基于PLC與NET的竹節紗智能控制系統

楊奉偉，劉燕卿，徐伯俊，謝春萍，蘇旭中

（江南大學 生態紡織教育部重點實驗室，無錫 214122）

0 引言

當前紡織工業的發展已進入新時代，面臨著由勞動密集型產業向技術密集型產業轉型，借助于物聯網技術的發展，紡織行業信息化水平也不斷提高。物聯網技術通過將紡織設備與人相連，設備與設備相連，借助對應的執行系統，對生產過程中數據進行采集、傳輸與應用，有利于加快紡織行業的數字化、智能化進程[1]。

竹節紗是花式紗線的重要品種之一，即在單紗的長度方向上分布有粗細節狀態，其產品應用廣泛，如窗簾，牛仔布，裝飾用品等。竹節紗生產參數主要包括基紗號數，竹節號數，節距及節長等，影響竹節紗表面竹節分布及粗細分布[2,3]。考慮到竹節紗工藝參數設置的方面快捷，竹節長度，竹節倍率等重要工藝參數的快速設置及竹節紗生產設備的在線監控，基于微信公眾品臺，開發一種在線生產監控系統以降低勞動強度，提高生產效率。

將微信作為智能硬件的入口，第三方硬件廠商也可通過該平臺提供的接口與微信用戶交互[4]。相比于自主開發竹節紗智能控制系統終端，利用微信公眾品平臺開發該終端更加方便快捷，同時該平臺具有技術穩定成熟，用戶群體龐大，開發成本低等優點，這也是自主開發所無法比擬的。因此本文利用微信公眾平臺、.NET語言、Internet網絡以及工業PLC開發了竹節紗智能控制系統，該系統可遠程控制生產機器的運行狀態、修改及監控生產工藝參數等功能。該系統設計成本低，且終端穩定，用戶無需安裝第三方軟件即可遠程控制生產設備。

1 系統整體方案

該系統主要分為三部分，用戶應用層、網絡層與控制層，如圖1所示，控制層由.Net平臺開發的竹節紗在線監控系統的窗口應用程序構成，該程序通過將計算機與工業PLC進行交互來獲取和傳輸相應數據，并將數據存儲到本地MYSQL數據庫中供用戶調用。工業PLC作為竹節紗生產設備的控制中樞存儲著大量生產數據，包括機器運行狀態，竹節紗生產工藝參數如長度與倍率、生產批次、竹節紗模糊方式等重要數據[5]。利用.Net平臺開發竹節紗在線監控系統的窗口應用程序，該程序通過向PLC對應地址中發送數據可修改生產工藝參數及機器運行狀態，并將監控得到的數據上傳到本地數據庫。

網絡層基于.Net平臺開發本地服務器作為搭建整個系統的中繼站，并利用NAT穿透技術將外網與本地計算機節點相連接，主要功能是將控制層與用戶應用層互聯成網以訪問本地數據庫，負責接受用戶的命令，并將命令轉發給控制層，并將控制層中相應的數據傳輸給用戶，用戶可實時遠程監控生產設備的生產數據。

用戶應用層作為系統終端，負責與用戶交互，利用微信公眾平臺用戶可在手機、平板或PC發送命令，從而實現如竹節紗工藝參數收發、機器運行狀態查看、控制機器啟停等功能，同時作為服務于工廠實際生產的輔助控制系數，以保證生產數據安全及機器運行穩定。

圖1 系統整體框架

2 數據采集與控制

2.1 數據分類

在竹節紗生產設備中，PLC內部存儲的數據可分為六類參數，包括生產狀態監控參數、參數設置、運轉產量管理參數、機臺性能監測參數、系統調試參數及報警信息參數。每個分類下面又分多個參數，每個參數在PLC內部都有一個唯一的地址，可通過讀取該地址寄存器的值來獲取對應參數的當前值，表1為主要參數分類及其詳細參數舉例。

2.2 Modbus通信協議

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議PC設備按照對應的通訊格式編寫數據即可實現與PLC的相互通信，該協議分為Modbus-RTU模式與Modbus-ASCII模式，本系統采用Modbus-RTU模式實現與PC端與PLC的交互，在.Net環境中按照對應的信息格式編寫Modbus通信協議，利用串口進行數據的傳遞。

表2為讀取前羅拉轉速時Modbus通訊信息，其中前羅拉的轉速值的存儲地址為HD500在PLC內部的Modbus地址為A274H，此時讀出的為0200H，即表示前羅拉轉速為512r/min。按照此種方法，參考用戶手冊給出的Modbus地址即可獲取PLC內部全部數據。

2.3 采集與控制實現

竹節紗設備的生產數據大部分存儲在PLC內部數據寄存器（D、HD）及輔助繼電器（M、HM）中，其中數據寄存器中主要存儲各項生產參數及機器運行參數，輔助繼電器由PLC內部軟元件的觸點驅動，存儲生產過程中機器的運行狀態，紗線種類等，只有打開與關閉兩種狀態[6]。無論寄存器還是繼電器都可通過Modbus通信協議讀取及修改PLC內部對應地址的數據，表3為該系統生產監控模塊主要參數地址及Modbus地址，此外還有其他多個模塊的參數地址，因篇幅限制，不在此列出。

