倪佳俊 吳勝昔 向國(guó)海 顧幸生

(華東理工大學(xué)自動(dòng)化研究所1，上海 200237;上海慧時(shí)軟件有限公司2，上海 200233)

醋纖生產(chǎn)裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

倪佳俊1吳勝昔1向國(guó)海2顧幸生1

(華東理工大學(xué)自動(dòng)化研究所1，上海 200237;上?；蹠r(shí)軟件有限公司2，上海 200233)

醋酸纖維生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的電流、電壓、電能等電力參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量分析和生產(chǎn)安排都具有重要的指導(dǎo)意義，因此對(duì)電機(jī)電力參數(shù)的采集是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中至關(guān)重要的一部分。結(jié)合生產(chǎn)中對(duì)數(shù)據(jù)采集的具體要求，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn);采用S7-400讀取現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)儀表和變頻器的參數(shù)，并使用AnyBus網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)Modbus與Profibus協(xié)議轉(zhuǎn)換。基于該設(shè)計(jì)思想的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地運(yùn)用到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，并能帶來(lái)良好的生產(chǎn)效益。

醋酸纖維 電力參數(shù) 數(shù)據(jù)采集 硬件組態(tài) 通信

0 引言

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)改造和設(shè)備引進(jìn)，我國(guó)的煙草工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平基本達(dá)到國(guó)際水平。煙草工業(yè)企業(yè)在管理自動(dòng)化方面已經(jīng)初步建立了以企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(enterprise resouce planning，ERP)為核心的管理信息系統(tǒng)，ERP中雖有生產(chǎn)控制模塊，但由于得不到制造過(guò)程實(shí)時(shí)信息的支持，所以并不能幫助和指導(dǎo)工廠進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量分析和生產(chǎn)排產(chǎn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制設(shè)備與管理層之間的信息樞紐，建立和完善自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為煙草工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)的重點(diǎn)［1］。

在醋纖廠的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)獲取和存儲(chǔ)生產(chǎn)電機(jī)、變頻器等設(shè)備的電流、電壓等電力參數(shù)，并且需要記錄報(bào)警等狀況，以便更好地進(jìn)行控制操作［2］。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確及時(shí)也為后續(xù)的整理、分析和能耗統(tǒng)計(jì)提供了便利。因此，數(shù)據(jù)采集是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著生產(chǎn)能力的日益提高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式在精度、采集頻率以及數(shù)據(jù)查詢等多方面均已不能滿足現(xiàn)時(shí)生產(chǎn)的要求。

本文以開(kāi)發(fā)醋酸纖維生產(chǎn)能源管理系統(tǒng)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了醋纖廠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能和實(shí)現(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

某醋纖公司設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是進(jìn)一步開(kāi)發(fā)能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該采集系統(tǒng)除了要求具有基本的采集與記錄實(shí)時(shí)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的功能外，還應(yīng)具有圖形顯示、趨勢(shì)報(bào)警、報(bào)表及信息發(fā)布等其他功能。

1.1 數(shù)據(jù)采集及歸檔

①通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與PLC或數(shù)據(jù)采集器通信，并能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。

②支持每秒10 000點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集速率。

③基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，能夠以高速、高壓縮比對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段歸檔，并支持高速提取。

④支持在線更新的功能，提交修改的配置時(shí)不需要中斷數(shù)據(jù)采集服務(wù)。

1.2 圖形顯示

①顯示網(wǎng)絡(luò)、通道、設(shè)備的實(shí)時(shí)通信狀態(tài)。

②結(jié)合前端設(shè)備，顯示指定設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)(帶時(shí)標(biāo))，并能對(duì)曲線參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析;顯示系統(tǒng)中故障錄波設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)和圖形(帶時(shí)標(biāo));顯示與監(jiān)控系統(tǒng)相吻合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)圖、柜圖;顯示監(jiān)控對(duì)象的諧波含量和柱狀圖信息;實(shí)時(shí)、多畫(huà)面顯示監(jiān)控對(duì)象的其他各電氣參量。

