基于WinAC的橡膠加工廠管控一體化的解決方案與實施

摘要： 為積極推進企業(yè)管控一體化建設的進程，運用分布式的設計思想，采用SIEMENS公司的S7－300型PLC及其相應的功能I/O模塊、基本型MicroMaster420變頻器、基于PC的SoftPLC的解決方案－WinAC為湖北大興橡膠廠研制一套分布式的橡膠硫化機組群控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有運行可靠、維護方便、可擴充性強等特點，具有一定的推廣和參考價值。 關鍵詞： PLC WinAC 分布式控制 管控一體化 1、開發(fā)背景與意義 在飛速發(fā)展的市場經濟與信息的今天，企業(yè)內外部信息的交換已不再局限于通常意義上的對生產現場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，它需要把現場信息和管理信息結合起來，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優(yōu)化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更為廣泛的綜合管理系統(tǒng)，管控一體化就是建立起企業(yè)這樣全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺。湖北大興橡膠制品廠是一大型的橡膠制品廠，每年生產上萬噸橡膠制品，由于生產工藝控制不善，原材料浪費較大，一直無法實現利潤的增長，為提高該廠管理水平和企業(yè)信息自動化水平，助進企業(yè)節(jié)能將耗，采用SIEMENS公司的S7－300型 PLC及其相應的I/O功能模塊以及WinAC套件將生產車間的現場控制信息和設備的工藝運行參數和設備本身的健康指標等信息無縫地連接到企業(yè)MIS系統(tǒng)中，實現了企業(yè)的管控一體化的改建。 2、分布式控制模式的系統(tǒng)構建 只有基于Web的技術才能真正實現管控一體化，管控一體化技術離不開Internet、Intranet以及Infranet技術，如何將生產車間的現場控制信息、設備的工藝運行參數和設備本身的健康指標等信息集成到企業(yè)管理信息中去，是本系統(tǒng)設計的一大重點。橡膠硫化機組群控結構設計遵循“多功能、靈活性”的要求，將整個網絡分為三層：設備層、班組層以及車間MIS層。 要實現企業(yè)管控一體化，就必須有一種能在工業(yè)現場環(huán)境下運行、性能可靠、造價及維護費用低廉的通信系統(tǒng)，形成企業(yè)底層網絡Infranet，以完成現場設備之間的數字通信，進一步實現與管理層網絡之間的信息交換。目前，計算機網絡的飛速發(fā)展，測控系統(tǒng)的研究重點已集中在遠距離可靠數據通信方式的研究上，以往國內傳統(tǒng)的工業(yè)測控系統(tǒng)通信方式：BITBUS和RS－485，其效率較低，靈活性差，尤其是錯誤處理能力不強，遠不能滿足長距離、大范圍內測控系統(tǒng)通信的需要。而基于現場總線技術的現場總線控制系統(tǒng)(FCS)已成為數字化企業(yè)網絡化的基礎。FCS不需要一個中央控制單元來集中控制和操作，而是通過智能現場設備來完成控制和通信任務，可較好地解決實時控制和現場信號的網絡通信。PROFIBUS作為德國國家標準和歐洲國家標準的現場總線標準，是一種開放式通訊系統(tǒng)工業(yè)標準，PROFIBUS是目前國際上唯一的具備較成熟的安全方案的現場總線技術，具有非常靈活的模塊配置性能，數據傳輸速度最高可達12Mbps/100m，故本系統(tǒng)采用PROFIBUS系列中廣泛應用于現場設備的PROFIBUS-DP總線。 橡膠硫化機組監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式計算機監(jiān)控管理方式，各個現地控制單元可以獨立按照硫化工藝控制參數與運行、并將采集到的溫度、各種運行狀態(tài)量以及電機的運行健康狀態(tài)等信息通過PROFIBUS總線上傳到班組服務器，以備工作人員監(jiān)視，監(jiān)控操作人員可通過PROFIBUS將必要的控制參數下傳到各個現地控制單元，調整控制和工藝參數。同時，為備現地操作，每個現地監(jiān)控單元均有手動/自動按鈕，實現現地和遠控兩種操作，以提高整個系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運行的經濟性。為便于與整個橡膠加工廠的監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)互聯，實現企業(yè)管控一體化，班組服務器還通過Ethernet經廠數據交換機與廠MIS系統(tǒng)互聯。 橡膠硫化機組群控分布式結構圖見圖1所示。由上位工控機和基于PROFIBUS的現場智能節(jié)點及其I/O功能模塊構成典型的現場總線控制系統(tǒng)。PROFIBUS DP現場總線的主控模塊選用了SIEMENS的基于WindowsNT的軟PLC解決方案――WinAC。這樣系統(tǒng)上位機，既作為PLC的軟控制器,承擔遠程控制功能，又作為監(jiān)控、管理計算機，同時還可進行新工藝組態(tài)，實現一機多用。

圖1：橡膠硫化機組群控分布式結構圖

Infranet層由以SIEMENS的S7－300系列PLC功能模塊為主的4個控制單元組成，每個控制單元的輸入輸出模塊通道都設有冗余，便于功能擴展和維護，同時具有手動/自動兩種操作模式，便于脫離上位機獨立操作。上位機和各控制單元之間通過PROFIBUS DP總線實現數據傳送，由于系統(tǒng)設計為一分布式的監(jiān)控系統(tǒng)，每個現地控制單元均可獨立于上位機運行，將危險分散，維護方便，提高可靠性，符合橡膠廠分布式控制和模塊化設計思想，且在工藝成熟后的生產擴大化過程中,可直接套用本控制系統(tǒng)的軟硬件方案,縮短工業(yè)擴大化周期,提高企業(yè)的競爭力?，F地單元選用的控制模塊和作用見表1所示。班組服務器的SoftPLC采用SIMATIC WinAC。

