基于Modbus协议的棉花加工测控系统设计

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摘要：针对中国棉花加工过程中存在的加工设备故障率高、故障处理时间长的问题，研发了一套基于Modbus协议的棉花加工测控系统。系统设计了电流检测装置和转速检测装置，用于检测棉花加工设备运行电流与转速参数，采用数据挖掘故障诊断技术，分析加工设备故障特征，判断加工设备运行状态。在测控系统数据通讯过程中，传感器与控制器之间采用Modbus RTU协议、触摸屏与上位机之间采用Modbus TCP协议，确保设备运行参数的安全传输。棉花加工测控系统一个轧季的正常运行，有效降低了设备故障率，减少了故障处理时间，验证了整个系统设计的可行性和正确性。

关键词：Modbus协议；电流检测；转速检测；棉花加工；测控系统

中图分类号：TP277；TS113 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）11-2913-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.052

棉花加工的生产过程是指由原料子棉开始到制成产品皮棉、短绒等的全部劳动过程[1]，其工艺主要由子棉预处理、轧花、皮棉清理、集棉、打包、剥绒六个环节组成。在子棉预处理、轧花、皮棉清理和集棉环节，由于棉花喂给不均匀、子棉回潮率大等原因，存在加工设备堵棉、皮带断裂等故障。随着中国近年棉花产量不断提高，传统的继电器与单一的PLC的控制模式，检测信息速度慢且信息量少[2]，致使加工设备很难同步协调工作，继而造成加工设备故障率高、故障处理时间长，严重影响了棉花加工的产量与质量。

本研究设计的棉花加工测控系统，根据Modbus协议简单、实施容易等特点，解决棉花加工过程中存在的设备故障率高、故障处理时间长的问题。通过测控系统的使用，降低了棉花加工过程的设备故障率，缩短了故障处理时间，提高了棉花加工产量与质量。

1 Modbus协议及其分析

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议，控制器及相互之间经由网络和其他设备之间可以通信[3-5]。Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。协议的物理层可以是RS-232、RS-422、RS-485或TCP。与其他总线标准相比，Modbus协议具有协议简单、实施容易、性价比高、可靠性好等优点，在工业自动化领域获得了越来越广泛的应用[6，7]。

Modbus协议采用主从方式定时收发数据。在实际使用中，如果某Slave站点断开后（如故障或关机），Master端可以加以诊断；而当故障修复后，网络又可自动接通。因此，Modbus协议的可靠性较高[8]。在Modbus协议中，有多种协议代码，本研究主要使用以下4种功能代码（表1）。

2 测控系统设计

2.1 测控系统硬件组成

测控系统主要由上位机、触摸屏与控制器、传感器等几部分组成。上位机实现棉花加工数据的存储、统计功能；触摸屏与控制器实现数据分析判断、控制、传输、显示功能；传感器实现数据检测、传输功能；LED显示屏实现车间加工设备运行状态及故障报警功能。棉花加工测控系统组成框图如图1所示。2.2 Modbus传感器设计

Modbus传感器设计包括电流检测装置设计和转速检测装置设计。电流检测装置和转速检测装置主控芯片均采用宏晶科技生产的STC15F2K60S2单片机。

STC15F2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，且速度快8～12倍。内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），±1%温飘（-40～+85 ℃），常温下温飘±0.6%（-20～+65 ℃），5 MHz～35 MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路[9]。

2.2.1 电流检测装置设计 电流检测装置实时检测加工设备的电流值，并把测得的电流值通过Modbus RTU协议发送给PLC控制器，电流检测装置可实现16路电流的检测。

电流检测装置主要由STC15F2K60S2、16路模拟量转换电路、A/D采样、DC/DC降压电路、光耦隔离电路、RS-485电路组成。装置结构图如图2所示。由于电流检测装置安装的配电房存在多种干扰源，为了确保检测装置数据传输的稳定性，在电流检测装置的通讯电路中增加光耦隔离电路，实现RS-485通讯电路的电气隔离。

2.2.2 转速检测装置设计 转速检测装置实时检测加工设备关键部位的转速值，并把所测转速值通过Modbus RTU协议发送给PLC控制器，以供控制器对加工设备工况进行判断。

转速检测装置主要由STC15F2K60S2、脉冲信号检测电路、DC/DC降压电路、数码管显示电路、光耦隔离电路、RS-485电路组成。装置结构图如图3所示。转速检测装置安装在车间加工设备上，为了方便加工人员及时掌握所测加工设备的转速值，设计转速检测装置时增加数码管显示电路，实时显示转速值。同样，为了确保通讯的稳定性，在转速检测装置的通讯电路中，增加光耦电气隔离电路，增强通讯的可靠性。

2.3 测控系统数据分析设计

棉花加工设备在工作过程中，常会出现堵棉、皮带或链条断裂、主轴失稳等故障，通过研究与分析可知，根据电流和转速的变化率，可区分出加工设备不同的工作状态，具体如下。

1）当加工设备正常工作时，其电流和转速变化曲线如图4所示。从图4可以看出，转速曲线和电流曲线几乎为一条直线。因此，在加工设备正常工作时，电流变化率di/dt≈0，转速变化率a≈0。

