基于单片机的电子清纱器网络监控系统的实现

在络纱过程中清除纱线中的有害纱疵，是纺纱生产的关键工序之一。以往纺纱过程中的清纱管理只是单机管理，利用电子清纱控制器(一种由两级单片机构成的RS-422全双工总线式监控装置)实时进行120路纱线上的纱疵清除工作;并完成该机台相关参数的设定、统计、故障实时监测和LCD界面控制等工作;同时积累了大量生产数据，形成了“信息孤岛”，不利于全车间范围内的络纱生产和质量管理。为了提高车间的生产效率和管理水平，我们开发实现了一个基于现场总线的电子清纱器网络监控系统。该系统中，电子器清纱器具有了数字通信能力;同时增设工控机作为远程监控计算机，利用MOXA CP-114IS异步多串口卡组成以RS-485为物理层的现场总线，将单个分散的现场设备变成网络节点，实现现场设备与远程监控计算机之间的数据传输和信息交换。系统最大挂接127台电子清纱器，轮巡采集每一台电子清纱器中的相关数据，组建数据库并进行统计分析，及完成相关参数的统一设定;增设网络型温湿度传感器对纱线的生产条件自动监测纪录，避免了人工抄录的繁重工作;同时LED条屏显示器滚动显示生产通知以及岗位产量质量实时数据，增强了岗位间的竞争力。下面对该系统做详细阐述。

1 系统拓扑结构：

整个系统是一个基于RS-485物理协议，自定现场设备通信协议和标准现场总线协议共存，实现数据传输与信息交换的现场总线系统。包括监控层、通信层、现场设备层三部分。系统结构如图1所示。

1.1监控层

用工控机作为车间级监控服务器，接收底层现场设备传送的数据并组建数据库，实现对现场设备的监控管理，进行工艺参数的设定和修改。同时可以通过Intranet/Internet技术与企业局域网或远程控制网站相连。

1.2通信层

约定通信协议与各底层现场设备通信。由MOXA CP-114IS、研华ADMA-4510S(中继器)形成基于RS-485物理协议的现场总线。其中，中继器主要是考虑到现场设备与车间级监控服务器通信距离远时选用。

1.3现场设备层

由数台电子清纱器、温湿度传感器以及LED条屏显示器构成。其中与电子清纱装置的连接是利用8251 USART(UNIversal Synchromous/Asynchronous Receiver/Transmitter)芯片，加入RS-485通信驱动电路形成数字通信接口，在保证原有功能不受影响的前提下，通过通信层与监控层交换数据。

2 通信层设计

2.1通信协议

监控层工控机(称主机，以下同)通过PCI通信控制卡(MOXA CP-114IS)的COM端口形成基于RS-485物理协议的现场总线，最大可与127台现场设备电子清纱器(称从机，以下同)进行主从通信。从机核心为Intel 8031单片机，异步串行通信波特率可达19.2Kbps;每一字节传送数据共有11位：1个起始位，8个数据位，1个奇偶校验位，1个停止位。主机与从机通过通信层以数据包形式传送数据，数据包格式如表1所示。

表1 通信数据包格式

其中：55H,AAH分别为帧头和帧尾，用于标识一个完整的数据包;数据包第2字节中的D6~D0为下位机的唯一地址编码，确保某一时刻通信链路的唯一性，D7位用于标识数据流的方向，便于处在总线上的各节点判断数据流向,并配合地址码表示每一数据包的目的地址或源地址;数据包3、4字节同为数据包的长度,以增强通信的可靠性;第5字节为操作码+项目码共同组成的命令码，并结合数据流标志明确通信命令所表示的内容和动作要求(如设定，查询，正反向应答等);紧接着的部分为数据包的可变信息体，根据不同的通信项目由主机下传的参数或是从机上传应答的数据组成;校验和采用字节累加(不计进位)，保留最低字节计算的结果，确保数据包传递的正确性。

2.2通信过程

通信采取主从应答方式，主机首先发送地址帧作为握手，被寻址的从机应答主机，建立连接;在判断地址符合后，主机给被寻址的从机发送控制命令，被寻址的从机根据其命令向主机回送相应的数据或应答。同时所有未被寻址的从机根据通信协议监听总线上的下行数据(以主机为参考点)，以便取得地址信息与主机建立连接。通信链路主要过程如图2所示：

图2 主从通信过程示意图

3 现场设备层设计

3.1现场设备层硬件设计

现场设备层每台现场设备均由16个前级数据采集处理器(实时采集120路纱线信号，采用RS-422全双共总线与后级单片机通信)和1个后级单片机构成监控装置。为了实现与上位监控层的数字通信，加入RS-485通信驱动电路。硬件原理框图如图3所示。

图3 现场设备层硬件原理框图

3.2现场设备层软件设计

作为现场设备的电子清纱器是一个24小时不间断运行的多任务实时监控装置。由于该装置要检测跑纱平均速度为600m/min，共120路纱线的纱线截面变化信号，使