門子公司生產的6SE70型矢量控制變頻器對梳棉傳動系統中道夫工藝進行改造。梳棉工藝道夫單元交流矢量變頻驅動設計如圖6所示。

圖6 梳棉道夫單元矢量變頻控制Fig.6 Vector variable frequency control of carding doffer unit

中心控制器采用西門子公司生產的CPU226 S7-200PLC，驅動裝置采用西門子公司生產的6SE70型的矢量控制變頻器。變頻器速度給定采用改變傳統的模擬量控制方式，采用先進可靠的基于RS-485接口的USS通信協議的總線方式給定。在PLC創建項目時，首先安裝 USS protocal通信協議，S7-200PLC利用 PORT1通信口，進行通信設置。而PORT0通信口通過通信電纜與6SE70變頻器主板的X300通信口連接。其次，使用USS協議初始化PORT0端口，在6SE70型的矢量控制變頻器上設定相關參數，如USS網絡地址、通信速率、變頻器啟停信號、速度給定參數等。最后使用USS—CTRL模塊來控制變頻調速裝置速度輸出。

圖6中，系統三相電源通過交流接觸器引入，通過CUVC板X300的RS-485端口與PLC通信，PLC向變頻器發出速度啟?？刂?，發出不同的數字量控制變頻器速度。轉速反饋通過脈沖編碼器檢測交流電動機位移信號輸入到CUVC控制板X103的23、24、25、26、28和PE端口，形成速度閉環控制。通過總線方式實現變頻器的遠程監控，既彌補了變頻器點數少的不足，減少了模擬量模塊添置費用，并提高了轉速控制的穩定性和精確性，在與變頻器通信中上位機也獲取了較多信息。

優化改造后電動機速比可達1∶200，在0.3 Hz的低速下轉矩可實現200%的轉矩輸出，可有效避免由于轉矩波動而引起的機械損壞。負載擾動時，轉矩響應水平的提高使電動機速度變化幅度減至最小，電動機速度始終保持恒定，從而實現了道夫速度斜率任意調節，道夫工藝轉速任意可變的功能。

5 優化改造效果分析

在通信聯網方式選擇上，目前市場上有選用CAN總線等通信網絡，雖然成本較低，但對環境有一定要求，抗干擾能力相對較弱，故障率較高。PROFIBUS-DP和工業以太網通信網絡是一種中型通信網絡，結構簡單，性能穩定，抗干擾能力強，比較適合中型自動生產線系統。性能完全滿足各項要求，性價比較高。對清梳聯棉紡企業的網絡化監控和關鍵工藝改造，可根據企業自身實際情況進行，既可對單條生產線先行改造，逐步推進，也可同時進行全面升級改造。以浙江某企業為例，改造效果技術指標分析見表1?？傮w來說，企業網絡化監控改造后可在4個方面得到明顯改善和提高［11］。

表1 系統改造前后技術指標Tab.1 Technical index system before and after modification

5.1 生產自動化

改變了清梳聯傳統的手工操作為主生產方式，生產設備操作以自動化為主，操作簡便，降低了勞動強度，系統運行穩定，還可降低勞動力成本，可節省較多的勞動力資源配置。

5.2 維修簡便化

改造前設備故障率高，故障查找以人工為主，改造后故障率低，且故障查找利用監控網絡的強大故障自診斷能力，故障查找時間可平均縮短70%左右，而且維修簡便，故障率降低30%，提高了生產效率。

5.3 節能降耗

梳棉工藝矢量變頻技術的應用有效解決了道夫在低速生頭、接頭時轉矩不足的難題。取消了電磁離合器等機械設備，簡化了機械結構，減少設備配置和維修費用。同時變頻調速本身具有較好的節能作用，變頻節能改造可使梳棉工序平均節省電能18%以上，節能降耗效果明顯。

5.4 監控管理一體化

改造后系統可以根據工藝要求，方便調整各工藝參數，集監控、控制、查詢、統計和工藝優化為一體。實現生產管理資源共享，技術人員、調度、管理人員均可及時了解企業生產情況，合理作出科學管理決策，促進企業信息化水平提高。

6 結語

紡織行業作為我國傳統支柱行業，近年來企業內部實現生產自動化和管理網絡化已成為一種趨勢，與國際同行業相比，整體水平還有較大的差距。目前國內一些紡織機械制造廠家已將信息化系統引入清梳聯設備，取得較好的效果，但市場上仍存在不少傳統清梳聯企業，自動化程度低，通信聯網功能弱，若全部設備依賴更新，企業成本難以承受。本文提出了一種對傳統清梳聯系統的網絡化監控和關鍵工藝的改造方案，充分利用企業原有設備，將PROFIBUS-DP現場總線、工業以太網技術應用到清梳聯的網絡化監控中，實現了對設備現場分散控制和集中管理，大大提高了企業自動化水平，同時用變頻矢量調速技術對梳棉關鍵工藝加以改進，工藝水平進一步優化，提高了企業生產效率和經濟效益，可給傳統清梳聯企業自動化和信息化改造提供一定的指導作用。

［1］ 李妙福.現代清梳聯技術特征與發展趨勢［J］.棉紡織技術，2007，35(9):25 －29.LI Miaofu.Technology specialty and development of modern blowing-carding［J］.Cotton Textile Technology，2007，35(9):25 －29.

