基于PLC与NET的竹节纱智能控制系统

杨奉伟，刘燕卿，徐伯俊，谢春萍，苏旭中

（江南大学 生态纺织教育部重点实验室，无锡 214122）

0 引言

当前纺织工业的发展已进入新时代，面临着由劳动密集型产业向技术密集型产业转型，借助于物联网技术的发展，纺织行业信息化水平也不断提高。物联网技术通过将纺织设备与人相连，设备与设备相连，借助对应的执行系统，对生产过程中数据进行采集、传输与应用，有利于加快纺织行业的数字化、智能化进程[1]。

竹节纱是花式纱线的重要品种之一，即在单纱的长度方向上分布有粗细节状态，其产品应用广泛，如窗帘，牛仔布，装饰用品等。竹节纱生产参数主要包括基纱号数，竹节号数，节距及节长等，影响竹节纱表面竹节分布及粗细分布[2,3]。考虑到竹节纱工艺参数设置的方面快捷，竹节长度，竹节倍率等重要工艺参数的快速设置及竹节纱生产设备的在线监控，基于微信公众品台，开发一种在线生产监控系统以降低劳动强度，提高生产效率。

将微信作为智能硬件的入口，第三方硬件厂商也可通过该平台提供的接口与微信用户交互[4]。相比于自主开发竹节纱智能控制系统终端，利用微信公众品平台开发该终端更加方便快捷，同时该平台具有技术稳定成熟，用户群体庞大，开发成本低等优点，这也是自主开发所无法比拟的。因此本文利用微信公众平台、.NET语言、Internet网络以及工业PLC开发了竹节纱智能控制系统，该系统可远程控制生产机器的运行状态、修改及监控生产工艺参数等功能。该系统设计成本低，且终端稳定，用户无需安装第三方软件即可远程控制生产设备。

1 系统整体方案

该系统主要分为三部分，用户应用层、网络层与控制层，如图1所示，控制层由.Net平台开发的竹节纱在线监控系统的窗口应用程序构成，该程序通过将计算机与工业PLC进行交互来获取和传输相应数据，并将数据存储到本地MYSQL数据库中供用户调用。工业PLC作为竹节纱生产设备的控制中枢存储着大量生产数据，包括机器运行状态，竹节纱生产工艺参数如长度与倍率、生产批次、竹节纱模糊方式等重要数据[5]。利用.Net平台开发竹节纱在线监控系统的窗口应用程序，该程序通过向PLC对应地址中发送数据可修改生产工艺参数及机器运行状态，并将监控得到的数据上传到本地数据库。

网络层基于.Net平台开发本地服务器作为搭建整个系统的中继站，并利用NAT穿透技术将外网与本地计算机节点相连接，主要功能是将控制层与用户应用层互联成网以访问本地数据库，负责接受用户的命令，并将命令转发给控制层，并将控制层中相应的数据传输给用户，用户可实时远程监控生产设备的生产数据。

用户应用层作为系统终端，负责与用户交互，利用微信公众平台用户可在手机、平板或PC发送命令，从而实现如竹节纱工艺参数收发、机器运行状态查看、控制机器启停等功能，同时作为服务于工厂实际生产的辅助控制系数，以保证生产数据安全及机器运行稳定。

图1 系统整体框架

2 数据采集与控制

2.1 数据分类

在竹节纱生产设备中，PLC内部存储的数据可分为六类参数，包括生产状态监控参数、参数设置、运转产量管理参数、机台性能监测参数、系统调试参数及报警信息参数。每个分类下面又分多个参数，每个参数在PLC内部都有一个唯一的地址，可通过读取该地址寄存器的值来获取对应参数的当前值，表1为主要参数分类及其详细参数举例。

2.2 Modbus通信协议

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PC设备按照对应的通讯格式编写数据即可实现与PLC的相互通信，该协议分为Modbus-RTU模式与Modbus-ASCII模式，本系统采用Modbus-RTU模式实现与PC端与PLC的交互，在.Net环境中按照对应的信息格式编写Modbus通信协议，利用串口进行数据的传递。

表2为读取前罗拉转速时Modbus通讯信息，其中前罗拉的转速值的存储地址为HD500在PLC内部的Modbus地址为A274H，此时读出的为0200H，即表示前罗拉转速为512r/min。按照此种方法，参考用户手册给出的Modbus地址即可获取PLC内部全部数据。

2.3 采集与控制实现

竹节纱设备的生产数据大部分存储在PLC内部数据寄存器（D、HD）及辅助继电器（M、HM）中，其中数据寄存器中主要存储各项生产参数及机器运行参数，辅助继电器由PLC内部软元件的触点驱动，存储生产过程中机器的运行状态，纱线种类等，只有打开与关闭两种状态[6]。无论寄存器还是继电器都可通过Modbus通信协议读取及修改PLC内部对应地址的数据，表3为该系统生产监控模块主要参数地址及Modbus地址，此外还有其他多个模块的参数地址，因篇幅限制，不在此列出。

