摘要：
為積極推進(jìn)企業(yè)管控一體化建設(shè)的進(jìn)程，運(yùn)用分布式的設(shè)計(jì)思想，采用SIEMENS公司的S7－300型PLC及其相應(yīng)的功能I/O模塊、基本型MicroMaster420變頻器、基于PC的SoftPLC的解決方案－WinAC為湖北大興橡膠廠研制一套分布式的橡膠硫化機(jī)組群控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、可擴(kuò)充性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的推廣和參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：
PLC WinAC 分布式控制 管控一體化
1、開(kāi)發(fā)背景與意義
在飛速發(fā)展的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與信息的今天，企業(yè)內(nèi)外部信息的交換已不再局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，它需要把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更為廣泛的綜合管理系統(tǒng)，管控一體化就是建立起企業(yè)這樣全集成的、開(kāi)放的、全廠綜合自動(dòng)化的信息平臺(tái)。湖北大興橡膠制品廠是一大型的橡膠制品廠，每年生產(chǎn)上萬(wàn)噸橡膠制品，由于生產(chǎn)工藝控制不善，原材料浪費(fèi)較大，一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)的增長(zhǎng)，為提高該廠管理水平和企業(yè)信息自動(dòng)化水平，助進(jìn)企業(yè)節(jié)能將耗，采用SIEMENS公司的S7－300型 PLC及其相應(yīng)的I/O功能模塊以及WinAC套件將生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)控制信息和設(shè)備的工藝運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備本身的健康指標(biāo)等信息無(wú)縫地連接到企業(yè)MIS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的管控一體化的改建。
2、分布式控制模式的系統(tǒng)構(gòu)建
只有基于Web的技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)管控一體化，管控一體化技術(shù)離不開(kāi)Internet、Intranet以及Infranet技術(shù)，如何將生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)控制信息、設(shè)備的工藝運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備本身的健康指標(biāo)等信息集成到企業(yè)管理信息中去，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。橡膠硫化機(jī)組群控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循“多功能、靈活性”的要求，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為三層：設(shè)備層、班組層以及車間MIS層。
要實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化，就必須有一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行、性能可靠、造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用低廉的通信系統(tǒng)，形成企業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)Infranet，以完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)字通信，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與管理層網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，測(cè)控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)已集中在遠(yuǎn)距離可靠數(shù)據(jù)通信方式的研究上，以往國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)通信方式：BITBUS和RS－485，其效率較低，靈活性差，尤其是錯(cuò)誤處理能力不強(qiáng)，遠(yuǎn)不能滿足長(zhǎng)距離、大范圍內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)通信的需要。而基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)已成為數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。FCS不需要一個(gè)中央控制單元來(lái)集中控制和操作，而是通過(guò)智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來(lái)完成控制和通信任務(wù)，可較好地解決實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)通信。PROFIBUS作為德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種開(kāi)放式通訊系統(tǒng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS是目前國(guó)際上唯一的具備較成熟的安全方案的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有非常靈活的模塊配置性能，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)12Mbps/100m，故本系統(tǒng)采用PROFIBUS系列中廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的PROFIBUS-DP總線。