2）当加工设备出现堵棉现象时，其电流曲线和转速曲线如图5所示。从图5可以看出，转速曲线迅速下降为0，电流曲线迅速上升，达到一定值时保持不变，当加工人员关断加工设备电源后，电流曲线逐渐降低为零。因此，在加工设备电机出现堵转后的有限时间内，电流变化率di/dt<0，转速变化率a>0。

3）当加工设备出现皮带或链条断裂现象时，其电流曲线和转速曲线如图6所示。从图6可以看出，转速曲线迅速下降为0，电流曲线缓慢下降，下降到一定值时保持不变。因此，在加工设备电机出现皮带或者链条断裂现象后的有限时间内，电流变化率di/dt<0，转速变化率a<0。

4）当加工设备出现主轴失稳现象时，其转速和电流曲线如图7所示。从图7可以看出，电流曲线和转速曲线呈周期性变化。因此，在加工设备出现主轴失稳现象时，电流变化率"di/dt|>0，转速变化率|a|>0。

通过以上分析可以看出，测控系统控制器通过计算检测的加工设备电机的电流变化率和设备关键部位转速变化率，根据电流变化率和转速变化率的不同，判断出加工设备的工作状态，进行相应的控制和其他处理。

2.4 测控系统控制流程设计

测控系统通过传感器实时采集子棉预处理、轧花、皮棉清理、集棉工艺环节加工设备的电流值与转速值，通过Modbus RTU协议把数据传输给PLC控制器；PLC控制器对检测的电流值与转速值进行综合分析判断，把检测数据和判断结果通过Modbus RTU协议传输给触摸屏，触摸屏显示数据，并通过Modbus TCP协议把数据传输给上位机；上位机软件对数据进行存储和统计，然后把统计结果提供给管理人员。

在子棉预处理环节，当加工设备出现故障时，PLC控制器控制自动喂花机的电机停止工作，停止喂花；在轧花、皮棉清理、集棉环节，当加工设备出现故障时，PLC控制器控制轧花机开合箱电机开箱，停止轧花；在加工设备出现故障时，PLC控制器控制LED屏显示器控制器，实现车间LED显示屏故障报警显示。测控系统控制流程如图8所示。

3 上位机软件设计

上位机软件为测控系统统计软件。软件采用VC6.0开发环境，使用SQL Server 2000数据库。SQL Server 2000数据库功能允许用户透明地查询和操作远程数据库实例的数据，并使应用程序看起来只有一个大型的集中式数据库，用户可以在任何一个场地执行全局应用，具有数据分布透明性和逻辑整体性等特点。

上位机负责统计、存储车间内所有采集的数据；统计车间加工设备故障原因、故障时间、故障率。上位机软件与车间触摸屏通过Modbus TCP协议通讯，把所采集的数据存储在SQL server 2000数据库中，并对数据进行处理。

进入主界面后，可以选择查看所检测加工设备的电流曲线与转速曲线，当加工设备出现故障时，可在故障报警界面查看故障原因、故障处理时间等相关故障信息。

4 小结

基于Modbus协议的棉花加工测控系统，在新疆生产建设兵团第六师新湖总场新旺社区棉花加工厂安装使用，将棉花加工设备的参数检测、分析判断与自动控制相结合，降低棉花加工设备故障率10%，缩短故障处理时间30%，提高了生产效率；基于Modbus协议的棉花加工测控系统，实现了加工过程设备故障率、故障原因统计，为管理人员生产决策提供数据支撑。

随着棉花加工测控系统的进一步完善，以及系统的推广使用，将为棉花加工过程的信息化、智能化生产奠定了基础。

参考文献：

[1] 徐炳炎.棉花加工新工艺与设备[M].北京：机械出版社，2002.

[2] 张 顺，张锦石.机采棉加工微电脑智能控制系统[J].中国棉花加工，2014（2）：17-19.

[3] 何凌霄，林凡强.基于MODBUS协议网络的多点火灾测控系统[J].电子科技，2013（9）：148-151.

[4] 邓元生. 基于单片机的MODBUS总线协议实现技术研究[D].长沙：中南大学，2009.

[5] 陈 铭.基于MODBUS协议的设备和PLC实现通讯的研究[J].湖南科技学院学报，2009，30（4）：60-62.

[6] 张世界，蒋 健，宋 彬.一种基于Modbus协议的多总线工业测控系统[J].今日电子，2012（1）：55-57.

[7] 王小鹏，张九强.MODBUS在智能保护装置上的应用[J].煤矿机械，2011（1）：190-192.

[8] 王佳承，费敏锐，王海宽.基于Modbus的多现场总线集成测控系统设计[J].自动化仪表，2009，30（6）：20-25.

[9] 陈桂友.单片微型计算机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2012.

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