［2］ 王曉華，李鵬飛.平網印花機現場總線控制系統的設計與實現［J］.電工技術，2007(9):50－52.WANG Xiaohua，LI Pengfei.Design and implementation of flatscreen printing machine field buscontrol system［J］.Electro Technology，2007(9):50 －52.

［3］ 安小宇，王水華.總線技術在清梳聯系統中的應用［J］.微計算機信息，2008，24(5):71 －73.AN Xiaoyu，WANG Shuihua.Application of PROFIBUS technology in the cleaning combing equipment［J］.Microcomputer Information，2008，24(13):71 －73.

［4］ 李玉秀，徐毅.清梳聯的信息化技術應用［J］.山東紡織科技，2009(5):39－41.LI Yuxiu，XU Yi.Technology application of information system in carding combination machine［J］.Shandong Textile Science＆ Technology，2009(5):39－41.

［5］ 宋雪霞，余國平.網絡技術在清梳聯控制系的應用［J］.紡織機械，2008(4):37－39.SONG Xuexia，YU Guoping.Application of network technology to the blowing carding control system［J］.Textile Machinery，2008(4):37 －39.

［6］ 顧學軍，萬偉鋒.以太網在清梳聯控制系統上的應用［J］.紡織機械，2006(5):32－34.GU Xuejun，WAN Weifeng.Application of Ethernet in blowing-carding unit control system ［J］. Textile Machinery，2006(5):32 －34.

［7］ 徐永剛，喬光.清梳聯網絡監控系統的設計與實踐［J］.紡織機械，2008(4):36－38.XU Yonggang，QIAO Guang.Design and practice of Blowing-carding unit network monitoring system［J］.Textile Machinery，2008(4):36 －38.

［8］ 邵景峰，李永剛.清梳聯網絡化數據采集系統的開發［J］.棉紡織技術，2012，40(1):34 －36.SHAO Jingfeng，LI Yonggang.Development of blowing carding unit network data acquisition system［J］.Cotton Textile Technology，2012，40(1):34 －36.

［9］ 汪海燕，魏俊民.PROFIBUS-DP現場總線的間歇式染色機控制系統［J］.紡織學報，2004，25(6):34－36.WANG Haiyan，WEI Junmin.Batch dyeing machine control system for batch based on PROFIBUS-DP field bus［J］.Journal of Textile Research，2004，25(6):34 －36.

［10］ 許森.紡織專用矢量變頻調速系統研究［J］.浙江樹人大學學報，2012，12(3):1 －5.XU Sen.Vector controlled variable speed driver for textile machinery ［J］.Journal of Zhejiang Shuren University，2012，12(3):1 －5.

［11］ 楊銳彪.變頻調速控制在清梳聯中的應用［J］.電源世界，2011(9):48－49.YANG Ruibiao.Application of frequency conversion speed control in blowing-carding system［J］.The World of Power Supply，2011(9):48 －49.

Design of blowing-carding unit networked monitoring and carding process optimization

XIE Shuiying1，CHEN Huaizhong1，2，ZHU Jinfang1
(1.College of Electrical and Electronics Engineering，Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing，Zhejiang 312000，China;2.Institute of Automation，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China)

Blowing-carding system equipment is diverse，and some conventional equipment has low degree of automation，and relatively-lagged communication networking function.The carding doffer process has defects of backward transmission control technology and high failure rate.In view of the above，by using Siemens PLC as center controller and using PROFIBUS-DP industrial field bus as unit networked monitoring system，the functions of parameters modification，task assigning，dynamic display，data storage，fault analysis and so on are realized.At the same time，the techniques of carding doffer transmission are improved by vector inverter.The results show that the system can achieve the blowingcarding online monitoring and management，enhancing the level of production and management of enterprise automation，saving energy and reducing consumption.

blowing-carding;PROFIBUS-DP;networked monitoring;vector inverter

TD 74;TS 104.13

A

10.13475/j.fzxb.20140402406

2014－04－09

2014－12－29

浙江省教育廳科研計劃資助項目(FX2013238)

謝水英(1965—)，女，副教授。主要研究方向為自動化技術應用。E-mail:lbyzxsy@163.com。

book=85,ebook=85