邵明強，王嘉禾，張勝超，秦衛(wèi)光

（久智光電子材料科技有限公司，河北 065001）

PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在光纖材料自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

邵明強，王嘉禾，張勝超，秦衛(wèi)光

（久智光電子材料科技有限公司，河北 065001）

針對自動化光纖材料生產(chǎn)線設(shè)計，采用網(wǎng)絡(luò)型PLC控制器、網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)、組態(tài)軟件、工控機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及多種傳感器等元件組成網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)，討論其在自動化光纖材料生產(chǎn)線中的應(yīng)用。實現(xiàn)生產(chǎn)線的電源系統(tǒng)自動匹配，運動機構(gòu)自動化，喂料及氣路系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，故障自診斷等功能。并與上位機、服務(wù)器等數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)在線檢測、遠程控制及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提高石英材料生產(chǎn)線自動化水平和安全性。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；PLC；組態(tài)軟件；服務(wù)器；光纖材料

0 引言

我國工業(yè)自動化進程近年來取得了飛速發(fā)展，自動化、智能化設(shè)備及控制系統(tǒng)大幅度降低制造業(yè)的生產(chǎn)成本，顯著提高了產(chǎn)品質(zhì)量。石英玻璃生產(chǎn)諸如光纖材料生產(chǎn)也在逐步向自動化方向發(fā)展。但對于復(fù)雜的光纖材料生產(chǎn)工藝，目前仍然存在自動化程度較低的現(xiàn)象，其主要原因是生產(chǎn)設(shè)備的單機化[1]，控制系統(tǒng)在設(shè)計時相對獨立，數(shù)據(jù)信息無法有效收集利用。

光纖材料生產(chǎn)過程往往對生產(chǎn)設(shè)備的輔助系統(tǒng)、運行機構(gòu)的自動化程度以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集處理具有較高的要求。傳統(tǒng)依靠操作人員的經(jīng)驗和自主性進行生產(chǎn)操作、手動收集數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方式，既不可靠，也不安全，無法有效控制產(chǎn)品質(zhì)量和縮減生產(chǎn)成本。光纖材料生產(chǎn)如高頻等離子外沉積工藝熔化天然石英粉料制備石英大套管[2]，其生產(chǎn)線系統(tǒng)由電源整流和高頻發(fā)生系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和運動機構(gòu)等組成。

1 網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在光纖材料生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)中[1]，采用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊，以達到布線靈活、易于診斷設(shè)備故障，實現(xiàn)企業(yè)化管理的設(shè)計目標(biāo)。在控制系統(tǒng)中加入服務(wù)器等中央控制單元，以實現(xiàn)總體的在線檢測、遠程控制和數(shù)據(jù)收集。

整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從上至下依次為：信息層（工業(yè)以太網(wǎng)，用于實現(xiàn)服務(wù)器、工控機、管理計算機之間的通訊）、控制層（工業(yè)以太網(wǎng)，用于實現(xiàn)PLC間、以及PLC與工控機之間的通訊）、設(shè)備層（工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線，用于實現(xiàn)現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行機構(gòu)與PLC間的通訊）。安裝于電源控制柜、設(shè)備控制柜中的PLC可實現(xiàn)對電源及現(xiàn)場設(shè)備的控制。PLC之間以及PLC與工控機之間采用控制層工業(yè)以太網(wǎng)通訊，PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間采用設(shè)備層工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線通訊，工控機、服務(wù)器、管理計算機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。

1.2 控制功能

光纖材料生產(chǎn)過程中石英材料的熔化質(zhì)量至關(guān)重要，熔化質(zhì)量主要反映在溫度等參數(shù)上[2]，合適的能源提供是熔化溫度的重要保障。區(qū)別于人員經(jīng)驗的隨機性能源調(diào)節(jié)機制，網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)將溫度傳感器監(jiān)測的熔化溫度參數(shù)傳輸?shù)皆O(shè)備控制柜中的PLC，再經(jīng)工控機的處理，傳輸?shù)诫娫丛O(shè)備控制系統(tǒng)，電源設(shè)備實時做出相應(yīng)的調(diào)整，匹配出最佳的能源供應(yīng)，以此實現(xiàn)溫度與電源的閉環(huán)控制。同時，在生產(chǎn)設(shè)備處于加工閑時階段，自動降低到最低能源輸出水平，達到有效控制產(chǎn)品質(zhì)量和提高能源利用率的目的。

