葛鎖良,林高峰

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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腈綸紡絲生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葛鎖良,林高峰

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章針對(duì)腈綸紡絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的控制要求,基于MPI和PROFIBUS-DP通訊協(xié)議構(gòu)建了3層的腈綸紡絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò),介紹了通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理及其組態(tài),分析了分層結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性和實(shí)用價(jià)值;采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng),介紹了集成式組態(tài)的步驟以及各監(jiān)控畫面的具體組態(tài)過程?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

腈綸紡絲;工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò);PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò);WinCC軟件;PLC設(shè)備

0 引 言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是繼基地式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)DDC、集散控制系統(tǒng)DCS之后的新一代控制系統(tǒng),它代表著工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向[1]。目前,現(xiàn)場(chǎng)總線還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),市場(chǎng)上多種標(biāo)準(zhǔn)并存。文獻(xiàn)[2]介紹了基于MODBUS總線的主從控制系統(tǒng),可廣泛應(yīng)用于小型工業(yè)設(shè)備控制;文獻(xiàn)[3]研究了基于CAN總線的單軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)方法,為工業(yè)機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了參考;文獻(xiàn)[4]介紹了CC-Link總線在長(zhǎng)治H型鋼自動(dòng)化系統(tǒng)上的成功應(yīng)用;文獻(xiàn)[5]介紹了西班牙在馬拉加建造的一個(gè)實(shí)現(xiàn)溫室氣候控制的自動(dòng)化系統(tǒng),該系統(tǒng)用PROFIBUS總線組建,具有良好的穩(wěn)定性和可靠性;文獻(xiàn)[6]介紹了一款波蘭格丹斯克大學(xué)研究的針對(duì)輪式拖拉機(jī)的燃油消耗診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)通過DeviceNet總線完成數(shù)據(jù)采集工作,可以有效地診斷出有毒物質(zhì)排放和燃料消耗。本文設(shè)計(jì)的腈綸紡絲生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)基于多層PROFIBUS網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,能有效解決多生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題,實(shí)際生產(chǎn)過程中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí),在該通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上介紹了基于WinCC組態(tài)軟件的監(jiān)控系統(tǒng),可視化、集成式的組態(tài)過程大大提高了開發(fā)效率,減少了組態(tài)錯(cuò)誤的發(fā)生。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

腈綸紡絲生產(chǎn)線共有6條生產(chǎn)線和1條備用線。6條生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝相同,都有17個(gè)工位,并由17臺(tái)變頻器進(jìn)行控制。為保證6條生產(chǎn)線的可靠運(yùn)行,由備用線提供17臺(tái)備用變頻器,采用“六用一備”的原則進(jìn)行備用,即6條生產(chǎn)線同一工位的6臺(tái)變頻器共享一臺(tái)備用變頻器。腈綸紡絲生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝流程如圖1所示,圖1中,F1～F15為前紡各個(gè)工位,F16～F20為后紡各個(gè)工位,前紡和后紡互相獨(dú)立。

圖1 腈綸紡絲生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝流程

1.1 通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與組成

腈綸紡絲生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,圖2中,1#～7#PLC為PLC控制站,PG/PC為工控機(jī);TDS-PA01為總線適配器;IM153-1(ET200M)為分布式I/O站;INV為變頻器。

圖2 腈綸紡絲生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)

該控制網(wǎng)絡(luò)分3層,第1層為監(jiān)控級(jí),第2層、第3層為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)硬件組態(tài)及程序的下載和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的上傳,對(duì)通信速率要求不高且通信數(shù)據(jù)量相對(duì)不大,所以采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的MPI網(wǎng)絡(luò)。而現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)要求PLC和現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)數(shù)據(jù)交換,同時(shí)為了保證系統(tǒng)良好的可拓展性,更要求網(wǎng)絡(luò)服從國(guó)際化、開放式、不依賴生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),故采用高速經(jīng)濟(jì)的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。其中,MPI網(wǎng)絡(luò)以7#PLC和PG/PC為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò)以7#PLC為主站,17臺(tái)備用變頻器和6條生產(chǎn)線的PLC控制站為從站;每條生產(chǎn)線的PLC控制站通過自己的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)分別控制17臺(tái)變頻器和4個(gè)分布式I/O站。

