黃晨華，李湘勤，謝家耀，林雄界，劉潤南，張廣松，董海堅(jiān)，周運(yùn)岐

（1.韶關(guān)學(xué)院智能工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512400；2.韶關(guān)市宏乾智能裝備科技有限公司，廣東韶關(guān)512400）

0 引言

現(xiàn)場總線是一種把工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、儀器儀表等組成網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備間或設(shè)備與儀表之間實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信技術(shù)。常用的現(xiàn)場總線有PROFIBUS、Foundation Fieldbus、CAN、CC-Link、LonWorks、Modbus、DeviceNet等。搭建現(xiàn)場總線以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)傳輸，是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要前提，因此，現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[1]。羅侃等[2]在鉛鋅冶煉廠煙氣制酸項(xiàng)目中運(yùn)用基金會現(xiàn)場總線（FF），研制了煙氣制酸系統(tǒng)，相對其它方案，其線纜長度、安裝費(fèi)用都大大降低，彭俊超[3]、劉文燦等[4]運(yùn)用類似的方案，在項(xiàng)目中均到得了很好的效果；陳偉才[5]在汽車變速器裝配線中，搭建了PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集中控制；唐敏[6]基于PROFIBUS現(xiàn)場總線，研制了一種溫室監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足農(nóng)作物對溫室參數(shù)的需要，馮玉爽等[7]在自動(dòng)化生產(chǎn)線中采用JPROFIBUS-DP技術(shù)，有效提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；余國虎[8]在船舶機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)中運(yùn)用了CAN總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)監(jiān)控、船舶電站管理等功能；熊邦宏[9]基于PROFINET總線，研制了一種配料攪拌裝置的控制系統(tǒng)。

綜上所述，現(xiàn)場總線技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中越來越廣泛地應(yīng)用，隨著國家對環(huán)保要求越來越高，用植物纖維如紙漿等成型日常用的餐具、包裝盒等取代相應(yīng)的塑料制品，已成為一種趨勢。越來越多的企業(yè)從事植物纖維制品成型。植物纖維制品成本除了受原材料的影響外，生產(chǎn)能耗是植物纖維制品成本的重要決定因素。目前，植物纖維成型設(shè)備大多依經(jīng)驗(yàn)設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，并沒有依生產(chǎn)對象作參數(shù)的優(yōu)化，因此，有必要對生產(chǎn)過程工藝參數(shù)進(jìn)行采集、分析，從而找到最優(yōu)的工藝參數(shù)，又達(dá)到節(jié)能減排，增強(qiáng)企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。本文依據(jù)企業(yè)的技術(shù)要求，從低成本、易擴(kuò)展、易維護(hù)的角度出發(fā)，搭建了基于PROFI BUS現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的采集、傳輸與設(shè)備控制。

1 生物質(zhì)成型車間技術(shù)需求

1.1 參數(shù)采集與設(shè)備控制要求

植物纖維成型工藝主要工序有制漿、成型、切邊、碼垛等。其中制漿工序、成型工序?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品成本有關(guān)鍵的影響，因此，需要對制漿工序和成型工序的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集、分析與優(yōu)化，并對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，需要采集的參數(shù)及需要控制的設(shè)備如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)成型技術(shù)要求

1.2 功能要求

（1）能耗的實(shí)時(shí)采顯示。以曲線的方式，實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。

（2）能耗統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)各生產(chǎn)設(shè)備的能耗，結(jié)果以表格的方式導(dǎo)出，表格中應(yīng)包涵采集日期、采集時(shí)長，設(shè)備名稱等。

（3）成型溫度實(shí)時(shí)顯示。以曲線和數(shù)值的方式，顯示成型過程中模板的溫度，當(dāng)模板測試超過設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。

（4）設(shè)備控制。根據(jù)需要，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和系統(tǒng)控制設(shè)備的啟、停，同時(shí)，能按生產(chǎn)要求，一鍵實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)和停止。

（5）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)。實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)量，并能存儲與導(dǎo)出。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)組建