為保證設(shè)備正常運行，水冷循環(huán)系統(tǒng)是光纖材料生產(chǎn)線電源設(shè)備及主要元器件如三極管、槽路電容降溫的常規(guī)手段。設(shè)備運行時由于元件差異及運行狀態(tài)差異，各部分發(fā)熱量不同，水冷系統(tǒng)管路中水流量、壓力、溫度等具有很大差異。網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)在光纖材料生產(chǎn)線中通過設(shè)備傳感器對水冷管路中流量、溫度、壓力的檢測，由設(shè)備控制柜中PLC做出判斷，將數(shù)據(jù)傳輸至水路控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)流量、壓力參數(shù)，維持冷卻溫度在可控范圍；通過對水路傳感器參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，經(jīng)過多級網(wǎng)絡(luò)通訊，自診斷設(shè)備故障，及時將故障信息反饋到控制臺，保證良好的設(shè)備運行狀況。

光纖材料中的雜質(zhì)含量是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]，天然石英粉料在人工添入喂料器的過程中容易因操作環(huán)節(jié)引入雜質(zhì)。通過系統(tǒng)對喂料系統(tǒng)的監(jiān)測，實時顯示喂料系統(tǒng)的狀態(tài)，自動進行補料和喂料工序，降低雜質(zhì)引入幾率，提高原料利用率。

隨著電子行業(yè)及工業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的傳感器元件，執(zhí)行機構(gòu)等也具備工業(yè)以太網(wǎng)功能，結(jié)合現(xiàn)場總線的布線方式，可有效的降低現(xiàn)場走線的復(fù)雜程度，同時為長距離通訊控制提供解決方案。例如具有Ethernet/IP通訊協(xié)議的伺服控制系統(tǒng)，具有強大的網(wǎng)絡(luò)編程功能和數(shù)據(jù)傳輸機制，降低了PLC編程難度，同時數(shù)字化的參數(shù)設(shè)置也為系統(tǒng)調(diào)試帶來極大方便。光纖材料生產(chǎn)中的基礎(chǔ)管的位移、原料沉積等位置、速度參數(shù)，可以按照PLC程序的指令控制運動機構(gòu)的運行精度，達到嚴(yán)格控制產(chǎn)品外觀尺寸的目的。

在整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的頂層，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集與管理，企業(yè)成員對數(shù)據(jù)的訪問以及遠程控制，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、企業(yè)計算機與各工控機通過信息層工業(yè)以太網(wǎng)互相鏈接，經(jīng)由三層通訊網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備最末端的元件的運行數(shù)據(jù)也能夠有效收集，通過企業(yè)管理平臺加以處理和利用。

實時在線監(jiān)測功能提供設(shè)備運行狀況的信息和參數(shù)，通過工控機程序以及現(xiàn)場控制器綜合判定，實現(xiàn)設(shè)備故障自診斷功能，大大降低故障聯(lián)發(fā)概率和故障排除難度。通過頂層服務(wù)器可實現(xiàn)中央控制功能，讓操作人員遠離生產(chǎn)現(xiàn)場就可掌握生產(chǎn)狀況，并且隨時做出調(diào)整，大大提高光線材料生產(chǎn)的安全性。企業(yè)成員也能夠通過該層結(jié)構(gòu)獲取生產(chǎn)信息，以作數(shù)據(jù)分析處理使用。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件程序設(shè)計

2.1 PLC控制程序設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)型PLC以其參數(shù)設(shè)置簡單、布線靈活、通訊穩(wěn)定等特性，越來越多的被自動化控制領(lǐng)域所采用。如圖2所示的OMRON SYSMAC CJ2M-EIP系列PLC的以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置界面，規(guī)劃PLC的IP地址并設(shè)置好其他參數(shù)后，PLC就能與其他支持以太網(wǎng)協(xié)議的傳感器等元件以該IP地址進行以太網(wǎng)協(xié)議通訊。