1.2 通訊網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)

腈綸紡絲生產(chǎn)線控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)采用西門子公司STEP7軟件編程,組態(tài)步驟如下:

(1) 打開STEP7軟件,新建STEP 7項(xiàng)目,在Options菜單下選擇Configure Network,打開“NetPro”窗口?？梢钥吹酱翱谥幸呀?jīng)有1條MPI網(wǎng)絡(luò),于是再添加7條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò),分別命名為PROFIBUS(1#)～PROFIBUS(7#),網(wǎng)絡(luò)傳輸率全部設(shè)為187.5 kb/s。

(2) 在“NeiPro”窗口添加1個(gè)PG/PC并設(shè)置其參數(shù)。設(shè)置步驟如下:雙擊PG/PC,選擇“Interfaces”,然后單擊“New…”,選擇MPI類型,單擊“OK”,緊接著設(shè)定新建MPI接口的參數(shù),主要是選擇MPI網(wǎng)絡(luò),地址默認(rèn),最后單擊“OK”。此時(shí)可以看到PG/PC連到MPI網(wǎng)絡(luò)。

(3) 在“NeiPro”窗口添加6個(gè)SIMATIC 300,分別以1#～6#PLC命名,然后分別對(duì)1#～6#PLC進(jìn)行硬件組態(tài)。下面以1#PLC的硬件組態(tài)為例。

硬件組態(tài)的基本步驟如下:添加機(jī)架,然后根據(jù)需要在機(jī)架上依次添加電源、CPU和I/O模塊[7]。

本文主要介紹CPU通訊接口的設(shè)置，添加CPU317-2到機(jī)架的2號(hào)槽,可以看到其有MPI/DP和DP 2個(gè)通訊接口,然后分別對(duì)2個(gè)通訊接口進(jìn)行設(shè)置。

MPI/DP接口的設(shè)置:雙擊MPI/DP,在“General”中設(shè)定接口類型為PROFIBUS,選擇PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò),設(shè)定地址;在“Operating Mode”中選擇DP slave,最后單擊“OK”。

DP接口的設(shè)置:雙擊DP,在“General”中設(shè)定接口類型為PROFIBUS,選擇PROFIBUS(1#)網(wǎng)絡(luò),設(shè)定地址,可以看到“Operating Mode”中默認(rèn)選DP master,單擊“OK”即可。

此時(shí)可以看到DP接口連著PROFIBUS(1#)網(wǎng)絡(luò),接著要為PROFIBUS(1#)網(wǎng)絡(luò)添加 4個(gè)IM153-1和17個(gè)TDS-PA01作為從站并設(shè)定地址。IM153-1根據(jù)需要添加I/O模塊,而17個(gè)TDS-PA01要根據(jù)變頻器機(jī)型添加PPO類型并設(shè)定通訊地址。最后保存硬件組態(tài)。

(4) 在“NeiPro”窗口再添加1個(gè)SIMATIC 300并命名為7#PLC,同樣進(jìn)行硬件組態(tài)。7#PLC組態(tài)方法和1#PLC基本類似,區(qū)別主要在于其CPU的MPI/DP接口選擇MPI網(wǎng)絡(luò),DP接口選擇PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò),而且PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò)添加的從站不同。PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò)添加17個(gè)TDS-PA01和1#～6#PLC作為從站。

下面以1#PLC為例介紹PLC從站的添加與設(shè)置:先選中PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò),在庫(kù)里查找CPU 31x,雙擊CPU 31x,出現(xiàn)的界面如圖3所示,在“Coupling”中選擇作為PROFIBUS(7#)網(wǎng)絡(luò)從站的1#PLC,單擊“Couple”,此時(shí)可以在“Configuration”中定義主從站的通訊地址,配置結(jié)果如圖4所示。

