文/施寶酉，杜立峰，李利清·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

基于工控機(jī)的等溫鍛造監(jiān)控系統(tǒng)

文/施寶酉，杜立峰，李利清·天津市天鍛壓力機(jī)有限公司

施寶酉，工程師，主要從事液壓技術(shù)方面的電氣控制工作。

工控機(jī)是專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般具有振動(dòng)強(qiáng)烈，灰塵特別多，電磁場(chǎng)力干擾高等特點(diǎn)，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)，一年中沒有休息。因此，工控機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比必須具有以下特點(diǎn)：

⑴機(jī)箱采用鋼結(jié)構(gòu)，有較高的防磁、防塵、防沖擊能力。

⑵機(jī)箱內(nèi)有專用底板，底板上有PCI和ISA插槽，即工控機(jī)的可擴(kuò)展性比普通電腦要好得多。

⑶機(jī)箱內(nèi)有專用電源，電源有較強(qiáng)的抗干擾能力。

⑷具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作的能力。

本文針對(duì)大型壓機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、報(bào)警、打印、趨勢(shì)顯示等功能，通過(guò)以太網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了開放式集中監(jiān)控，并介紹了液壓機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

等溫鍛造液壓機(jī)具有占地面積大，控制監(jiān)視點(diǎn)分布分散的特點(diǎn)，因此需要使用分散式控制網(wǎng)絡(luò)。其中在該大型壓機(jī)系統(tǒng)中主要包括PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、RS485總線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。大型壓機(jī)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型液壓機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)

PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)大型壓機(jī)控制系統(tǒng)的需求，下位機(jī)采用西門子S7-400PLC和ET200S從站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，1#ET200S從站控制M1-M9主電機(jī)啟停；2#ET200S從站采集主油箱附近信號(hào)；3#ET200S從站采集操作室按鈕信號(hào)；4#ET200S從站控制地坑電磁閥動(dòng)作；5#ET200S從站控制液壓機(jī)上橫梁電磁閥動(dòng)作；6#從站為左前位移尺、7#從站為右前位移尺、8#從站為左后位移尺、9#從站為右后位移尺。

采用分布式PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)，將這些分布在不同位置的從站連接起來(lái)，減少了接線成本和節(jié)省了大量勞動(dòng)力，提高了通信速率，增強(qiáng)了監(jiān)控系統(tǒng)的開放性、兼容性。在工控機(jī)監(jiān)控界面增加了PROFIBUS-DP總線的診斷界面，方便了后期用戶的維護(hù)和故障排除。

RS-485總線網(wǎng)絡(luò)

等溫鍛造液壓機(jī)系統(tǒng)采用了200kW電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)均安裝了綜保保護(hù)電機(jī)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)視電機(jī)的運(yùn)行溫度，在每臺(tái)高壓電機(jī)上安裝了Pt100熱電阻，使用帶RS-485接口的二次溫度巡檢儀表顯示主泵電機(jī)的軸承溫度，并通過(guò)485總線傳輸?shù)焦た貦C(jī)上顯示。

采用RS-485方式通信時(shí)需要通過(guò)一個(gè)RS-232/485轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)PC與溫度巡檢儀表的通信，如果RS-232/485轉(zhuǎn)換器的485端為4線制，需要將發(fā)送A線與接收A線短接，發(fā)送B線與接收B線短接，將485通信方式轉(zhuǎn)為單工通信方式，以滿足溫度巡檢儀表的單工通信要求。該通信方式，相對(duì)于RS-232通信方式通信距離遠(yuǎn)，通信速率高，抗干擾性強(qiáng)；相對(duì)于PLC溫度檢測(cè)模塊價(jià)格低廉，并且可以實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與多臺(tái)溫度巡檢儀表之間的通信。因此在高壓電機(jī)溫度檢測(cè)中采用了RS-485總線的通信方式。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

在S7-400PLC中插入CP443-1以太網(wǎng)模塊，在工控機(jī)上插入CP1613以太網(wǎng)卡，可以通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)S7-400PLC基于以太網(wǎng)的通信。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用PROFIBUS總線連接，在控制網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)通信速率高、實(shí)時(shí)性好、開放性好，這樣便于與辦公網(wǎng)絡(luò)連接，為設(shè)備后期的擴(kuò)展或升級(jí)留出空間。

工控機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

根據(jù)等溫鍛造壓機(jī)控制需求(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與保存時(shí)間）以及WinCC運(yùn)行的配置要求，該監(jiān)控系統(tǒng)選取立式工控機(jī)，配置帶旋轉(zhuǎn)支架的顯示器，便于用戶操作。

西門子視窗控制中心SIMATIC WinCC（Windows Control Center）因?yàn)槠淞己玫拈_放性、靈活性和穩(wěn)定性，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到我國(guó)各個(gè)工控行業(yè)。該液壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC 6.0軟件并配合Step 7編程軟件，能實(shí)現(xiàn)兩者的無(wú)縫連接。WinCC提供了嵌入式的C語(yǔ)言編程，用戶可以通過(guò)編輯項(xiàng)目函數(shù)和行為實(shí)現(xiàn)特殊的功能和二次開發(fā)。工控機(jī)上主要包括用戶管理界面、壓機(jī)監(jiān)控界面、診斷界面、打印界面、綜合服務(wù)界面、數(shù)據(jù)記錄與趨勢(shì)分析界面等。

