1、引言

隨著當今計算機技術、控制技術以及通信技術的迅猛發展，網絡集成化的控制系統是工業自動化系統發展的必由之路。而現場總線（Fieldbus）是上世紀90年代初發展形成的，廣泛應用于過程自動化、制造自動化等領域的現場智能設備互聯通訊網絡。國際電工委員會（IEC）在IEC61158中給現場總線下了一個明確的定義：安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串形、多點通信的數據總線稱為現場總線。它的關鍵特點是：在體系結構上成功地實現了串行連接，一舉克服了并行連接的許多不足;在技術上成功地解決了開發競爭和設備兼容兩個難題，實現了現場設備的高度智能化、互換性和控制功能的徹底分散化。從而使現場總線技術和其他技術相比，在設備的硬件數量和投資、安裝費用、維護費用、系統的控制精度和可靠性以及用戶的自主選擇權上都顯示出了巨大的優越性。PROFIBUS（PROcess Fieldbus）總線技術又以其技術的成熟性、完成性和應用的可靠性等多方面的表現，在現場總線技術領域中成為領跑者。而PROFIBUS-DP技術是一般用于車間設備級的高速數據通信，主站通過標準的PROFIBUS-DP專用電纜與分散的現場設備進行通信，對整個DP網絡進行管理和控制。在PROFIBUS-DP網絡中多數數據交換是周期性的，另外還提供強大的網絡以及參數配置、故障診斷和報警處理等的非循環通信。

本系統將PROFIBUS總線技術應用在紡織行業的清梳聯工序的數據集成系統中，采用西門子S7-300系列的PLC作為控制系統的主站，將分散的紡織機械設備作為控制系統的從站，將需要的數據信息通過PROFIBUS-DP網絡進行采集和處理。下面主要針對清梳聯工序，闡述控制網絡的總線構成以及軟件實現，并分析了PROFIBUS總線技術在紡織行業中應用的優勢。

2、系統簡介

典型的紡織生產過程主要包括了清花工序、梳棉工序、預并條工序、條并聯工序、并條工序、精梳工序、粗紗工序、細紗工序、絡筒工序等生產流程。其中清花工序和梳棉工序簡稱清梳聯工序。清花工序又稱開清棉，主要對原棉進行混合、開松、除雜，并去除羽毛、尼龍線、碎布、絲麻等異性纖維，主要由往復式抓棉機、開棉機、混棉機、清棉機、微塵異纖分離機等設備組成。梳棉工序主要有各種型號的梳棉機組成，梳理棉纖維使其分離成單纖維狀態，清除筵棉中的棉結、雜質、疵點及部分短纖維，在梳棉工藝過程中也具有一定的均勻、混合作用，最后將制成的棉條（生條）圈放在條筒中。其典型的清梳聯生產流程如圖1所示。

該系統主要由各種型號的18臺清花機和54臺梳棉機組成，但是由于清梳聯工序中現場設備數量多、分布范圍廣、信號類型復雜、在線故障診斷以及報警等功能不強，整個系統的可維護性差，集中智能化管理困難，并且不同廠家的設備兼容性差，系統的開放性、集成性不強，給整個工序的信息監控、數據集成、生產管理等帶來了極大的困難，大大的影響了企業生產效率的提高、經濟效益的增長和市場競爭力的增強。

3、系統設計

3.1 方案選擇

由于清梳聯工序的生產信號類型復雜，紡織機械設備數量多，類型雜，分布范圍廣，相互之間的通信能力不強，且部分產品采用的仍然是老式的PLC控制器，為了符合企業未來的發展方向，實現企業生產過程的數據信息采集及處理、事故分析及故障診斷、報表統計及打印、設備遠程控制、信息通信、實時在線診斷和生產管理等功能，滿足現代紡織工業的高質量、低成本、大批量、快速響應、高效低耗、清潔生產的需要，采用基于PROFIBUS的總線技術構成以S7-300PLC作為系統主站、帶有DP通訊模塊的各種機械設備作為從站的PROFIBUS-DP網絡，實現生產控制和企業管理的管控一體化。

3.2 硬件構成

本系統包括18臺清花機和54臺梳棉機。其中54臺JWF1204型號的梳棉機和12臺清花機都是采用S7-200的PLC作為單機設備的控制器，另外6臺清花機的控制器采用帶有RS-485通訊接口的自開發模塊。由于一個PROFIBUS-DP網絡中最多可以126個系統從站，每個網段中最多有31個系統從站。因此，清梳聯工序的網絡結構主要是采用S7系列的315-2DPCPU作為系統主站，分別采用EM277通訊模塊和RS-485/DP通訊模塊將各個單機設備通過3個中繼器和1個終端電阻組成4個網段（每個網段包括18個從站），構成PROFIBUS-DP網絡。其網絡結構示意圖如圖2所示。

