醋纖生產裝置數據采集系統的設計與實現

倪佳俊 吳勝昔 向國海 顧幸生

(華東理工大學自動化研究所1，上海 200237;上海慧時軟件有限公司2，上海 200233)

醋纖生產裝置數據采集系統的設計與實現

倪佳俊1吳勝昔1向國海2顧幸生1

(華東理工大學自動化研究所1，上海 200237;上海慧時軟件有限公司2，上海 200233)

醋酸纖維生產現場電機的電流、電壓、電能等電力參數對產品質量分析和生產安排都具有重要的指導意義，因此對電機電力參數的采集是生產環節中至關重要的一部分。結合生產中對數據采集的具體要求，對采集系統進行了分析設計以及現場實現;采用S7-400讀取現場網絡儀表和變頻器的參數，并使用AnyBus網關實現Modbus與Profibus協議轉換。基于該設計思想的數據采集系統能夠平穩地運用到生產現場，并能帶來良好的生產效益。

醋酸纖維 電力參數 數據采集 硬件組態 通信

0 引言

經過多年的技術改造和設備引進，我國的煙草工業企業生產自動化水平基本達到國際水平。煙草工業企業在管理自動化方面已經初步建立了以企業資源計劃系統(enterprise resouce planning，ERP)為核心的管理信息系統，ERP中雖有生產控制模塊，但由于得不到制造過程實時信息的支持，所以并不能幫助和指導工廠進行產品質量分析和生產排產。數據采集系統是現場自動化控制設備與管理層之間的信息樞紐，建立和完善自動數據采集系統已成為煙草工業企業信息化建設的重點［1］。

在醋纖廠的整個生產過程中，需要實時獲取和存儲生產電機、變頻器等設備的電流、電壓等電力參數，并且需要記錄報警等狀況，以便更好地進行控制操作［2］。數據采集的準確及時也為后續的整理、分析和能耗統計提供了便利。因此，數據采集是整個生產過程中的一個重要環節。隨著生產能力的日益提高，傳統的數據采集方式在精度、采集頻率以及數據查詢等多方面均已不能滿足現時生產的要求。

本文以開發醋酸纖維生產能源管理系統為目標，設計了醋纖廠的數據采集系統，給出了數據采集系統的結構設計、功能和實現。

1 數據采集系統的設計思路

某醋纖公司設計的數據采集系統是進一步開發能源管理系統的基礎。該采集系統除了要求具有基本的采集與記錄實時歷史生產數據的功能外，還應具有圖形顯示、趨勢報警、報表及信息發布等其他功能。

1.1 數據采集及歸檔

①通過標準接口與PLC或數據采集器通信，并能夠對實時數據進行二次處理。

②支持每秒10 000點的數據采集速率。

③基于實時數據庫技術，能夠以高速、高壓縮比對實時數據進行分段歸檔，并支持高速提取。

④支持在線更新的功能，提交修改的配置時不需要中斷數據采集服務。

1.2 圖形顯示

①顯示網絡、通道、設備的實時通信狀態。

②結合前端設備，顯示指定設備參數的實時和歷史趨勢(帶時標)，并能對曲線參數進行統計和分析;顯示系統中故障錄波設備記錄的數據和圖形(帶時標);顯示與監控系統相吻合的動態系統圖、柜圖;顯示監控對象的諧波含量和柱狀圖信息;實時、多畫面顯示監控對象的其他各電氣參量。

③支持用戶對各類圖形顯示的添刪、修改、編輯。

1.3 趨勢報警

①支持實時和歷史數據趨勢，結合前端設備，系統應能真實有效采集、記錄和顯示的數據時間間隔最小為1 s且不影響系統的運行速度。支持用戶對曲線的自定義編輯，可以無級縮放和設置報警范圍。支持對曲線按自定義格式的打印或拷貝存儲。圖形中所缺數據可人工置入或添加附注［3］。

②支持測量值越限報警、設備狀態異常報警、系統軟件及硬件出錯報警。報警能手動或自動確認。

③結合前端設備，能實現對設備、系統的時間順序記錄。

1.4 報表及信息發布

①具備用戶管理功能，根據不同的用戶權限，定義不同的信息訪問內容。

②各種檢測數據通過報表的形式進行管理，分為各種設備管理報表、檢測數據日報表、檢測數據月報表、檢測數據年報表以及綜合報表等各種形式的報表。

③支持報表按預定的時間和時間段自動生成以及手動生成;支持對故障事件、故障信息的報表輸出;支持對實時數據進行統計分析以及對報表數據的運算功能;支持用戶對報表的自定義編輯、鏈接，支持對報表按自定義格式的打印，兼容用戶自定義的Excel報表的輸出功能，任意時段、任意設備［4］。

