基于虚拟串口的竹节纱生产设备远程监控系统

徐源钰，苏旭中，刘燕卿，刘新金

（江南大学 纺织科学与工程学院 生态纺织教育部重点实验室，无锡 214000）

0 引言

作为中国传统支柱产业之一的纺织业正面临着产业升级压力、劳动力成本上升等问题。随着“中国制造2025”的实施，对智能制造工程提出了生产过程智能优化控制，建设重点领域智能工厂、数字化车间的要求，因此将物联网技术广泛应用于纺织行业是一个必然的趋势[1]。

竹节纱具有粗细分布不均匀及种类丰富的特征，能够生产出各种风格不同的织物，受到消费者和市场的欢迎。江南大学自主研发的ZJ-5A型数字式智能竹节纱生产装置运用环锭纺竹节纱生产方式，运行中使前罗拉恒速，控制转速较低的中后罗拉，从而形成与基纱有变化的粗节，通过触摸屏来调节竹节纱的生产工艺参数即可生产出种类丰富、精密的竹节纱[2]。但是这种控制方式在问题的发现和处理上受到了时间以及空间上的限制：操作局限于在车间内进行；需要人工的巡视才能够发现问题，不利于问题的及时处理[3]。因此，需要借助于远程通讯模块以及虚拟串口技术来改进现有的生产装置，实现对多台生产设备的远程无线监控。

1 系统功能简介

该设计是在现有的生产设备的基础上添加了一套远程监控系统，无需对原有的硬件设备进行处理，简化了改造的过程、降低了设备改造升级的成本。

远程通讯模块的使用能够实现对PLC、触摸屏等设备的远程上下载程序和设备数据监控，解决了竹节纱生产设备“信息孤岛”的问题，对于竹节纱生产设备的控制不再受到距离的限制。在实际生产中，该系统对于多台竹节纱生产设备生产状况进行实时监测，可以将生产车间与企业的管理层紧密联系起来，有助于提高生产管理的效率，进一步向“智能工厂”、“数字化车间”迈进；对于竹节纱生产设备的PLC和触摸屏的远程上下载程序，实现了对竹节纱生产设备的远程在线管理，无需到现场进行操作，简化了对于设备的运营维修的过程，有效地减少人力的支出。

虚拟串口技术的应用不仅解决了所需要连接的设备物理串口缺少的问题，而且能够减少设备间的布线，节约了生产成本的同时也避免了因车间内布线过多而引发的安全生产问题。

整套系统具有全球性监测与控制、稳定性高、运维便捷的性能特点。

2 主要硬件及相关软件设计

如图1所示，竹节纱生产设备的远程监控系统由现场设备、远程控制模块和全球监控中心组成。其中现场设备包含以西门子S7-200PLC、信捷触摸屏为主的ZJ-5A型生产装置；远程控制模块采用了信捷A-BOX远程通讯模块，具有全球网络环境可使用、持久在线、通讯稳定等优点；全球监控中心则是以云服务器和PC端为核心的监控系统，不断采集现场设备中的工艺参数，能够将设备运行状态、曲线、故障报警等实时显示在PC端，达到远程监控生产设备运行的效果。

图1 竹节纱生产设备远程监控系统

PLC将采集到的生产设备的运行参数通过A-BOX远程通讯模块上传到云服务器。PC端连入局域网后，将从云服务器采集到的数据通过虚拟串口传输到昆仑通态（MCGS）数据库中，在PC端的昆仑通态（MCGS）组态环境中创建生产管理界面，从而实现对现场生产设备的实时监测，方便、实时地观察现场运行情况；同时也能够将竹节纱生产设备上触摸屏的参数设定的内容转移到PC端，可以远程实现对设备的控制。

3 系统通信设计

远程控制技术可以让用户在远离设备的地方实时地控制、监控设备，不受距离的限制，能够及时有效地处理设备的生产故障，便于生产设备的运行维护，在实际的工业生产中有着广泛的用途[4]。

竹节纱生产设备的核心是西门子S7-200系列PLC，图2所示为竹节纱生产设备的远程应用通信架构：PLC上的RS485端口与远程控制模块通过串口线连接，并通过Modbus_RTU协议模式进行通信；设置远程控制模块使其连入局域网，从而将采集到的数据信息传输到云服务器中；远程的电脑用户端连入局域网后，创建一个虚拟串口，可以直接以串口的方式从云服务器中进行数据的访问及传输。

图2 竹节纱生产设备的远程应用通信架构

3.1 通讯接口

工业上，采用串行通讯的方式，数据字按照一位一位的顺序进行传送，具有较强的抗干扰性能。常见的串口通讯物理端口为RS232和RS485。图3和图4所示为RS232和RS485的通讯结构，由图中可看出，信号是以电压信号传输的，当RS232结构中产生干扰信号时，易造成两接地端电位不等，使得接收端的信号与发送信号不同，所以此方式不利于长距离的信号传输；而RS485结构中将信号分为正负两路，信号到达接收端后，将两路信号相减得到发送端的原始信号，所以当信号源产生干扰信号时，干扰信号会叠加到两路信号中，在接收端相减后能够排除干扰信号的影响，从而确保接收端能够得到正确的原始信号。RS485以差分传输的方式有效排除噪声干扰，更利于长距离传输，在工业中广泛应用。RS232只能进行点对点的通讯，而RS485可多点通讯，并在通讯字符中标注响应的设备地址。