用戶管理界面

為了防止外來(lái)人員的操作，在WinCC內(nèi)設(shè)置了3個(gè)等級(jí)的操作權(quán)限，在組態(tài)過(guò)程中根據(jù)需要分別對(duì)不同界面設(shè)置了相應(yīng)的操作權(quán)限。在該界面內(nèi)具有高級(jí)權(quán)限的用戶可以直接修改用戶的密碼或增加、刪除用戶。在WinCC全局腳本內(nèi)通過(guò)編程，可以用記事本記錄每個(gè)操作人員的登錄與退出時(shí)間，以及詳細(xì)的操作記錄，如圖2所示，記錄用戶操作便于追源和分析用戶故障。

圖2 用戶操作記錄

壓機(jī)監(jiān)控界面

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控等溫鍛造液壓機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，在WinCC組態(tài)界面中采集液壓機(jī)的電磁閥動(dòng)作信號(hào)、滑塊的位置數(shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)添加在趨勢(shì)控件內(nèi)，以實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)進(jìn)行顯示，便于用戶直接比較和觀察這些數(shù)據(jù)。用戶可以在工控機(jī)上在線任意選擇和啟動(dòng)需要啟動(dòng)的電機(jī)，這樣可以大大節(jié)省操作臺(tái)的空間。

根據(jù)生產(chǎn)要求，操作員可以通過(guò)鍵盤或鼠標(biāo)直接在工控機(jī)上輸入數(shù)據(jù)，控制液壓機(jī)的運(yùn)行。在報(bào)警界面中用戶可以方便地觀察到大型液壓機(jī)的報(bào)警故障所在，因此可以提示操作員及時(shí)解決這些故障。

診斷界面

利用西門子軟件的集成功能，將WinCC組態(tài)軟件集成到Step 7編程軟件內(nèi)，在Step 7硬件組態(tài)界面內(nèi)生成PLC系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)告FB49、FC49、DB49、DB51，在WinCC中加入報(bào)警控件可以直接讀出PLC診斷緩沖區(qū)內(nèi)的錯(cuò)誤報(bào)告，便于監(jiān)控PLC的狀態(tài)。

該等溫鍛造液壓機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)從站分布范圍廣，為了便于用戶監(jiān)控和維護(hù)，在工控機(jī)界面增加了專門針對(duì)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的診斷界面，該界面用不同顏色表示126個(gè)從站的狀態(tài)，一旦PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，PLC就會(huì)輸出一個(gè)報(bào)警，用戶可以進(jìn)入總線診斷界面直接觀察到故障從站，便于用戶及時(shí)解決問題。

打印界面

WinCC組態(tài)軟件在報(bào)表設(shè)計(jì)上雖然比較單一，但是可以基本滿足大部分用戶的需求。但是由于其開放性和靈活性比較好，支持用戶的二次開發(fā)，因此用戶可以借助和利用第三方軟件──VB、Excel等實(shí)現(xiàn)報(bào)表的設(shè)計(jì)和打印。

在該液壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)用戶需求，WinCC將采集的滑塊左前側(cè)、左后側(cè)、右前側(cè)、右后側(cè)、偏差位置、壓力、速度以及電機(jī)溫度等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在工控機(jī)上，通過(guò)計(jì)算在數(shù)據(jù)歸檔存儲(chǔ)區(qū)域分配出足夠的存儲(chǔ)空間，并且至少要有20%的裕量。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，通過(guò)WinCC自帶的報(bào)表編輯器可以滿足用戶需求，因此并沒有使用第三方的軟件二次開發(fā)設(shè)計(jì)。通過(guò)WinCC報(bào)表編輯器為用戶設(shè)計(jì)了電機(jī)溫度報(bào)表、電機(jī)溫度趨勢(shì)報(bào)表、滑塊位置報(bào)表、滑塊速度報(bào)表、液壓油溫與高度報(bào)表等。在報(bào)表打印界面用戶可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的打印內(nèi)容，并選擇打印時(shí)間范圍，隨時(shí)查閱、打印數(shù)據(jù)和趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)打印選擇界面

綜合服務(wù)界面

在綜合服務(wù)界面內(nèi)，主要包括工控機(jī)的日期時(shí)間、PLC的日期時(shí)間、PLC的掃描周期、PLC的指示燈顯示、計(jì)算器工具、記事本工具等，這些常用的工具可以輔助用戶更好地監(jiān)控、控制液壓機(jī)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)記錄與趨勢(shì)分析界面

在PLC內(nèi)采用了位置和速度的雙閉環(huán)控制伺服閥驅(qū)動(dòng)滑塊下行，在滑塊額定偏載內(nèi)可以保證滑塊以設(shè)定速度下行，并且四角偏差小于0.5mm/m。

為了記錄等溫鍛造壓機(jī)的四角位移數(shù)據(jù)和速度，在等溫鍛造液壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)采用C語(yǔ)言編程，滑塊的四角位移數(shù)據(jù)和速度以日期命名保存為Excel文件，便于保存、調(diào)試和分析，圖4、5為滑塊斜坡給定速度在0.02～0.35mm/s之間，運(yùn)行時(shí)間為220.5s的速度曲線和調(diào)平偏差曲線。

圖4 0.02～0.35mm/s斜坡給定速度曲線

圖5 0.02～0.35mm/s斜坡給定速度的調(diào)平偏差曲線

結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了等溫鍛造液壓機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分及各個(gè)操作界面的使用方法。該系統(tǒng)具有可靠性高、通訊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，人機(jī)界面友好，便于用戶操作，可以很好地滿足用戶的需求。