1 引言
并條是紡織過程中的重要工序。并條機自動控制系統(tǒng)主要是單機控制。舊機型多采用儀表加繼電器的控制結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,人為主觀因素大,成品率低,產(chǎn)品質(zhì)量差,系統(tǒng)運行和維護的成本高。即使現(xiàn)在一些先進的并條機采用了性能高的PLC控制，但仍然難以實現(xiàn)設備與外界之間的信息交換。這就使單機自動化系統(tǒng)成為典型的“信息孤島”，為了提高并條工藝的效益我們就必須利用先進的自動化技術(shù)和信息化技術(shù)進行車間的設備改造管理信息化改造。為此,我們采用Profibus-DP現(xiàn)場總線構(gòu)造并條機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡,使系統(tǒng)具有開放性高、布線安裝方便、運行和維護成本低的優(yōu)點,同時提高了系統(tǒng)的智能化和自動化程度,使整個系統(tǒng)的控制水平得到了大大的提高。
2 系統(tǒng)要求
某紡織集團有限公司要求在對其并條車間的34臺并條機技術(shù)改造，不僅增加了各機臺的自調(diào)勻整功能，而且實現(xiàn)車間的生產(chǎn)調(diào)度全集中監(jiān)控。中央控制室的主計算機上運行的監(jiān)控軟件可以顯示整個車間的生產(chǎn)工藝圖，動態(tài)顯示所有設備，儀表的狀態(tài)及參數(shù)等生產(chǎn)流程的監(jiān)控。對重要參數(shù)的進行趨勢圖跟蹤，系統(tǒng)報警等。通過該系統(tǒng)也可以進行現(xiàn)場的設備的控制及對有關(guān)的參數(shù)進行修改，從而實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程地集中調(diào)度。
3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
根據(jù)上述要求在選擇控制網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)時，著重研究了目前流行的DCS和FCS的優(yōu)、缺點，從實現(xiàn)的可能性、性能價格比、維護的方便程度、系統(tǒng)擴容性等眾多方面考查，最后選定FCS，以Profibus為基礎，用SIEMENS的S7-200系列PLC和WINCC組態(tài)軟件組成分布式監(jiān)控網(wǎng)絡。
3.1 Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)
Profibus是由SIEMENS公司推出的一種開放式現(xiàn)場總線標準，1989年成為德國標準DIN19245，1996年成為歐洲標準EN50170，1999年12月被接受為國際標準IEC61158的一部分[1]。用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡中的底層，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信與控制;使用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場受控設備對底層設備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠程診斷、故障報警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。
Profibus遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三層構(gòu)成:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。PROFIBUS提供了3種協(xié)議類型:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。另外，對于西門子PLC系統(tǒng)，PROFIBUS提供了兩種優(yōu)化了的通信方式:S7通信和S5兼容通信[2]。其中PROFIBUS-DP是一種高速、經(jīng)濟的設備級網(wǎng)絡，主要用于現(xiàn)場控制器與分散I/O之間的通信，使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層和用戶接口，用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站地輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。總線循環(huán)時間必須要比主站程序循環(huán)時間短。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場設備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數(shù)的確定。
3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