2.4 用戶終端與本地應用交互實現

系統本地應用程序及用戶終端的Web頁面分別利用.NET下的WinForm與WebForm技術進行開發，在一般情況下Web界面是無法直接向WinForm應用程序發送消息，本系統利用Web Service實現遠程終端利用本地應用程序中的MSComm控件讀取PLC內部數據，并將數據返回到Web界面，從而實現用戶終端與本地應用的交互，進而使終端用戶通過點擊Web界面即可直接獲取到PLC內部數據，無需經過數據庫，減少了用戶訪問延遲，十分適合與讀取一些不需要存儲到數據庫，而又必須要監控的數據，如羅拉轉速，當前紡紗長度等數據。圖2為Web Service服務在終端與本地程序中的作用。

表3 生產監控模塊參數地址

圖2 Web Service服務作用圖

3 用戶終端設計

3.1 微信公眾平臺與服務器

微信公眾平臺與服務器之間的交互流程可簡單概括為：用戶發送消息或單擊公眾號自定義菜單，服務器收到用戶請求，微信服務器根據業務邏輯回復給用戶對應的消息，如視頻、文本、語音、地理位置等。這種工作流程與HTTP協議類似，即客戶端發送HTTP請求到服務器，如圖3所示，服務器端發送對應HTTP響應用戶請求[7,8]。本系統需要根據官方提供的接口來定制自己的公眾平臺，因此在開發過程中其交互方式略有不同，如圖4所示，當用戶在微信里給公眾號發送消息或者單擊微信自定義菜單時，微信手機客戶端將這條消息發送到微信服務器。其次，微信服務器收到用戶的請求后，根據具體的業務邏輯再將消息推送給開發者設置的服務器地址（URL），這個服務器地址對于微信服務器來說就是一個服務器，微信服務器此時充當的是客戶端的角色[9]。開發者的服務器收到微信服務器推送過來的請求后，根據微信提供的規則解析出用戶發送的消息內容，然后再根據具體的業務邏輯將響應的內容回復給微信服務器，微信服務器再返回給用戶。

圖3 http協議收發原理

圖4 本系統信息收發原理

3.2 用戶權限管理

一般微信公眾平臺其服務器對于用戶是透明的，關注此公眾號的用戶可以獲得微信后臺的全部數據[10]。但是作為服務于工廠實際生產的系統，必須保證生產數據的安全性，并且針對不同的關注用戶需要具有不同的權限，因此需要針對不同的用戶進行分類。本分類方式基于微信公眾平臺后臺的用戶數據，每個關注公眾號的用戶在后臺都具有一個唯一的ID，將這個ID進行分類后分別存儲在不同的數據表中，系統根據對應數據表中的ID賦予用戶不同的權限，從而保證了數據安全性，如圖5所示。

圖5 用戶權限關系圖

4 系統調試

4.1 基本消息的收發

對于已經通過驗證的新用戶，公眾號后臺會自動識別用戶ID并回復對應的信息，圖6為最高權限管理員所具有的權限及用戶回復1后得到的生產數據。新用戶通過回復對應的字段即可查看對應的數據，如用戶回復1即可查看當前設備的生產狀態參數，回復6即可查看設備所有關鍵數據，圖7為用戶回復1后對應生產狀態監控數據表中的數據，該公眾號回復的數據為當前設備最新上傳的數據。

圖6 公眾平臺操作指南

4.2 生產設備在線控制與調試

根據公眾號自動回復的操作指南來獲取數據對于新授權的用戶來說是個比較有效的解決辦法，但是對于老用戶或者是比較熟悉該公眾平臺的用戶來說，根據提示來操作就顯得有些繁瑣，因此用戶也可直接回復對應的命令來直接獲取對應的數據。

4.3 生產設備調試與錠速修改

針對生產數據的分類不同，向用戶采取不同的呈現形式，如生產設備的錠速這一數據采用曲線的方式呈現給用戶，更加的簡單明了，如圖8所示，用戶可直接在回復錠速曲線來獲取當前生產設備的錠速曲線的圖文消息，通過點擊該圖文消息，即可跳轉到錠速曲線界面，也可在線修改錠速曲線。

4.4 竹節紗生產工藝參數查看與修改

圖7 機器生產狀態數據表

圖8 錠速曲線

用戶也可通過在微信端回復竹節紗生產參數來查看及修改當前設備竹節紗生產參數，用戶通過點擊對應的圖文消息跳轉到對應的竹節紗生產參數界面，如圖9所示，用戶點擊確認按鈕后新的竹節紗生產參數上傳到本地數據庫，然后本地應用程序讀取數據庫中的信息上傳到PLC中繼而實現生產參數的變化，圖10為監測到的PLC內部數據的變化，可以看到與用戶端修改數據是對應的，說明生產參數修改成功。

圖9 竹節紗生產參數修改界面

5 結語

通過對微信公眾平臺的二次開發，將用戶的移動終端與竹節紗生產設備相連，最終實現多用戶遠程實時監控竹節紗生產。由實驗結果可知，用戶利用該系統可實現對竹節紗生產狀態的遠程監控、參數設置，遠程調試機器等功能并且一線工人，維修人員，管理人員根據職責分工不同可通過該系統獲得相應的數據及管理權限，無關人員即使關注了該公眾號也無法獲得生產數據，保證了數據的安全性。

圖10 PLC內部竹節紗生產參數變化對比圖

采用此種物聯網與微信公眾平臺相結合的開發模式，開發者無需開發其他APP即可實現將移動終端與實際生產設備相連，實現用戶與機器的遠程交互，提高了紡織機械的智能化程度，有利于提高紡織企業生產及管理效率，同時對紡織企業的智能化轉型也具有一定的借鑒價值。