橡膠硫化機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理方式，各個(gè)現(xiàn)地控制單元可以獨(dú)立按照硫化工藝控制參數(shù)與運(yùn)行、并將采集到的溫度、各種運(yùn)行狀態(tài)量以及電機(jī)的運(yùn)行健康狀態(tài)等信息通過(guò)PROFIBUS總線上傳到班組服務(wù)器，以備工作人員監(jiān)視，監(jiān)控操作人員可通過(guò)PROFIBUS將必要的控制參數(shù)下傳到各個(gè)現(xiàn)地控制單元，調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時(shí)，為備現(xiàn)地操作，每個(gè)現(xiàn)地監(jiān)控單元均有手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地和遠(yuǎn)控兩種操作，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為便于與整個(gè)橡膠加工廠的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化，班組服務(wù)器還通過(guò)Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機(jī)與廠MIS系統(tǒng)互聯(lián)。
橡膠硫化機(jī)組群控分布式結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1所示。由上位工控機(jī)和基于PROFIBUS的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)及其I/O功能模塊構(gòu)成典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線的主控模塊選用了SIEMENS的基于WindowsNT的軟PLC解決方案――WinAC。這樣系統(tǒng)上位機(jī)，既作為PLC的軟控制器,承擔(dān)遠(yuǎn)程控制功能，又作為監(jiān)控、管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)還可進(jìn)行新工藝組態(tài)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
圖1：橡膠硫化機(jī)組群控分布式結(jié)構(gòu)圖
Infranet層由以SIEMENS的S7－300系列PLC功能模塊為主的4個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元的輸入輸出模塊通道都設(shè)有冗余，便于功能擴(kuò)展和維護(hù)，同時(shí)具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作模式，便于脫離上位機(jī)獨(dú)立操作。上位機(jī)和各控制單元之間通過(guò)PROFIBUS DP總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一分布式的監(jiān)控系統(tǒng)，每個(gè)現(xiàn)地控制單元均可獨(dú)立于上位機(jī)運(yùn)行，將危險(xiǎn)分散，維護(hù)方便，提高可靠性，符合橡膠廠分布式控制和模塊化設(shè)計(jì)思想，且在工藝成熟后的生產(chǎn)擴(kuò)大化過(guò)程中,可直接套用本控制系統(tǒng)的軟硬件方案,縮短工業(yè)擴(kuò)大化周期,提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)地單元選用的控制模塊和作用見(jiàn)表1所示。班組服務(wù)器的SoftPLC采用SIMATIC WinAC。
表1 現(xiàn)地單元選用的控制模塊及其作用
為了使控制系統(tǒng)更加可靠，同時(shí)為了提高三相異步電機(jī)的執(zhí)行效率，采用了基本型MicroMaster420變頻器。該變頻器特別適合大力矩電機(jī)的拖動(dòng)，我們?cè)捎门_(tái)灣一家著名的變頻器生產(chǎn)公司的變頻器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)故障不斷，尤其是其保護(hù)能力較差，導(dǎo)致故障頻繁，后改用了MicroMaster420變頻器后，系統(tǒng)運(yùn)行一直比較穩(wěn)定。采用三相（380V）交流輸入，9.7kW；其獨(dú)特的自我保護(hù)能力如下：
· 過(guò)載能力為150％額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間60秒；
· 過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)；
· 變頻器過(guò)溫保護(hù)；
· 接地故障保護(hù)，短路保護(hù)；
· I2t電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)；
· 采用PTC通過(guò)數(shù)字端接入的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)；
· 采用PIN編號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)連鎖；
· 閉鎖電機(jī)保護(hù)，防止失速保護(hù)。
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的特性為：
· 所有S7－300現(xiàn)地控制單元與班組服務(wù)器的SoftPLC－WinAC采用Profibus－DP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)；
· 由于系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞過(guò)程數(shù)據(jù)，多種信息的交換僅依靠網(wǎng)纜或屏蔽雙絞線即可完成，這樣就大量減少了系統(tǒng)施工時(shí)的布線工作量，也為今后系統(tǒng)的維護(hù)及故障查找提供了方便。
· 過(guò)程參數(shù)的數(shù)字化傳遞，避免了模擬量傳輸所帶來(lái)的漂移、抗干擾等問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
· 若今后機(jī)組工藝、設(shè)備發(fā)生變更，只需要在總線上增添或摘除相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)軟件作少量修改即可。所以這種柔性的系統(tǒng)連接方式具有一定的適應(yīng)性，可以最大程度地保護(hù)用戶的投資。
3、基于WinAC和OPC的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖2：WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關(guān)系