為了使控制系統(tǒng)更加可靠，同時為了提高三相異步電機的執(zhí)行效率，采用了基本型MicroMaster420變頻器。該變頻器特別適合大力矩電機的拖動，我們曾采用臺灣一家著名的變頻器生產公司的變頻器，系統(tǒng)運行時故障不斷，尤其是其保護能力較差，導致故障頻繁，后改用了MicroMaster420變頻器后，系統(tǒng)運行一直比較穩(wěn)定。采用三相（380V）交流輸入，9.7kW；其獨特的自我保護能力如下： ? 過載能力為150％額定負載電流，持續(xù)時間60秒； ? 過電壓、欠電壓保護； ? 變頻器過溫保護； ? 接地故障保護，短路保護； ? I2t電動機過熱保護； ? 采用PTC通過數字端接入的電機過熱保護； ? 采用PIN編號實現參數連鎖； ? 閉鎖電機保護，防止失速保護。 整個監(jiān)控系統(tǒng)的特性為： ? 所有S7－300現地控制單元與班組服務器的SoftPLC－WinAC采用Profibus－DP進行數據通信；使系統(tǒng)網絡拓撲圖結構清晰，易于維護； ? 由于系統(tǒng)采用了網絡及現場總線傳遞過程數據，多種信息的交換僅依靠網纜或屏蔽雙絞線即可完成，這樣就大量減少了系統(tǒng)施工時的布線工作量，也為今后系統(tǒng)的維護及故障查找提供了方便。 ? 過程參數的數字化傳遞，避免了模擬量傳輸所帶來的漂移、抗干擾等問題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ? 若今后機組工藝、設備發(fā)生變更，只需要在總線上增添或摘除相應節(jié)點，并對軟件作少量修改即可。所以這種柔性的系統(tǒng)連接方式具有一定的適應性，可以最大程度地保護用戶的投資。 3、基于WinAC和OPC的控制系統(tǒng)軟件設計

圖2：WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關系

為了實現WinAC的功能，在班組服務器上安裝一塊Profibus DP接口模塊CP5611，WinAC控制引擎通過Profibus DP接口模塊CP5611與分布式控制器進行數據通信，完成數據采集、分析控制、 PC與PLC之間的通信等任務。 3.1 SIMATIC WinAC SIMATIC WinAC的功能不僅實現了在PC上實現PLC的功能，同時它將PLC與PC間實現完美的集成，將控制、數據采集、通訊、人機界面及其它技術完整地結合一起，集成于一臺PC 機上。SIMATIC WINAC與S7 系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC 編程工具，程序既可以用于WINAC 也可用于S7 系列處理器。僅從其兼容性和通用性而言，對熟知SIMATIC 技術的人來講，無需重新學習便能充分掌握并應用。更何況其親切友好的操作界面，更使人倍感親切。另外基于PC 的自動化與標準辦公系統(tǒng)可共享標準PC 技術、Windows NT 操作系統(tǒng)和TCP/IP 通訊標準，因而是控制系統(tǒng)與高端管理系統(tǒng)的理想接口。基于PC 的自動化是復雜控制和在空間上分散的自動化系統(tǒng)的最優(yōu)化系統(tǒng)。 3.2 系統(tǒng)軟件設計思路與特點 系統(tǒng)軟件的設計采用基于面向對象的設計方法，控制功能采用軟PLC解決方案WinAC,均集中在班組服務器中進行，完全由計算機來實現數據采集控制和管理，其特點如下: ? WinAC將控制、數據采集、通訊、人機界面及其它技術完整地集成在一臺PC機上,能滿足中試裝置硬件精煉、功能完善的要求 ； ? WinAC與SIMATICS7系列PLC控制器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具，編制的程序既可使用于WinAC，也可用于S7系列PLC控制器，有利于系統(tǒng)的更新和擴充； ? WinAC提供了ActiveX控件，使得Windows下的標準應用程序可更非常簡便地獲取過程數據。更為重要的是：WinAC還提供了用于診斷、顯示及運算的ActiveX控件； ? 系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件采用Microsoft公司的Visual C＋＋，而WinAC作為系統(tǒng)的OPC服務器，為基于WindowsNT的監(jiān)控軟件提供實時數據。這些功能極大地擴大了使用的靈活性，為系統(tǒng)的功能擴展帶來了很大的空間。WinAC中的WinLC即為軟件PLC控制程序，在WinLC中參數設定好后，就可像使用常規(guī)PLC的CPU模塊一樣使用。WinAC的控制程序采用SIEMENS S7系列可編程序控制器的標準編程工具STEP7編制，然后下載到WinAC中。PLC程序設計中，結合STEP7的特點，利用其中的ＦＢ、ＦＣ，采用模塊化程序設計，對常用的程序段用ＦＢ或ＦＣ實現，使程序清晰易懂，便于調試。由于STEP7不是面向對象的程序設計語言，在具體編程時借鑒面向對象的程序設計思想，便可實現面向對象的程序設計中的數據和代碼的分開，簡化了設計程序的工作量。 3.3 WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關系 三者之間的關系見圖2所示。

圖3： OPC 數據層次圖

在整個系統(tǒng)中，PC與現場總線和分布式I/O的優(yōu)點表現為簡化了系統(tǒng)的體系網絡結構和設備設計、提高了系統(tǒng)的通訊效率、降低了硬件和備件投資，易于調試和維護，同時充分利用PC 中CPU超強功能，WinAC控制器