基于modbus协议的棉花加工测控系统设计

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1、基于Modbus协议的棉花加工测控系统设计　　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ModbusRTU协议、触摸屏与上位机之间采用ModbusTCP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

2、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.issn0439-8114.2016.11.0527　　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、

3、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

4、花加工产量与质量。　　1Modbus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S

5、lave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7　　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

6、系统组成框图如图1所示。2.2Modbus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℃），5MHz～35MHz

7、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ModbusRTU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R

8、S-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ModbusRTU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。7　　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