③支持用戶對(duì)各類圖形顯示的添刪、修改、編輯。

1.3 趨勢(shì)報(bào)警

①支持實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)，結(jié)合前端設(shè)備，系統(tǒng)應(yīng)能真實(shí)有效采集、記錄和顯示的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔最小為1 s且不影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。支持用戶對(duì)曲線的自定義編輯，可以無(wú)級(jí)縮放和設(shè)置報(bào)警范圍。支持對(duì)曲線按自定義格式的打印或拷貝存儲(chǔ)。圖形中所缺數(shù)據(jù)可人工置入或添加附注［3］。

②支持測(cè)量值越限報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)異常報(bào)警、系統(tǒng)軟件及硬件出錯(cuò)報(bào)警。報(bào)警能手動(dòng)或自動(dòng)確認(rèn)。

③結(jié)合前端設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備、系統(tǒng)的時(shí)間順序記錄。

1.4 報(bào)表及信息發(fā)布

①具備用戶管理功能，根據(jù)不同的用戶權(quán)限，定義不同的信息訪問(wèn)內(nèi)容。

②各種檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)報(bào)表的形式進(jìn)行管理，分為各種設(shè)備管理報(bào)表、檢測(cè)數(shù)據(jù)日?qǐng)?bào)表、檢測(cè)數(shù)據(jù)月報(bào)表、檢測(cè)數(shù)據(jù)年報(bào)表以及綜合報(bào)表等各種形式的報(bào)表。

③支持報(bào)表按預(yù)定的時(shí)間和時(shí)間段自動(dòng)生成以及手動(dòng)生成;支持對(duì)故障事件、故障信息的報(bào)表輸出;支持對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及對(duì)報(bào)表數(shù)據(jù)的運(yùn)算功能;支持用戶對(duì)報(bào)表的自定義編輯、鏈接，支持對(duì)報(bào)表按自定義格式的打印，兼容用戶自定義的Excel報(bào)表的輸出功能，任意時(shí)段、任意設(shè)備［4］。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想Fig.1 The overall design concept of the system

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用于采集數(shù)據(jù)的設(shè)備有變頻器和網(wǎng)絡(luò)儀表等，通常這些設(shè)備都帶有支持Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)采集卡。而可編程控制器PLC支持Profibus，因此需要在采集卡和PLC之間增加一個(gè)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)。PLC通過(guò)以太網(wǎng)和PC機(jī)連接，在PC機(jī)上通過(guò)人機(jī)界面HMI實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。另外增加一個(gè)觸摸屏，可使工作人員在現(xiàn)場(chǎng)就能夠及時(shí)了解相關(guān)生產(chǎn)信息。

采用這種設(shè)計(jì)思路，可以利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到數(shù)據(jù)及時(shí)傳送的效果。整個(gè)系統(tǒng)硬件兼容性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作的要求。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)設(shè)備

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用羅克韋爾公司的PF700變頻器以及DIRIS公司的A40網(wǎng)絡(luò)儀表。其中PF700交流變頻器是羅克韋爾公司推出的一款簡(jiǎn)單易用且性能卓著的產(chǎn)品，通常可用來(lái)控制三相異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍從最簡(jiǎn)單的速度控制系統(tǒng)到要求最高的向量控制系統(tǒng)。DIRIS A40型網(wǎng)絡(luò)儀表是一種用于低壓或高壓電壓電量測(cè)量的多功能儀表。它可以通過(guò)面板設(shè)置和顯示所有參數(shù)，并且實(shí)現(xiàn)測(cè)量和計(jì)時(shí)功能。A40型網(wǎng)絡(luò)儀表測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、測(cè)量范圍廣、變比可任意設(shè)定，且具有通信功能，支持全數(shù)字校表，無(wú)可調(diào)電位器。

在醋纖生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，變頻器需要采集的數(shù)據(jù)有電流、電壓、頻率、功率、功率因素和故障代碼?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)儀表需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有三相電流、電壓、頻率、功率因素以及有功、無(wú)功、視在電能。