為了實(shí)現(xiàn)WinAC的功能，在班組服務(wù)器上安裝一塊Profibus DP接口模塊CP5611，WinAC控制引擎通過(guò)Profibus DP接口模塊CP5611與分布式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)采集、分析控制、 PC與PLC之間的通信等任務(wù)。
3.1 SIMATIC WinAC
SIMATIC WinAC的功能不僅實(shí)現(xiàn)了在PC上實(shí)現(xiàn)PLC的功能，同時(shí)它將PLC與PC間實(shí)現(xiàn)完美的集成，將控制、數(shù)據(jù)采集、通訊、人機(jī)界面及其它技術(shù)完整地結(jié)合一起，集成于一臺(tái)PC 機(jī)上。SIMATIC WINAC與S7 系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC 編程工具，程序既可以用于WINAC 也可用于S7 系列處理器。僅從其兼容性和通用性而言，對(duì)熟知SIMATIC 技術(shù)的人來(lái)講，無(wú)需重新學(xué)習(xí)便能充分掌握并應(yīng)用。更何況其親切友好的操作界面，更使人倍感親切。另外基于PC 的自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)辦公系統(tǒng)可共享標(biāo)準(zhǔn)PC 技術(shù)、Windows NT 操作系統(tǒng)和TCP/IP 通訊標(biāo)準(zhǔn)，因而是控制系統(tǒng)與高端管理系統(tǒng)的理想接口。基于PC 的自動(dòng)化是復(fù)雜控制和在空間上分散的自動(dòng)化系統(tǒng)的最優(yōu)化系統(tǒng)。
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路與特點(diǎn)
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，控制功能采用軟PLC解決方案WinAC,均集中在班組服務(wù)器中進(jìn)行，完全由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制和管理，其特點(diǎn)如下:
· WinAC將控制、數(shù)據(jù)采集、通訊、人機(jī)界面及其它技術(shù)完整地集成在一臺(tái)PC機(jī)上,能滿足中試裝置硬件精煉、功能完善的要求 ；
· WinAC與SIMATICS7系列PLC控制器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具，編制的程序既可使用于WinAC，也可用于S7系列PLC控制器，有利于系統(tǒng)的更新和擴(kuò)充；
· WinAC提供了ActiveX控件，使得Windows下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序可更非常簡(jiǎn)便地獲取過(guò)程數(shù)據(jù)。更為重要的是：WinAC還提供了用于診斷、顯示及運(yùn)算的ActiveX控件；
· 系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件采用Microsoft公司的Visual C＋＋，而WinAC作為系統(tǒng)的OPC服務(wù)器，為基于WindowsNT的監(jiān)控軟件提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些功能極大地?cái)U(kuò)大了使用的靈活性，為系統(tǒng)的功能擴(kuò)展帶來(lái)了很大的空間。WinAC中的WinLC即為軟件PLC控制程序，在WinLC中參數(shù)設(shè)定好后，就可像使用常規(guī)PLC的CPU模塊一樣使用。WinAC的控制程序采用SIEMENS S7系列可編程序控制器的標(biāo)準(zhǔn)編程工具STEP7編制，然后下載到WinAC中。PLC程序設(shè)計(jì)中，結(jié)合STEP7的特點(diǎn)，利用其中的ＦＢ、ＦＣ，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，對(duì)常用的程序段用ＦＢ或ＦＣ實(shí)現(xiàn)，使程序清晰易懂，便于調(diào)試。由于STEP7不是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，在具體編程時(shí)借鑒面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，便可實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)和代碼的分開(kāi)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序的工作量。
3.3 WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關(guān)系
三者之間的關(guān)系見(jiàn)圖2所示。
圖3： OPC 數(shù)據(jù)層次圖
在整個(gè)系統(tǒng)中，PC與現(xiàn)場(chǎng)總線和分布式I/O的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計(jì)、提高了系統(tǒng)的通訊效率、降低了硬件和備件投資，易于調(diào)試和維護(hù)，同時(shí)充分利用PC 中CPU超強(qiáng)功能，WinAC控制器在數(shù)據(jù)處理、 用戶算法和多回路調(diào)節(jié)的控制任務(wù)中的特點(diǎn)，基于PC的一體化設(shè)計(jì)大大提高了控制器、人機(jī)界面和網(wǎng)絡(luò)部件的數(shù)據(jù)交換速度。同時(shí)，與傳統(tǒng)的PLC解決方案相比， SIMATIC基于PC的自動(dòng)化有明顯的性能價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
3.4 OPC服務(wù)器
WinAC內(nèi)嵌了實(shí)時(shí)OPC服務(wù)器，使用WinAC_OPC服務(wù)器，用戶的OPC客戶機(jī)應(yīng)用程序（如人機(jī)界面軟件、數(shù)據(jù)存取等）可以完全存取WinAC控制引擎中的數(shù)據(jù)，利于客戶與Visual C＋＋編程工具的無(wú)縫連接，主要是WinAC借助兵使用了Microsoft_DCOM（分布式組件）技術(shù)，這正是WinAC獨(dú)特之處，為客戶編程提供了極大的方便。OPC是OLE for Process Control的縮寫(xiě)，即把OLE應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。OPC服務(wù)器由三類對(duì)象組成，相當(dāng)于三種層次上的接口：服務(wù)器（Server）、組（Group）和數(shù)據(jù)項(xiàng)（Item）。OPC客戶對(duì)設(shè)備寄存器的操作都是通過(guò)其數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)完成的，通過(guò)定義數(shù)據(jù)項(xiàng)，OPC規(guī)范盡可能的隱藏了設(shè)備的特殊信息，也使OPC服務(wù)器的通用性大大增強(qiáng)。OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)并不提供對(duì)外接口，客戶不能直接對(duì)之進(jìn)行操作，所有操作都是通過(guò)組對(duì)象進(jìn)行的。