2 數據采集系統設計

本數據采集系統的總體設計思想如圖1所示。

圖1 系統總體設計思想Fig.1 The overall design concept of the system

生產現場用于采集數據的設備有變頻器和網絡儀表等，通常這些設備都帶有支持Modbus協議的數據采集卡。而可編程控制器PLC支持Profibus，因此需要在采集卡和PLC之間增加一個具有協議轉換的網關。PLC通過以太網和PC機連接，在PC機上通過人機界面HMI實現人機交互操作。另外增加一個觸摸屏，可使工作人員在現場就能夠及時了解相關生產信息。

采用這種設計思路，可以利用網關實現兩種不同協議間的相互轉換，達到數據及時傳送的效果。整個系統硬件兼容性強、運行穩定，適合工業現場長時間不間斷工作的要求。

3 數據采集系統實現

3.1 現場采集數據設備

生產現場采用羅克韋爾公司的PF700變頻器以及DIRIS公司的A40網絡儀表。其中PF700交流變頻器是羅克韋爾公司推出的一款簡單易用且性能卓著的產品，通常可用來控制三相異步電動機，應用范圍從最簡單的速度控制系統到要求最高的向量控制系統。DIRIS A40型網絡儀表是一種用于低壓或高壓電壓電量測量的多功能儀表。它可以通過面板設置和顯示所有參數，并且實現測量和計時功能。A40型網絡儀表測量精度高、穩定性好、測量范圍廣、變比可任意設定，且具有通信功能，支持全數字校表，無可調電位器。

在醋纖生產現場，變頻器需要采集的數據有電流、電壓、頻率、功率、功率因素和故障代碼。現場網絡儀表需要測量的數據有三相電流、電壓、頻率、功率因素以及有功、無功、視在電能。

3.2 硬件及軟件

基于系統的總體設計思路，結合生產現場需要的采集設備，采用如下硬件設備來采集數據和轉換通信協議:Siemens S7-400可編程控制器;AnyBus AB7000網關;Multi-plane 377，15英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏;Rockwell 20-comm-H數據采集卡。對應使用到的上位機人機界面和相關配置軟件為:配置可編程控制器軟件Step7;配置網關軟件AnyBus Configure Tool;配置觸摸屏軟件WinCC Flexible2008;PLC仿真軟件PLC_Sim;Modbus仿真軟件Modbus_Simulator;HMI人機界面編程軟件Wonderware InTouch。

3.3 硬件組態

“組態”指的是在站窗口中對機架、模塊、分布式I/O(DP)機架以及接口子模塊等進行排列。使用組態表表示機架，就像實際的機架一樣，可在其中插入特定數目的模塊［5］。

在組態表中，Step7自動給每個模塊分配一個地址。如果站中的CPU可自由尋址(意思是可為模塊的每個通道自由分配一個地址，而與其插槽無關)，那么可改變站中模塊的地址［6］。

將組態任意多次復制給其他Step7項目并進行必要的修改，然后將其下載到一個或多個現有的設備中。當可編程控制器啟動時，CPU將比較Step7中創建的預置組態與設備的實際組態，從而可立即識別出它們之間的任何差異并報告。

利用Step7軟件進行硬件組態，按照技術協議書上給出的硬件型號，在S7的hardware中進行組態。將CPU作為DP主站、AnyBus作為 DP從站［7］。需要指出的是，AnyBus本身不在S7的硬件目錄內，用戶需要在AnyBus公司網站上下載相關設備的GSD文件，然后導入到S7。根據本項目所采用的硬件設備完成組態，編譯保存。

3.4 通信

通信是本數據采集系統中極為關鍵的一部分，各設備間的通信通常都有各自的軟硬件與之對應。以下著重介紹幾個設備之間的通信。

3.4.1 Step7和S7-400硬件通信

西門子Step7是用于Simatic S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程操作。

由于S7-400帶有以太網口，因此它可直接與裝有Step7的PC機通過以太網連接。但如果是首次連接，則需要采用多點接口(multi-point interface，MPI)傳輸方式(“Set PG/PC Interface”應選擇 MPI模式)。完成首次傳輸后，可改用Profibus模式。需要注意的是，CPU的IP地址應該和工作站中的計算機IP地址在同一個網段內。