3.2 硬件及軟件

基于系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要的采集設(shè)備，采用如下硬件設(shè)備來(lái)采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換通信協(xié)議:Siemens S7-400可編程控制器;AnyBus AB7000網(wǎng)關(guān);Multi-plane 377，15英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏;Rockwell 20-comm-H數(shù)據(jù)采集卡。對(duì)應(yīng)使用到的上位機(jī)人機(jī)界面和相關(guān)配置軟件為:配置可編程控制器軟件Step7;配置網(wǎng)關(guān)軟件AnyBus Configure Tool;配置觸摸屏軟件WinCC Flexible2008;PLC仿真軟件PLC_Sim;Modbus仿真軟件Modbus_Simulator;HMI人機(jī)界面編程軟件Wonderware InTouch。

3.3 硬件組態(tài)

“組態(tài)”指的是在站窗口中對(duì)機(jī)架、模塊、分布式I/O(DP)機(jī)架以及接口子模塊等進(jìn)行排列。使用組態(tài)表表示機(jī)架，就像實(shí)際的機(jī)架一樣，可在其中插入特定數(shù)目的模塊［5］。

在組態(tài)表中，Step7自動(dòng)給每個(gè)模塊分配一個(gè)地址。如果站中的CPU可自由尋址(意思是可為模塊的每個(gè)通道自由分配一個(gè)地址，而與其插槽無(wú)關(guān))，那么可改變站中模塊的地址［6］。

將組態(tài)任意多次復(fù)制給其他Step7項(xiàng)目并進(jìn)行必要的修改，然后將其下載到一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有的設(shè)備中。當(dāng)可編程控制器啟動(dòng)時(shí)，CPU將比較Step7中創(chuàng)建的預(yù)置組態(tài)與設(shè)備的實(shí)際組態(tài)，從而可立即識(shí)別出它們之間的任何差異并報(bào)告。

利用Step7軟件進(jìn)行硬件組態(tài)，按照技術(shù)協(xié)議書(shū)上給出的硬件型號(hào)，在S7的hardware中進(jìn)行組態(tài)。將CPU作為DP主站、AnyBus作為 DP從站［7］。需要指出的是，AnyBus本身不在S7的硬件目錄內(nèi)，用戶需要在AnyBus公司網(wǎng)站上下載相關(guān)設(shè)備的GSD文件，然后導(dǎo)入到S7。根據(jù)本項(xiàng)目所采用的硬件設(shè)備完成組態(tài)，編譯保存。

3.4 通信

通信是本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的一部分，各設(shè)備間的通信通常都有各自的軟硬件與之對(duì)應(yīng)。以下著重介紹幾個(gè)設(shè)備之間的通信。

3.4.1 Step7和S7-400硬件通信

西門子Step7是用于Simatic S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程操作。

由于S7-400帶有以太網(wǎng)口，因此它可直接與裝有Step7的PC機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接。但如果是首次連接，則需要采用多點(diǎn)接口(multi-point interface，MPI)傳輸方式(“Set PG/PC Interface”應(yīng)選擇 MPI模式)。完成首次傳輸后，可改用Profibus模式。需要注意的是，CPU的IP地址應(yīng)該和工作站中的計(jì)算機(jī)IP地址在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。

3.4.2 Step7與WinCC Flexible通信

由于Step7與WinCC Flexible都是西門子公司的產(chǎn)品，因此具有很好的集成性。在WinCC Flexible“項(xiàng)目”選項(xiàng)下選擇“在Step7中集成”。集成之后，設(shè)定一個(gè)連接，通過(guò)選擇這個(gè)連接，就可直接在WinCC Flexible中利用在Step7中已定義好的符號(hào)，或直接利用Step7程序的符號(hào)地址在WinCC Flexible中建立變量。

3.4.3 WinCC Flexible與觸摸屏MP377通信

觸摸屏的種類有很多，因此在新建WinCC Flexible項(xiàng)目時(shí)應(yīng)選擇本項(xiàng)目中所采用的“MP377 15'Touch”。對(duì)于觸摸屏，應(yīng)先在屏幕上操作設(shè)置IP地址。