如果不“Couple”,主從站就不能建立通訊,最后保存硬件組態(tài)。

(5) 最后在“NeiPro”窗口中單擊“Save and Compile”快捷按鈕,如編譯無錯(cuò),通訊網(wǎng)絡(luò)便組態(tài)完成。

圖3 主從站建立通訊

圖4 主從站通訊地址

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為全面掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài),本監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)6條生產(chǎn)線分別設(shè)計(jì)了流程圖畫面、狀態(tài)欄畫面、趨勢(shì)畫面、頻率歸檔畫面、起停歸檔畫面和報(bào)警畫面,不同畫面之間可以相互切換。

2.1 集成式組態(tài)

WinCC(Windows Control Center)為視窗控制中心[8],它是由西門子公司開發(fā)的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件,擁有豐富的圖形庫(kù)、工具箱和操作向?qū)АＳ捎诓捎每梢暬慕M態(tài)方式,從而減少了軟件設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)性工作,提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期。而為了減少組態(tài)任務(wù)和減少組態(tài)錯(cuò)誤的發(fā)生,本項(xiàng)目采用集成式組態(tài)方式,即在Step7項(xiàng)目中組態(tài)管理WinCC工程。集成式組態(tài)的步驟如下:

(1) 打開做好的Step 7項(xiàng)目,項(xiàng)目名稱右鍵菜單下選擇“Insert New ObjectOS”,此時(shí)Step 7項(xiàng)目里會(huì)建立一個(gè)OS站,OS站右鍵菜單下選擇“Open Object”即可組態(tài)WinCC項(xiàng)目。

(2) 組態(tài)WinCC項(xiàng)目前,在7#PLC中為符號(hào)表變量和DB塊變量打上“傳輸標(biāo)志”。

符號(hào)表變量:選中需要傳輸?shù)淖兞?在右鍵菜單中選擇“Special Object Properties/Operetor Control and Monitoring”,然后選中“Operetor Control and Monitoring”復(fù)選框,最后單擊“OK”,可以看到該變量被打上綠旗。

DB塊變量:選中變量所在的DB塊,在右鍵菜單中選擇“Special Object Properties/Operetor Control and Monitoring”,然后選中“Operetor Control and Monitoring”復(fù)選框,最后單擊“Save”,完成DB塊的設(shè)置。接下來進(jìn)到DB塊中進(jìn)行變量的設(shè)置,先選中DB塊變量,在右鍵菜單中選擇“Object Properties”, DB塊變量參數(shù)設(shè)置如圖5所示,最后單擊“OK”,可以看到該變量被打上紅旗。

(3) 在OS站右鍵菜單下單擊“Compile”,按照提示完成編譯,編譯成功后,打上“傳輸標(biāo)志”的變量便在WinCC管理界面的“變量管理”中自動(dòng)生成。

例如，在講解“體液免疫過程”過程中，教師可以讓學(xué)生找出“體液免疫”中的一些下位概念，然后讓學(xué)生說出這些下位概念之間的關(guān)系，讓學(xué)生自己建構(gòu)并逐步完善概念圖。

(4) 組態(tài)WinCC畫面。

圖5 DB塊變量參數(shù)設(shè)置

2.2 組態(tài)流程圖畫面

組態(tài)流程圖畫面截圖如圖6所示。

圖6 組態(tài)流程圖畫面截圖

圖6中,棍子和線以動(dòng)畫模擬生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程,直觀地反映生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況。