筆者設計的系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡采用Profibus-DP網(wǎng)絡單主站系統(tǒng),以配置了CP5613卡的工控機作為上位機實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控管理;以CP5613卡作為主站，決定總線的傳輸速率并分配每個從站網(wǎng)絡地址;以34個分布在各個工作現(xiàn)場S7-200PLC (CPU224)作為從站,負責現(xiàn)場的信息采集并向主站發(fā)送有關(guān)信號,以及具體執(zhí)行控制命令。S7-200PLC利用EM277 PROFIBUS－DP模塊的DP端口同CP5613卡通過屏蔽雙絞線相連,構(gòu)成整個PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。另外一個S7-200 PLC作為控制網(wǎng)絡中的一個節(jié)點(即DP從站)控制一臺并條機,它的運行狀態(tài)并不影響網(wǎng)絡及其它節(jié)點的運行。而且也用它自帶的RS-485接口與TP170相連，以完成對現(xiàn)場設備的控制。TP170與S7-200 PLC采用PPI通信方式，不參與PROFIBUS－DP總線網(wǎng)絡。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖
3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)控設計
本控制系統(tǒng)的S7 200PLC編程采用西門子公司的STEP7 MicroWIN4.0軟件包，上位機作為控制系統(tǒng)的人機交互接口，安裝有西門子公司的SIMATIC WINCC 6.0組態(tài)軟件，作為中央監(jiān)控計算機實現(xiàn)對本系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設定和報警顯示、記錄等，并能提供完整的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和各種分析圖表。STEP7 MicroWIN4.0軟件運行于bbbbbbS環(huán)境下，界面友好，編程方便，在線調(diào)試直觀。組態(tài)軟件WINCC通過CP5613卡和EM277通信模塊實現(xiàn)到S7-200PLC的 Profibus-DP連接。
(１) 組態(tài)軟件性能
WINCC軟件分項目、畫面、窗口和目標四級管理;項目數(shù)無限制，每個項目最多可有1000個畫面;每個畫面最多可包括:100個窗口，256個動態(tài)目標，256個可控目標，16個歷史操作圖，16個當前趨勢圖，16個報警窗口;支持標記、處方、面板、符號等監(jiān)控特性;支持9種報警類型;自定義軟件掃描周期，本系統(tǒng)設置最短為50ms。
(２) WINCC與S7-200之間的Profibus-DP連接
筆者設計得Profibus-DP通信是一主多從的通信方式，WINCC是上位機監(jiān)控軟件，使用WINCC的上位機只能作為主站，所以上位機只能是一臺。一般情況通過西門子公司提供的網(wǎng)絡集成CP5613卡，在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡方式下最多只能直接連接8個S7-200PLC，因為這時監(jiān)控軟件WINCC只能通過OPC通道與OPC Sever交換數(shù)據(jù)，而一個OPC Sever只能帶8個S7-200PLC。但監(jiān)控系統(tǒng)共有34套PLC，對于這個問題筆者的解決辦法是:通過標準的DP協(xié)議進行組建網(wǎng)絡，這時要在原來的配置基礎上再增加DP-5613 V6.2軟件，另外在PC站組態(tài)時選擇“Application”而不是“OPC Sever”。這樣通過下面的介紹的方法就可實現(xiàn)WINCC與S7-200PLC之間的連接。
(３) 把EM277的GSD文件(siem089.gsd)安裝到STEP 7-Micro/WIN中
在STEP 7中，點擊選項“Options”——“Install New GSD”安裝GSD文件。EM277安裝后，可以在硬件目錄“Profibus DP”——“Addition Field Devices”——“SIMATIC”可找到EM277。
(４) 配置網(wǎng)卡
在項目中插入一個PC STATION，在第一行插入APPLICATUION，在第四行插入CP5613(此處以CP5613作為DP主站)，并建立Profibus網(wǎng)絡，在網(wǎng)上添加EM277作為DP從站。過程如圖2所示，配置通信接口區(qū)為8字的輸入?yún)^(qū)，8字的輸出區(qū)，如圖3所示。雙擊圖2中EM277，配置EM277的地址偏移量為5000。
圖2 建立Profibus網(wǎng)絡
圖3 配置通信接口區(qū)
(５) 編譯存盤后，配置PC STATION
點擊“Start Station Configuration”進入組態(tài)畫面。點擊“Add”，添加“Application”。這里要說明的是如果添加的是“OPC Sever”監(jiān)控軟件就通過OPC通道與OPC Sever交換數(shù)據(jù)，而一個OPC Sever只能帶8個S7-200PLC。因此這一步非常重要。另外設置網(wǎng)卡模式與硬件組態(tài)一樣，也是在第四行添加網(wǎng)卡CP5613。