3.3 系統組態

安裝西門子的STEP7 V5.3版本的組態軟件，分配系統主站和從站地址，利用PROFIBUS-DP專用電纜和連接器以及中繼器、終端電阻，按照網絡拓撲結構進行系統網絡的物理連接。然后在STEP7軟件上添加第三方設備需提供自己的GSD文件。GSD文件是制造商事前寫好的，已經固化到相應的設備中，不同性能的設備其GSD文件也不一樣。用戶可以讀GSD文件，但不能對其進行修改。進行系統組態時，必須添加設備的GSD文件，只有這樣設備才能被系統所認可。然后在新建項目的菜單中，選擇“SIMATIC 300 Station”，插入CPU315-2DP的系統主站，然后根據從站性質，分別組態EM277和RS-485/DP的通訊模塊。整個系統的組態結構示意圖如圖3所示。

3.4 軟件設計

軟件系統分別選用工業組態編程軟件STEP7 V5.3和遠程監控軟件SIMATIC WinCC。STEP7運行于Windows環境下，界面友好，完成硬件組態、參數設置、PLC程序編制、測試、調試等。而WinCC包括設置工業流程監控畫面、報警信息記錄、全局腳本、用戶管理、數據的分析、處理及存儲等功能，集控制技術、人機界面技術、數據庫技術、網絡技術等于一體，含有實時數據報表、歷史數據報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為系統的進一步的二次開發提供了平臺。另外通過友好的HMI還可以進行系統的狀態監控、參數設置、故障顯示等處理。并且對紡織機械設備的數據讀取，通過在底層PLC控制器中編寫應用程序，通過PROFIBUS-DP網絡，可以在上位機的WinCC監控軟件的數據庫中輸入輸出數據。

4、效能分析

（1）系統設計簡化

系統中使用SIMATIC STEP7組態編程軟件對總線系統進行硬件組態、PLC控制器的程序編寫，并通過上位機的WinCC監控軟實現畫面監控和信息處理，從而形成了良好的用戶界面，統一的應用平臺。雖然清梳聯工序的設備形式復雜，但是系統都是基于統一的應用平臺，主站、從站相互通信，信息讀取，實現生產過程的設備控制和信息處理。從而縮短了設計、生產周期，大大簡化了圖紙設計，控制實現和布線裝配等。

（2）系統調試、診斷方便

PROFIBUS-DP網絡主要是主站通過標準的PROFIBUS-DP專用電纜與分散的現場設備進行通信，對整個網絡管理和控制。由于RS-485的傳輸技術簡單，雙絞線的敷設不需要專業知識，簡單培訓后就可以現場施工和安裝，因此系統易于安裝。另外系統提供了強大的診斷工具，為系統的現場調試工作帶來方便。通過診斷工具的檢測，發現DP網絡的各種問題，例如主、從站通訊錯誤，網絡架構錯誤、站點丟失等。利用STEP7的在線診斷功能、ProfiTrace等獲得確切的故障信息，調試網絡，使之運行正常。

（3）系統擴展方便

由于PROFIBUS-DP網絡采用一根專用的雙絞線電纜將整個網絡連接在一起，可以根據實際工程的需要，采用中繼器和終端電阻，分期、分時段的將DP網絡分成多個網段連接到網絡架構上去。另外，由于PROFIBUS是公開、規范的協議，凡是支持該協議的其他廠家的設備均可以方便的接入，為今后的產品選型留有更靈活的選擇余地。

（4）系統安全性高

網絡系統的安全性高，分別在系統的硬件設計和軟件設計中充分考慮。其在硬件設計上添加有報警器、自動斷電保護、站點丟失報警等措施，當系統發生重大錯誤是，通過急停按鈕，關掉系統的要害部分，有效的保護的系統的硬件系統受到破壞。另外在軟件設計上，除了在程序設計上添加保護環節外，在上位機畫面上還提供了豐富的故障診斷信息。當系統出現錯誤，可以根據系統提示，查找原因，很好的保證了系統的安全性。

（5）數據集成及處理

根據紡織工藝的特點，大量的工藝、生產數據需要采集和處理。PROFIBUS-DP網絡可以提供38400bit/s到12Mbit/s的網絡傳輸速率，通過上位機的WinCC監控軟件的SQL Server2000的數據庫，方便得數據存儲和處理。

5、結束語

現場總線作為工業控制網絡技術在紡織行業發揮著越來越重要的作用，實現了系統的分布式控制，網絡速度快，可靠性高，開放性好，抗干擾能力強，安裝、調試和系統維護方便，提高了紡織企業的信息化管理水平和生產效率，降低了生產成本，增強了市場競爭力。因此，現場總線技術在我國的紡織行業具有典型應用價值和推廣意義。

本文作者創新點：本文中帶有PLC控制器和自開發的帶RS-485通訊接口的控制模塊的紡織機械設備作為系統的應用設備，采用PROFIBUS總線技術作為系統的通信基礎，以西門子公司的STEP7和WinCC軟件作為系統的組態、編程和監控工具，對傳統的紡織工藝進行數據集成，信息化管理。和傳統的單機控制方法相比，該系統可靠性高、功能強。其在我國的紡織行業具有典型的推廣意義和應用價值。

本項目在10萬紗錠規模的紡織企業的清梳聯工序應用，年增長經濟效益約15萬元。

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