應(yīng)用程序作為OPC接口中的Client方，硬件驅(qū)動(dòng)程序作為OPC接口中的Server方。每一個(gè)OPC Client應(yīng)用程序都可以接若干個(gè)OPC Server，每一個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)程序可以為若干個(gè)應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)。OPC Server、 OPC Group、OPC Item層次之間的接口關(guān)系如圖3所示：
作為OPC客戶程序，它可以從其他OPC服務(wù)器程序中訪問(wèn)數(shù)據(jù)。與DDE類似，當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為客戶端訪問(wèn)OPC服務(wù)器程序時(shí)，是將OPC服務(wù)器程序當(dāng)作一個(gè)I/O設(shè)備。數(shù)據(jù)庫(kù)中的點(diǎn)參數(shù)通過(guò)I/O數(shù)據(jù)連接與OPC服務(wù)器程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
利用WinAC的OPC技術(shù)，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要實(shí)現(xiàn)：
· 記錄實(shí)時(shí)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)，用于過(guò)程存檔、歷史數(shù)據(jù)查詢、事故分析、系統(tǒng)建模等。
· 連接各種現(xiàn)場(chǎng)的自控設(shè)備，配以監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控。
· 通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)通訊功能構(gòu)建分布式應(yīng)用系統(tǒng)，
· 運(yùn)行在控制系統(tǒng)的上位機(jī)中，在數(shù)據(jù)庫(kù)上運(yùn)行先進(jìn)控制軟件、優(yōu)化控制軟件和其它用戶應(yīng)用程序，在客戶機(jī)上運(yùn)行各種界面監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的先進(jìn)控制或優(yōu)化控制的目標(biāo)。
· 連接現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)、分廠級(jí)及總廠級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)綜合利用和管理。
· 配合關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，構(gòu)建生產(chǎn)指揮調(diào)度系統(tǒng)及其它管控一體化系統(tǒng)。
· 通過(guò)數(shù)據(jù)的Web功能，利用Internet/Intranet資源，在瀏覽器上訪問(wèn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)。
· 完全的開(kāi)放功能，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)。
實(shí)際上，OPC服務(wù)器本身就是一個(gè)可執(zhí)行程序，該程序以設(shè)定的速率不斷地同物理設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。OPC客戶和OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互采用異步方式。主要是當(dāng)有大量客戶和大量數(shù)據(jù)交互時(shí)，異步方式能提供高效的性能，盡量避免阻塞客戶數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并最大可能地節(jié)省CPU和網(wǎng)絡(luò)資源。
4、結(jié)束語(yǔ)
本控制系統(tǒng)采用PLC、Profibus－DP和軟PLC等技術(shù)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)輸、安裝,適應(yīng)性強(qiáng)。WinAC 是基于PC 的自動(dòng)化的完美解決方案。SIMATIC WinAC 技術(shù)滿足了快速實(shí)時(shí)的要求；簡(jiǎn)化了通訊接口，降低了編程工作量；并且可以在線調(diào)試，使編程調(diào)試簡(jiǎn)單方便，大大加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度；同時(shí)降低了成本，節(jié)省了安裝空間。SIMENS公司不僅為企業(yè)的管控一體化提供了堅(jiān)實(shí)可靠的硬件平臺(tái)，更為重要的是，她為企業(yè)實(shí)現(xiàn)B to B的電子商務(wù)方式，使企業(yè)能及時(shí)組織生產(chǎn)、降低庫(kù)存、回避風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)Just-In-Time管理模式提供了更為全面的、完整的系統(tǒng)解決方案，這是其他工控產(chǎn)品廠家所不及的。
作者簡(jiǎn)介：博士/高工，主要從事生產(chǎn)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制、現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用等方面的研究工作。
工作單位：湖北武漢：華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院
單位地址：湖北武漢武昌珞瑜路1037號(hào)。
郵編：430074
Mobile：13871377873
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附：現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)照片