2.4 用户终端与本地应用交互实现

系统本地应用程序及用户终端的Web页面分别利用.NET下的WinForm与WebForm技术进行开发，在一般情况下Web界面是无法直接向WinForm应用程序发送消息，本系统利用Web Service实现远程终端利用本地应用程序中的MSComm控件读取PLC内部数据，并将数据返回到Web界面，从而实现用户终端与本地应用的交互，进而使终端用户通过点击Web界面即可直接获取到PLC内部数据，无需经过数据库，减少了用户访问延迟，十分适合与读取一些不需要存储到数据库，而又必须要监控的数据，如罗拉转速，当前纺纱长度等数据。图2为Web Service服务在终端与本地程序中的作用。

表3 生产监控模块参数地址

图2 Web Service服务作用图

3 用户终端设计

3.1 微信公众平台与服务器

微信公众平台与服务器之间的交互流程可简单概括为：用户发送消息或单击公众号自定义菜单，服务器收到用户请求，微信服务器根据业务逻辑回复给用户对应的消息，如视频、文本、语音、地理位置等。这种工作流程与HTTP协议类似，即客户端发送HTTP请求到服务器，如图3所示，服务器端发送对应HTTP响应用户请求[7,8]。本系统需要根据官方提供的接口来定制自己的公众平台，因此在开发过程中其交互方式略有不同，如图4所示，当用户在微信里给公众号发送消息或者单击微信自定义菜单时，微信手机客户端将这条消息发送到微信服务器。其次，微信服务器收到用户的请求后，根据具体的业务逻辑再将消息推送给开发者设置的服务器地址（URL），这个服务器地址对于微信服务器来说就是一个服务器，微信服务器此时充当的是客户端的角色[9]。开发者的服务器收到微信服务器推送过来的请求后，根据微信提供的规则解析出用户发送的消息内容，然后再根据具体的业务逻辑将响应的内容回复给微信服务器，微信服务器再返回给用户。

图3 http协议收发原理

图4 本系统信息收发原理

3.2 用户权限管理

一般微信公众平台其服务器对于用户是透明的，关注此公众号的用户可以获得微信后台的全部数据[10]。但是作为服务于工厂实际生产的系统，必须保证生产数据的安全性，并且针对不同的关注用户需要具有不同的权限，因此需要针对不同的用户进行分类。本分类方式基于微信公众平台后台的用户数据，每个关注公众号的用户在后台都具有一个唯一的ID，将这个ID进行分类后分别存储在不同的数据表中，系统根据对应数据表中的ID赋予用户不同的权限，从而保证了数据安全性，如图5所示。

图5 用户权限关系图

4 系统调试

4.1 基本消息的收发

对于已经通过验证的新用户，公众号后台会自动识别用户ID并回复对应的信息，图6为最高权限管理员所具有的权限及用户回复1后得到的生产数据。新用户通过回复对应的字段即可查看对应的数据，如用户回复1即可查看当前设备的生产状态参数，回复6即可查看设备所有关键数据，图7为用户回复1后对应生产状态监控数据表中的数据，该公众号回复的数据为当前设备最新上传的数据。

图6 公众平台操作指南

4.2 生产设备在线控制与调试

根据公众号自动回复的操作指南来获取数据对于新授权的用户来说是个比较有效的解决办法，但是对于老用户或者是比较熟悉该公众平台的用户来说，根据提示来操作就显得有些繁琐，因此用户也可直接回复对应的命令来直接获取对应的数据。

4.3 生产设备调试与锭速修改

针对生产数据的分类不同，向用户采取不同的呈现形式，如生产设备的锭速这一数据采用曲线的方式呈现给用户，更加的简单明了，如图8所示，用户可直接在回复锭速曲线来获取当前生产设备的锭速曲线的图文消息，通过点击该图文消息，即可跳转到锭速曲线界面，也可在线修改锭速曲线。

4.4 竹节纱生产工艺参数查看与修改

图7 机器生产状态数据表

图8 锭速曲线

用户也可通过在微信端回复竹节纱生产参数来查看及修改当前设备竹节纱生产参数，用户通过点击对应的图文消息跳转到对应的竹节纱生产参数界面，如图9所示，用户点击确认按钮后新的竹节纱生产参数上传到本地数据库，然后本地应用程序读取数据库中的信息上传到PLC中继而实现生产参数的变化，图10为监测到的PLC内部数据的变化，可以看到与用户端修改数据是对应的，说明生产参数修改成功。

图9 竹节纱生产参数修改界面

5 结语

通过对微信公众平台的二次开发，将用户的移动终端与竹节纱生产设备相连，最终实现多用户远程实时监控竹节纱生产。由实验结果可知，用户利用该系统可实现对竹节纱生产状态的远程监控、参数设置，远程调试机器等功能并且一线工人，维修人员，管理人员根据职责分工不同可通过该系统获得相应的数据及管理权限，无关人员即使关注了该公众号也无法获得生产数据，保证了数据的安全性。

图10 PLC内部竹节纱生产参数变化对比图

采用此种物联网与微信公众平台相结合的开发模式，开发者无需开发其他APP即可实现将移动终端与实际生产设备相连，实现用户与机器的远程交互，提高了纺织机械的智能化程度，有利于提高纺织企业生产及管理效率，同时对纺织企业的智能化转型也具有一定的借鉴价值。