該畫面主要用狀態(tài)顯示這一智能對(duì)象來實(shí)現(xiàn),每個(gè)棍子和每根線分別對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)顯示對(duì)象。狀態(tài)顯示對(duì)象的組態(tài)步驟如下:首先用畫圖軟件繪制素材,保存在項(xiàng)目目錄下,然后定義控制輥?zhàn)雍途€狀態(tài)變化的內(nèi)部變量,再編寫腳本程序控制輥?zhàn)雍途€的狀態(tài),最后在畫面上添加狀態(tài)顯示對(duì)象,打開對(duì)象的動(dòng)態(tài)對(duì)話框設(shè)置內(nèi)部變量為不同值時(shí)對(duì)應(yīng)的動(dòng)畫素材,最后保存設(shè)置。下面以F1棍子為例介紹腳本程序的編寫:

#include “apdefab.h”

Int gscAction(void)

{inti,j;

j=GetTagBit(“S7＄Program(7)/PLC-COM1.L1F1-running”);

if(j==1)

{i=GetTagByte(“run1-1”);

i=i+1;

if(i>11)i=0;

SetTagByte(“run1-1”,i);

}else

SetTagByte(“run1-1”,GetTagByte(“run1-1”));

return 0;

}

程序中,S7＄Program(7)/PLC-COM1.L1F1-running為F1棍子運(yùn)行狀態(tài)變量(由7#PLC上傳),run1-1為控制F1棍子動(dòng)畫素材切換的內(nèi)部變量。程序的基本思想如下:首先判斷F1當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),如果運(yùn)行狀態(tài)無效,則run1-1不變(即保持顯示當(dāng)前動(dòng)畫素材),否則run1-1加1(即顯示下一個(gè)動(dòng)畫素材),循環(huán)顯示12個(gè)素材。線的腳本程序和棍子類似,只是線的動(dòng)態(tài)顯示會(huì)受制于前面若干工位的運(yùn)行狀態(tài)。以F1和F2的線為例,F1的線是否動(dòng)態(tài)顯示完全取決于F1的運(yùn)行狀態(tài),而F2的線不僅取決于自身的運(yùn)行狀態(tài),還取決于F1的運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 組態(tài)過程值歸檔畫面

趨勢(shì)畫面、頻率歸檔畫面和起停歸檔畫面都屬于過程值歸檔畫面。在WinCC中,通過過程值歸檔將其歸檔值存儲(chǔ)在歸檔數(shù)據(jù)庫(kù)中,可以使用歸檔數(shù)據(jù)表格和趨勢(shì)曲線視圖控件把歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示出來[8]。組態(tài)過程值歸檔畫面需要3個(gè)步驟:定義歸檔、添加歸檔數(shù)據(jù)顯示控件和啟動(dòng)變量記錄系統(tǒng)。

(1) 定義歸檔。打開變量WinCC管理界面的“變量記錄”,打開定義歸檔界面。定義歸檔一般分為如下5個(gè)步驟:定義定時(shí)器、定義歸檔名稱、定義歸檔變量、定義歸檔屬性、定義變量屬性。組態(tài)趨勢(shì)畫面和頻率歸檔畫面需預(yù)先定義頻率歸檔變量,而起停歸檔畫面預(yù)先定義起停歸檔變量。

(2) 添加歸檔數(shù)據(jù)顯示控件。在趨勢(shì)畫面組態(tài)界面,在右邊的“對(duì)象選項(xiàng)板”條目中找到“WinCC OnlineTrendControl”,單擊放置在畫面上并拖拽到合適大小,雙擊控件,打開控件屬性界面,定義窗口名稱,再定義讀取歸檔的變量,多個(gè)變量可單擊“+”添加。而在頻率歸檔和起停歸檔畫面,添加的是“WinCC OnlineTableControl”,控件設(shè)置步驟相同。

(3) 啟動(dòng)變量記錄系統(tǒng)。右鍵單擊WinCC管理界面的“計(jì)算機(jī)”,單擊下拉菜單中的屬性打開計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置界面,打開“啟動(dòng)”頁(yè)復(fù)選“變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)”。