現(xiàn)場總線類型的選擇與現(xiàn)場的設(shè)備、儀器儀表有很大的關(guān)系，在本方案中，按企業(yè)要求，采用西門子的PLC，總線類型采用西門子PLC自帶的類型為宜，以降低成本，同時(shí)也減少通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。西門子PLC自帶的總線類型主要是PROFIBUS，因此系統(tǒng)采用PRO?FIBUS現(xiàn)場總線組網(wǎng)，可減少很多工作量，大大降低組網(wǎng)成本。PROFIBUS常用的有2種，分別是PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，PROFIBUS DP主要用在工廠自動(dòng)化中，通過中央控制器控制從站的傳感器和執(zhí)行器等；PROFIBUS PA主要用于過程控制，PROFIBUS DP比PROFIBUS PA的通訊速率較快，在工廠自動(dòng)化改造中采用較多，但兩者使用相同的通訊協(xié)議，可接于同一網(wǎng)絡(luò)中。一般PROFIBUS DP因速率較快，常作為網(wǎng)絡(luò)主干。本文中，設(shè)備控制的要求主要是啟停，無防爆要求，從網(wǎng)絡(luò)的成本、維護(hù)等方面考慮，只采用PROFIBUS DP組網(wǎng)，不需要加入PROFIBUS PA，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。用PLC作為主站，監(jiān)控站（計(jì)算機(jī)）通過PLC的以太網(wǎng)口讀取PLC的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控顯示、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲以及設(shè)備控制，6個(gè)電能表通過PROFIBUS DP接口直接掛在現(xiàn)場總線上，考慮到現(xiàn)場設(shè)備比較分散，為節(jié)約成本，采用了1個(gè)分布式I/O模塊ET200M，溫度、空氣流量、真空用量和液面高度的傳感器接入ET200M模塊，這樣的好處是這些傳感器的通訊方式則不需要具有PROFIBUS方式，擴(kuò)大了傳感器選型范圍，大大節(jié)約了組網(wǎng)成本。

圖2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制方案

3.1 硬件選型

因要求系統(tǒng)有較好的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)采用S7-400為主站，S7-400為中型PLC，該P(yáng)LC為模塊式結(jié)構(gòu)，機(jī)架、電源、CPU及I/O模塊均可按需要配置，有很大的靈活性。PLC的CPU選用412—2PN，該CPU有2個(gè)以太網(wǎng)口，1個(gè)DP接口，通過以太網(wǎng)口，可以與作為監(jiān)控站的計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和生產(chǎn)過程的監(jiān)控。通過DP接口與后面的電能表等傳感器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，編程軟件為Step 7首先硬件組態(tài)，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，傳感器均采用國內(nèi)品牌，但國內(nèi)品牌支持PROFIBUS通訊協(xié)議的不多，需要認(rèn)真考慮通訊接品問題。電能表選用國內(nèi)某品牌電能表，該品牌電能表廠家可提供GSD文件，在Step 7編程軟件中安裝好即可使用，國內(nèi)品牌的測量溫度、流量、真空用量、液面高度等的傳感器很難找到支持PROFIBUS協(xié)議的品牌、文中采用了1個(gè)擴(kuò)展模塊ET200M，采用該模塊解決了2個(gè)問題，一是PROFIBUS通訊問題，其可直接組態(tài)，非常方便；二是解決了因設(shè)備分散，傳感器分散導(dǎo)致傳輸線路過長，電纜成本過大的問題。PLC與計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)口連接，設(shè)定好IP地址，即可編程和讀取數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)

3.2 數(shù)據(jù)采集

溫度、流量、真空用量、液面高度傳感器輸出信號均為4～20 mA電流信號，用FC105功能塊讀取，如圖4所示。用電量直接通過485接口經(jīng)PROFIBUS電纜傳輸?shù)絇LC，存入PLC位存儲器，然后按要求進(jìn)一步處理，圖5所示。