圖2 PLC以太網(wǎng)設(shè)置圖

要使PLC與PLC之間，PLC與傳感器等原件之間建立聯(lián)系，可以根據(jù)需要編寫一種通訊協(xié)議，基于支持網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的PLC及傳感器，可以在以太網(wǎng)通訊協(xié)議基礎(chǔ)上進行設(shè)置。如圖3所示，OMRON系列的CX-ONE編程軟件所含的Network configurator for EtherNETIP工具，通過IP地址的規(guī)劃和數(shù)據(jù)讀寫區(qū)域的分配，可以方便的建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的PLC與PLC之間、PLC與網(wǎng)絡(luò)型伺服系統(tǒng)之間等支持EtherNETIP協(xié)議的元件之間的聯(lián)系。

圖3 網(wǎng)絡(luò)型PLC以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)置圖

PLC之間建立連接之后，可以通過PLC數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。數(shù)據(jù)交換支持包括BOOL、CHANNEL、INT、WORD、STRING、REAL、UINT-BCD等多種數(shù)據(jù)格式。如圖4所示的是一種網(wǎng)絡(luò)型PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的編程實例。

圖4 網(wǎng)絡(luò)型PLC數(shù)據(jù)通訊編程實例圖

2.2 人機交互程序設(shè)計

人機交互界面或者人機交互程序一般安裝在工控機，是操作人員與設(shè)備交互的接口。人機交互軟件監(jiān)測與采集設(shè)備將各項參數(shù)通過交互界面展現(xiàn)給操作人員，操作人員利用交互軟件進行參數(shù)設(shè)置或調(diào)整，同時，人機交互軟件的設(shè)計、宏功能的調(diào)用，還可以使設(shè)備按照預(yù)先指令進行自動管理和自我診斷。

工業(yè)控制中，人機交互的實現(xiàn)方式有很多，其中組態(tài)軟件以其二次開發(fā)難度低、擴展性好和接口豐富的特點，被工業(yè)控制中廣泛采用。組態(tài)王軟件與OMRON系列的網(wǎng)絡(luò)型PLC控制器之間的連接設(shè)置如圖5所示。

圖5 組態(tài)王與OMRON系列PLC連接設(shè)置圖

2.3 服務(wù)器軟件設(shè)計

服務(wù)器處在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的頂層，通過各分系統(tǒng)的工控機對整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行收集、整合。軟件設(shè)計開放性比較強，可根據(jù)需求選用C/C++、Java、PHP、C#等編程語言進行開發(fā)。軟件編程可實現(xiàn)數(shù)據(jù)表格匯總、數(shù)據(jù)模型整合與分析，定向檢索，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出等功能。通過軟件接口，可連接企業(yè)成員計算機，進行遠程訪問和控制。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還可以與生產(chǎn)的其他管理平臺結(jié)合，如原材料管理平臺，加工過程管理平臺以及物流系統(tǒng)管理平臺等，形成產(chǎn)品從原材料到成品的全程監(jiān)控與管理。

3 結(jié)束語

采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的光纖材料生產(chǎn)線，從生產(chǎn)的電源自動匹配、運行機構(gòu)的自動化、喂料系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、生產(chǎn)過程的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)信息的整合等方面能夠提高光纖材料生產(chǎn)線的自動化程度。利用工業(yè)自動化生產(chǎn)方式和管理方式，能夠從能源、原材料、設(shè)備使用壽命和工藝控制等角度降低光纖材料的生產(chǎn)成本，提高光纖材料的產(chǎn)品質(zhì)量。

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The application of PLC network control system in optical fi ber material automated production line

SHAO Ming-qiang, WANG Jia-he, ZHANG Sheng-chao, QIN Wei-guang

TP278

：B

：1009-0134(2017)05-0019-03

2016-08-21

光纖預(yù)制棒用大尺寸石英套管產(chǎn)業(yè)化項目資助（17041106Z）

邵明強（1988 -），男，安徽宿州人，研發(fā)工程師，學(xué)士，研究方向為石英材料工藝技術(shù)及自動化控制技術(shù)。