(６) PC站的下載
在控制面板中打開“Set PG/PC Interface”設置S7 ONLINE指向“PC Internal”，訪問CP_L2_1指向“CP5613(Profibus)”。然后通過點擊PC STATION的“STATION NAME”改變PC STATION的站名與在STEP7中組態(tài)的PC站名稱相同。將組態(tài)下載到PC STATION中，并確認狀態(tài)。
(７) 在STEP 7-Micro/WIN中設置DP從站的地址偏移量，如圖4所示。
圖4 DP從站地址偏移量設置
其中:VW 5000 -> QW0(Receiver buffer);
IW0 ->V5008 (Sender buffer)。
(８) WINCC側(cè)的組態(tài)。打開WINCC在“tag manage ment”中添加Profibus-DP協(xié)議，如圖5所示:
圖5 組態(tài)WINCC
(9) 在DP協(xié)議下，添加新的連接，設置連接DP從站地址。
(10) 配置系統(tǒng)參數(shù)。選擇CP5412(A2)board 1，在右鍵菜單中選擇“system bbbbbeters”設置系統(tǒng)參數(shù)，如圖6所示:
圖6 設置系統(tǒng)參數(shù)
(11) 添加變量Tag，連接輸入地址，如圖7所示:
圖7 添加變量Tag
這樣，就完成了WINCC與S7-224PLC之間的連接Profibus-DP連接。
3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)控實現(xiàn)
基于Profibus DP組成網(wǎng)絡，通過WINCC進行系統(tǒng)組態(tài)實現(xiàn)車間并條機的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，可以對生產(chǎn)過程中的棉條的喂入速度、輸出速度、自調(diào)勻整率和棉條的條干歷史趨勢圖進行顯示。并對主電機、伺服電機、換筒電機、風機，以及運行各種故障進行報警。由于監(jiān)視屏上的流程圖是根據(jù)生產(chǎn)流程而畫出的，可以使操作人員一目了然，給維護人員也帶來了方便。該監(jiān)控系統(tǒng)主要可實現(xiàn)以下功能:
(1) 遠程控制功能:通過在上位機上的簡操作，可以實現(xiàn)對每臺機的重要參數(shù)進行修改。
(2) 實時監(jiān)控:實時顯示車間各臺并條機運行狀態(tài)，同時能實時顯示生產(chǎn)產(chǎn)量狀況。
(3) 實時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析功能:上位機實時地進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)算法處理把結(jié)果顯示在監(jiān)控見面。尤其能實時顯示每臺并條機左右眼輸出棉條的條干分析趨勢圖。
(4) 報表生成功能:能自動生成事件報表和產(chǎn)量報表，方便用戶查看數(shù)據(jù)。
(5) 打印功能:能對每臺并條機輸出棉條的條干曲線、事件報表和產(chǎn)量報表等用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)和信息進行打印。
(6) 故障報警功能:能立即顯示并條機當前產(chǎn)生的故障，同時在事件報表中能查詢歷史故障信息。
(7) 緊急應急處理，如果有機臺發(fā)生嚴重危險故障時，且來不及到車間去處理，可以在監(jiān)控畫面操作急停按鈕停止系統(tǒng)工作以保證重要設備及人身安全。
本系統(tǒng)設計的部分監(jiān)控界面如圖8所示。
圖8 并條機網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)
4 結(jié)束語
總之，本系統(tǒng)用Profibus-DP網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)了分布式監(jiān)控系統(tǒng)，大大降低了現(xiàn)場信號連接的工作量和費用，提高了信號傳輸精度和靈活性，降低了系統(tǒng)成本，給安裝、調(diào)試和設備維護帶來了方便。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)、計算機技術(shù)和自動化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，相信基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場總線技術(shù)不僅會為本系統(tǒng)中生產(chǎn)效益的提高做出貢獻，更會為多工廠實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度全集中監(jiān)控和整個企業(yè)的全集成自動化帶來更廣闊的前景。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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