图3 RS232的信号结构图

图4 RS485的信号结构图

基于虚拟端口的竹节纱生产设备远程监控系统需要实现的是对多台生产设备的远距离集中监控，并且在实际的生产过程中，车间内来自于其他电气设备的干扰信号较多，因此需要更为稳定的通讯方式[5]。综上分析，A-BOX远程通讯模块与竹节纱生产设备的PLC之间的通讯方式基于RS485端口的通讯展开。

3.2 通信协议

MODBUS作为串行通信协议，能够使得多个设备连接到同一网络中并进行数据信息交流，符合基于虚拟端口的竹节纱生产设备远程监控系统对于多台设备同时进行通信的要求。MODBUS通信协议包含MODBUSRTU、MODBUS-ASCII、MODBUS-TCP/IP这三种形式，系统所使用的A-BOX远程通讯模块支持MODBUSRTU（Remote Terminal Unit），该协议采用的是紧凑型的二进制数据表示方式，命令符中带有循环冗余方式的校验，充分保证了信息的准确性及可靠性。MODBUS是遵从主/从结构的协议，在整个网络中至少有一个节点作为主站，其他节点作为从站，每个从站会分配有一个地址。主站会对网络中的各个从站地址进行逐个访问，保证主站能与每个从站进行数据传递，进而形成周期性的数据传递模式。在网络的数据交换过程中，主站能够读写相应设备地址的从站中的数据地址寄存器，而从站不能访问其他从站，只能响应主站的命令[6]。

MODBUS协议定义了四种数据类型：可读写位线圈（0区）、只读离散量输入（1区）、只读模拟输入寄存器（3区）、可读写保持寄存器（4区），如表1所示MODBUS协议中的数据地址都是从1开始的[7]。当设备接收到指令时，首先根据报文中的功能码自动选择相应的数据区域，再根据起始地址选中相应区域内的首地址，最后访问相应字节数的数据，MODBUS协议的访问结构如图5所示。

表1 MODBUS数据地址

图5 MODBUS协议的访问结构

3.3 虚拟串口

通过网络在PC端直接对远端生产设备进行管理能够有效地提高生产管理的效率。但是多数的电脑物理串口个数有限，或是与所需要连接的设备的串口有着物理冲突，使得仅仅依靠于物理串口的通信体现出了一定的局限性。竹节纱生产设备的远程监控系统需要实现的是对多台竹节纱生产设备的监控，那么每台设备至少需要一个物理串口来与电脑端相连，实际生产中实现的话就会出现生产现场布线过多、易引发生产事故等问题[8]。

虚拟串口不再使用数据电缆，并且具有于实际的物理串口相似的功能。虚拟串口的建立、设置与连接只需要通过虚拟串口软件来实现，能够有效解决上述的问题，减少生产现场的布线，简化了工作，并且无需添加其他的新设备，降低了硬件的生产成本[9]。

在该系统中，首先，在PC端创建一个虚拟串口，可在设备管理器中查看到该串口；打开西门子PLC的STEP7编程软件，在PC/PPI通信中选中相应的虚拟串口号，同时勾选“调制解调器连接”，并对调制解调器进行通信的设置：波特率9600bps、8位数据位、偶校验和1位停止位；最后，刷新得到当前所连接的PLC，从而实现程序的上传及下载操作。

4 系统监控软件设计

4.1 MCGS概述

MCGS（Monitor and Control Generated System，通用监控系统）与以往使用专用机开发的工业控制系统相比，更具有通用性，能够快速完成计算机监控系统的构造，它通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种形式向用户提供解决实际工程问题的方案，因此在工业自动化领域有着十分广泛的应用[10]。

4.2 设计流程

首先要了解竹节纱生产的工艺流程以及生产设备的构成，明确具体的监控对象及技术要求。在此基础上，定义数据对象，实现实时数据库的建立；根据实际技术需求完成对于主控窗口、设备窗口以及用户窗口的构造，设置好系统中各个部件所需调用的运行策略，即完成MCGS的组态过程。竹节纱生产实时监控系统创建的MCGS实时数据库如图6所示。

图6 MCGS实时数据库

实时数据库创建完成以后，还需要实现MCGS与竹节纱生产设备的PLC之间的数据交互，才能够实现在MCGS端对于生产设备的远程控制，这个过程被称为设备构件的通道连接。竹节纱生产远程监控系统的设备通道连接如图7所示。

图7 设备通道连接

4.3 交互界面设计

如图8所示为竹节纱生产远程监控系统MCGS用户界面端参数设定的界面。主要的设定参数有竹节纱的长度、倍率及基纱的长度，拥有操作权限的用户在PC端登录以后，在该界面根据实际生产需求输入参数，即可实现对所连接的设备的生产参数的远程设定。

图8 竹节纱生产远程监控系统MCGS用户界面端参数设定的界面

除此以外，还有实时数据显示界面、运行状态界面、历史数据界面以及报警显示等。如图9所示即为竹节纱生产监控系统实时数据显示界面。

图9 竹节纱生产监控系统实时数据显示界面

5 结语

该系统利用虚拟串口技术及A-BOX远程通讯模块，解决了竹节纱生产设备“信息孤岛”的问题，实现了对于多台竹节纱生产设备的远程监测和控制，以及在线对设备的PLC上传及下载程序，节省了大量人力、物力的同时也有利于提高企业的生产管理的效率，在纺织工业的控制领域有着广阔的应用前景。