3.4.2 Step7與WinCC Flexible通信

由于Step7與WinCC Flexible都是西門子公司的產品，因此具有很好的集成性。在WinCC Flexible“項目”選項下選擇“在Step7中集成”。集成之后，設定一個連接，通過選擇這個連接，就可直接在WinCC Flexible中利用在Step7中已定義好的符號，或直接利用Step7程序的符號地址在WinCC Flexible中建立變量。

3.4.3 WinCC Flexible與觸摸屏MP377通信

觸摸屏的種類有很多，因此在新建WinCC Flexible項目時應選擇本項目中所采用的“MP377 15'Touch”。對于觸摸屏，應先在屏幕上操作設置IP地址。

程序編譯無誤后，連接觸摸屏和工作站計算機，先測試兩者之間的網絡通信是否已建立。通信建立后選擇“項目”下的“傳送”，在跳出的新對話框中選擇“以太網”模式，并輸入已設置的IP地址，即可進行傳送。

通常情況下，如果觸摸屏內部已經存在一個程序，則在再次下載時需重新上電。

3.4.4 Step7和InTouch通信

Step7與InTouch通信需要使用System management Console(SMC)軟件。在通信前，需要安裝Wonderware公司提供的“Device Intergration 2010 V2”集成包內的西門子DAServer驅動。

打開SMC軟件，依次新建工程項目后點擊“New_S7Cp_000”，在右面的設置框“New_S7Cp_000 Parameter”中的“Network Address”欄輸入 S7-400的 IP地址，接著在“Remote Slot No”中填入 CPU地址，“Connection Resource”默認選擇“2”。然后在“Device Groups”中新建新主題，例如主題名為“Step7”。完成新建后，必須保存，設置才能生效。

在InTouch程序中添加新的訪問名，其中的“應用程序名”為“DASSIDirect”，主題名即為上述設定的主題名“Step7”。在InTouch中添加標記名時，只需在“訪問名”中選擇“PLC1”，即完成Step7與InTouch的通信。

4 結束語

本設計方案充分利用了軟硬件在內存容量、運行周期、讀寫速率等方面的優勢，具有讀取方便、更新及時、查錯簡便、擴展性好等特點。

本數據采集系統的設計思想現在已經運用在某醋酸纖維廠。一段時間的運行表明該系統能夠將工業現場儀表、變頻器的電力參數穩定、快速、及時地采集到數據庫，并供上位機調取分析使用。系統不僅能夠輔助分析產品質量，而且可以合理安排生產、節能降耗，為工廠帶來了良好的經濟效益。

［1］接道良.煙草企業自動數據采集系統的研究與實踐［J］.自動化儀表，2006，27(3):53-55.

［2］陳睿，王歡，李炳法.煙草制造行業中的數據采集系統［J］.計算機應用，2007，27(6):414-416.

［3］王琳，商周，王學偉.數據采集系統的發展與應用［J］.電測與儀表，2004，41(8):5-8.

［4］王琰.從馬鋼生產實踐看Wincc在生產數據報表上的應用［J］.冶金動力，2008，6(1):91-95.

［5］崔健，李佳.西門子工業網絡通信指南［M］.北京:機械工業出版社，2004:34-41.

［6］黃崢，古鵬.基于S7系列PLC通訊方式與設計研究［J］.機電工程技術，2010，39(6):45-48.

［7］夏繼強，梁超眾，耿春明，等.Profibus-DP主站網關設計及其關鍵技術［J］.北京航空航天大學學報:自然科學版，2011，37(8):36-39.

Design and Implementation of the Data Acquisition System for Acetate Fiber Production Plant

The electrical parameters of motor in the acetate fiber production site，e.g.，current，voltage，power energy，etc.，are significant to product quality analysis and production arrangement，so collecting the electrical parameters of the motor is one of the critical parts in production process.In combination with the specific requirement to the data acquisition，the acquisition system is analyzed，and designed as well as implemented on-site.The S7-400 is applied to read the parameters of field networking instruments and inverters，and the AnyBus gateway is used to implement the transformation between the Modbus and Profibus protocols.The data acquisition system based on this design concept can be stably applied into the production site，and bring good production benefit.

Acetate fiber Power parameters Data acquisition Hardware configuration Communication

TP274

A

上海市重點學科建設基金資助項目(編號:B504)。

修改稿收到日期:2012-08-31。

倪佳俊(1989-)，男，現為華東理工大學控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事設備監控、系統工程方面的研究。