程序編譯無(wú)誤后，連接觸摸屏和工作站計(jì)算機(jī)，先測(cè)試兩者之間的網(wǎng)絡(luò)通信是否已建立。通信建立后選擇“項(xiàng)目”下的“傳送”，在跳出的新對(duì)話框中選擇“以太網(wǎng)”模式，并輸入已設(shè)置的IP地址，即可進(jìn)行傳送。

通常情況下，如果觸摸屏內(nèi)部已經(jīng)存在一個(gè)程序，則在再次下載時(shí)需重新上電。

3.4.4 Step7和InTouch通信

Step7與InTouch通信需要使用System management Console(SMC)軟件。在通信前，需要安裝Wonderware公司提供的“Device Intergration 2010 V2”集成包內(nèi)的西門子DAServer驅(qū)動(dòng)。

打開(kāi)SMC軟件，依次新建工程項(xiàng)目后點(diǎn)擊“New_S7Cp_000”，在右面的設(shè)置框“New_S7Cp_000 Parameter”中的“Network Address”欄輸入 S7-400的 IP地址，接著在“Remote Slot No”中填入 CPU地址，“Connection Resource”默認(rèn)選擇“2”。然后在“Device Groups”中新建新主題，例如主題名為“Step7”。完成新建后，必須保存，設(shè)置才能生效。

在InTouch程序中添加新的訪問(wèn)名，其中的“應(yīng)用程序名”為“DASSIDirect”，主題名即為上述設(shè)定的主題名“Step7”。在InTouch中添加標(biāo)記名時(shí)，只需在“訪問(wèn)名”中選擇“PLC1”，即完成Step7與InTouch的通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案充分利用了軟硬件在內(nèi)存容量、運(yùn)行周期、讀寫速率等方面的優(yōu)勢(shì)，具有讀取方便、更新及時(shí)、查錯(cuò)簡(jiǎn)便、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想現(xiàn)在已經(jīng)運(yùn)用在某醋酸纖維廠。一段時(shí)間的運(yùn)行表明該系統(tǒng)能夠?qū)⒐I(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表、變頻器的電力參數(shù)穩(wěn)定、快速、及時(shí)地采集到數(shù)據(jù)庫(kù)，并供上位機(jī)調(diào)取分析使用。系統(tǒng)不僅能夠輔助分析產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以合理安排生產(chǎn)、節(jié)能降耗，為工廠帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］接道良.煙草企業(yè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實(shí)踐［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27(3):53-55.

［2］陳睿，王歡，李炳法.煙草制造行業(yè)中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，27(6):414-416.

［3］王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.電測(cè)與儀表，2004，41(8):5-8.

［4］王琰.從馬鋼生產(chǎn)實(shí)踐看Wincc在生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表上的應(yīng)用［J］.冶金動(dòng)力，2008，6(1):91-95.

［5］崔健，李佳.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:34-41.

［6］黃崢，古鵬.基于S7系列PLC通訊方式與設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39(6):45-48.

［7］夏繼強(qiáng)，梁超眾，耿春明，等.Profibus-DP主站網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，37(8):36-39.

Design and Implementation of the Data Acquisition System for Acetate Fiber Production Plant

The electrical parameters of motor in the acetate fiber production site，e.g.，current，voltage，power energy，etc.，are significant to product quality analysis and production arrangement，so collecting the electrical parameters of the motor is one of the critical parts in production process.In combination with the specific requirement to the data acquisition，the acquisition system is analyzed，and designed as well as implemented on-site.The S7-400 is applied to read the parameters of field networking instruments and inverters，and the AnyBus gateway is used to implement the transformation between the Modbus and Profibus protocols.The data acquisition system based on this design concept can be stably applied into the production site，and bring good production benefit.

Acetate fiber Power parameters Data acquisition Hardware configuration Communication

TP274

A

上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):B504)。

修改稿收到日期:2012-08-31。

倪佳俊(1989-)，男，現(xiàn)為華東理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事設(shè)備監(jiān)控、系統(tǒng)工程方面的研究。