圖4 空壓機(jī)流量采集

圖5 空壓機(jī)用電量采集

3.3 設(shè)備控制

車間需要根據(jù)生產(chǎn)情況決定設(shè)備的啟動(dòng)和停止，在本系統(tǒng)中，主要是對制漿系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制，當(dāng)制漿量達(dá)到要求時(shí)，設(shè)備被遠(yuǎn)程控制停止，當(dāng)不足時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)。制漿系統(tǒng)設(shè)備主要包括疏解機(jī)、磨漿機(jī)、回水池、配漿池、濃漿池的電機(jī)和閥門，設(shè)備的電機(jī)的主線路已由廠家安裝調(diào)試好，因此，對電機(jī)啟停的控制只需對繼電器進(jìn)行通、斷電的控制，制漿系統(tǒng)管路閥門為氣動(dòng)閥，其開、關(guān)由電磁閥控制，因此，對閥門的開、關(guān)控制，只需對電磁閥的控制。因在數(shù)據(jù)采集中采用了1個(gè)ET200M，因此可在其上再掛上合適數(shù)量的數(shù)字量I/O模塊，通過I/O模塊，輸出高低電壓，控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)閥 的 開 關(guān)；同 樣，通 過ET200M，輸出高低電壓，控制繼電器的開合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停，制漿系統(tǒng)設(shè)備控制方案如圖6所示，地址分配如表1所示。

圖6 設(shè)備控制方案

表1 地址分配表

4 系統(tǒng)軟件編寫

用Wincc進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，Wicc是西門子公司推出的優(yōu)秀的組態(tài)軟件，其集生產(chǎn)過程和自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了兩者的無縫集成。計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控站，用網(wǎng)線把計(jì)算機(jī)與PLC連接，計(jì)算機(jī)既作為編程器，也作為監(jiān)控器，系統(tǒng)軟件流程圖如圖7，系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)流程

圖8 系統(tǒng)界面

5 現(xiàn)場應(yīng)用

車間設(shè)備布置主要分制漿區(qū)域、成型區(qū)域和碼垛區(qū)域,如圖9所示。制漿區(qū)域主要有磨漿機(jī)、疏解機(jī)、配漿池、回水池及濃漿池，在這一域，主要采集各電機(jī)的用電量及電機(jī)、閥的控制；成型區(qū)域主要有真空機(jī)、空壓機(jī)、成型機(jī)、模溫機(jī)、切邊機(jī)等，這一區(qū)域主要是采集各設(shè)備的用電量、成型機(jī)模板溫度；碼垛區(qū)域主要有工業(yè)機(jī)器人、切邊機(jī)等，這一區(qū)域設(shè)備的用電量與成型區(qū)域共用一電能表，不需要單獨(dú)采集電能，目前暫不要求對設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制。設(shè)備控制界面如圖10所示，溫度采集界面如圖11所示。系統(tǒng)在現(xiàn)場測試應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期功能，且能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 生產(chǎn)現(xiàn)場

圖10 設(shè)備控制界面

圖11 溫度采集界面

6 結(jié)束語

本文以植物纖維成型車間為研究對象，根據(jù)生產(chǎn)過程和企業(yè)需求，從經(jīng)濟(jì)、易擴(kuò)展的角度出發(fā)，研制了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制的系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場應(yīng)用，驗(yàn)證了本文方案的可行性，結(jié)論總結(jié)如下。

（1）通過分析企業(yè)的技術(shù)需求，提出了基于PROFI?BUS現(xiàn)場總線的組網(wǎng)方案，采用分布式I/O擴(kuò)展模塊，解決了設(shè)備分散的問題，減少了數(shù)據(jù)傳輸線的總長度，降低了成本，增加了系統(tǒng)的易維護(hù)性。

（2）基于Wincc組態(tài)軟件，編寫了系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的采集、監(jiān)控、報(bào)警及相應(yīng)設(shè)備的控制。

（3）系統(tǒng)有易操作性的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集方面，既可單獨(dú)采集和監(jiān)控某一參數(shù)，也可全部參數(shù)采集，對參數(shù)的優(yōu)化和分析提供了很大的便利性；在設(shè)備控制方面，既可單獨(dú)控制某個(gè)閥或電機(jī)，也可以一鍵控制，同時(shí)按生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了4條設(shè)備集體控制，方便操作人員。