2.4 組態(tài)報(bào)警畫面

組態(tài)WinCC的報(bào)警就是通過組態(tài)觸發(fā)消息事件促發(fā)報(bào)警,促發(fā)事件可以是一個(gè)位也可以是一個(gè)限制值,分別為開關(guān)量報(bào)警和模擬量報(bào)警。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí),可以以畫面、聲音等形式通知。本文設(shè)計(jì)的報(bào)警畫面主要針對(duì)故障信號(hào),也就是開關(guān)量報(bào)警。組態(tài)報(bào)警畫面分定義報(bào)警、添加報(bào)警顯示控件、啟動(dòng)報(bào)警記錄系統(tǒng)3個(gè)步驟。

(1) 定義報(bào)警。打開WinCC管理界面的“報(bào)警記錄”,在消息塊和消息類別中設(shè)置報(bào)警共同屬性,然后單擊“文件”菜單下“選擇向?qū)А?選擇“系統(tǒng)向?qū)А边M(jìn)入系統(tǒng)向?qū)Ы缑?完成向?qū)Ш?單擊指定報(bào)警記錄界面下方表格的某行,定義單個(gè)消息屬性。

(2) 添加報(bào)警顯示控件。在報(bào)警畫面組態(tài)界面,在右邊的“對(duì)象選項(xiàng)板”條目中找到“WinCC OnlineTrendControl”并添加到畫面中,雙擊控件可在報(bào)警控件屬性界面設(shè)置需要顯示的項(xiàng)。

(3) 啟動(dòng)報(bào)警記錄系統(tǒng)。右鍵單擊WinCC管理界面的“計(jì)算機(jī)”,單擊下拉菜單中的屬性打開計(jì)算機(jī)屬性設(shè)置界面,打開“啟動(dòng)”頁(yè)復(fù)選“報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)”。

2.5 運(yùn)行結(jié)果

1號(hào)生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行時(shí)F1～F5各工位變頻器頻率的趨勢(shì)如圖7所示。從圖7中可以看出,高低速切換時(shí)F1～F5各工位頻率等比例變化;其中一工位故障時(shí)快速停機(jī),故障復(fù)位后又能快速跟蹤;達(dá)到指定速度時(shí)各工位平穩(wěn)運(yùn)行。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的腈綸紡絲生產(chǎn)線通訊網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子系列產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì),開發(fā)效率高,具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性,對(duì)于多生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的構(gòu)建有參考意義。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,基于該通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,能夠協(xié)調(diào)、高精度地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)工位變頻器的控制,并能夠可靠實(shí)現(xiàn)故障時(shí)的備用,而且易于擴(kuò)展,以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的要求。同時(shí),直觀的流程圖畫面、各種設(shè)備的狀態(tài)畫面、各種重要數(shù)據(jù)的歸檔畫面以及友好互動(dòng)的報(bào)警畫面賦予監(jiān)控系統(tǒng)強(qiáng)大而全方位的功能,為操作人員快速定位故障、分析和管理生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)提供了良好的平臺(tái)。

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(責(zé)任編輯 張 镅)

Design of communication network and monitoring system in acrylic fiber spinning production line

GE Suoliang,LIN Gaofeng

(School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In view of the control demand for acrylic fiber spinning production line control system, the three-layer acrylic fiber spinning production line control system communication network is built based on the MPI and PROFIBUS-DP communication protocol. The structure, composition, working principle and configuration of the communication network are introduced, and the advancement and practical value of the hierarchical structure are analyzed. Then the monitoring system is designed by using the WinCC configuration software. The steps of the integrated configuration and the specific configuration process of each monitor screen are introduced. The operation results show that the designed communication network and monitoring system are stable, reliable and successful to meet the actual needs of production.

acrylic fiber spinning; industrial control network; PROFIBUS-DP network; WinCC software; PLC device

2015-04-21；

2015-06-24

合肥工業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研校企合作資助項(xiàng)目(W2014JSK0398)

葛鎖良(1964-),男,江蘇丹陽(yáng)人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.007

TP273.1

A

1003-5060(2016)10-1331-05