腈綸紡絲生產線通訊網絡與監控系統設計

葛鎖良,林高峰

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

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腈綸紡絲生產線通訊網絡與監控系統設計

葛鎖良,林高峰

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

文章針對腈綸紡絲生產線控制系統的控制要求,基于MPI和PROFIBUS-DP通訊協議構建了3層的腈綸紡絲生產線控制系統通訊網絡,介紹了通訊網絡的結構、組成、工作原理及其組態,分析了分層結構的先進性和實用價值;采用WinCC組態軟件設計監控系統,介紹了集成式組態的步驟以及各監控畫面的具體組態過程。現場運行結果表明,所設計的通訊網絡和監控系統工作穩定可靠,可以滿足實際生產需要。

腈綸紡絲;工業控制網絡;PROFIBUS-DP網絡;WinCC軟件;PLC設備

0 引 言

現場總線控制系統是繼基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統DDC、集散控制系統DCS之后的新一代控制系統,它代表著工業控制網絡技術的發展方向[1]。目前,現場總線還沒有形成統一的標準,市場上多種標準并存。文獻[2]介紹了基于MODBUS總線的主從控制系統,可廣泛應用于小型工業設備控制;文獻[3]研究了基于CAN總線的單軸伺服驅動系統的開發方法,為工業機器人的伺服驅動控制系統提供了參考;文獻[4]介紹了CC-Link總線在長治H型鋼自動化系統上的成功應用;文獻[5]介紹了西班牙在馬拉加建造的一個實現溫室氣候控制的自動化系統,該系統用PROFIBUS總線組建,具有良好的穩定性和可靠性;文獻[6]介紹了一款波蘭格丹斯克大學研究的針對輪式拖拉機的燃油消耗診斷系統,該系統通過DeviceNet總線完成數據采集工作,可以有效地診斷出有毒物質排放和燃料消耗。本文設計的腈綸紡絲生產線通訊網絡基于多層PROFIBUS網絡,結構相對復雜,能有效解決多生產線的協調運行問題,實際生產過程中具有良好的穩定性和可靠性。同時,在該通訊網絡的基礎上介紹了基于WinCC組態軟件的監控系統,可視化、集成式的組態過程大大提高了開發效率,減少了組態錯誤的發生。

1 通訊網絡設計

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

圖1 腈綸紡絲生產線生產工藝流程

1.1 通訊網絡的結構與組成

腈綸紡絲生產線通訊網絡如圖2所示,圖2中,1#～7#PLC為PLC控制站,PG/PC為工控機;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 腈綸紡絲生產線通訊網絡

該控制網絡分3層,第1層為監控級,第2層、第3層為現場級。監控級網絡主要實現硬件組態及程序的下載和監控數據的上傳,對通信速率要求不高且通信數據量相對不大,所以采用簡單經濟的MPI網絡。而現場級網絡要求PLC和現場分布式I/O設備之間實現快速循環數據交換,同時為了保證系統良好的可拓展性,更要求網絡服從國際化、開放式、不依賴生產商的現場總線標準,故采用高速經濟的PROFIBUS-DP網絡。其中,MPI網絡以7#PLC和PG/PC為網絡節點;PROFIBUS(7#)網絡以7#PLC為主站,17臺備用變頻器和6條生產線的PLC控制站為從站;每條生產線的PLC控制站通過自己的PROFIBUS-DP網絡分別控制17臺變頻器和4個分布式I/O站。

1.2 通訊網絡的組態

腈綸紡絲生產線控制系統通訊網絡組態采用西門子公司STEP7軟件編程,組態步驟如下:

(1) 打開STEP7軟件,新建STEP 7項目,在Options菜單下選擇Configure Network,打開“NetPro”窗口。可以看到窗口中已經有1條MPI網絡,于是再添加7條PROFIBUS網絡,分別命名為PROFIBUS(1#)～PROFIBUS(7#),網絡傳輸率全部設為187.5 kb/s。

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

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

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

本文主要介紹CPU通訊接口的設置，添加CPU317-2到機架的2號槽,可以看到其有MPI/DP和DP 2個通訊接口,然后分別對2個通訊接口進行設置。

MPI/DP接口的設置:雙擊MPI/DP,在“General”中設定接口類型為PROFIBUS,選擇PROFIBUS(7#)網絡,設定地址;在“Operating Mode”中選擇DP slave,最后單擊“OK”。

DP接口的設置:雙擊DP,在“General”中設定接口類型為PROFIBUS,選擇PROFIBUS(1#)網絡,設定地址,可以看到“Operating Mode”中默認選DP master,單擊“OK”即可。

此時可以看到DP接口連著PROFIBUS(1#)網絡,接著要為PROFIBUS(1#)網絡添加 4個IM153-1和17個TDS-PA01作為從站并設定地址。IM153-1根據需要添加I/O模塊,而17個TDS-PA01要根據變頻器機型添加PPO類型并設定通訊地址。最后保存硬件組態。

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

下面以1#PLC為例介紹PLC從站的添加與設置:先選中PROFIBUS(7#)網絡,在庫里查找CPU 31x,雙擊CPU 31x,出現的界面如圖3所示,在“Coupling”中選擇作為PROFIBUS(7#)網絡從站的1#PLC,單擊“Couple”,此時可以在“Configuration”中定義主從站的通訊地址,配置結果如圖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。

(5) 最后在“NeiPro”窗口中單擊“Save and Compile”快捷按鈕,如編譯無錯,通訊網絡便組態完成。

圖3 主從站建立通訊

圖4 主從站通訊地址

2 監控系統設計

為全面掌握生產線的運行狀態,本監控系統針對6條生產線分別設計了流程圖畫面、狀態欄畫面、趨勢畫面、頻率歸檔畫面、起停歸檔畫面和報警畫面,不同畫面之間可以相互切換。

2.1 集成式組態

WinCC(Windows Control Center)為視窗控制中心[8],它是由西門子公司開發的工業監控組態軟件,擁有豐富的圖形庫、工具箱和操作向導。由于采用可視化的組態方式,從而減少了軟件設計過程中的重復性工作,提高了開發效率,縮短了開發周期。而為了減少組態任務和減少組態錯誤的發生,本項目采用集成式組態方式,即在Step7項目中組態管理WinCC工程。集成式組態的步驟如下:

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

(2) 組態WinCC項目前,在7#PLC中為符號表變量和DB塊變量打上“傳輸標志”。

符號表變量:選中需要傳輸的變量,在右鍵菜單中選擇“Special Object Properties/Operetor Control and Monitoring”,然后選中“Operetor Control and Monitoring”復選框,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”復選框,最后單擊“Save”,完成DB塊的設置。接下來進到DB塊中進行變量的設置,先選中DB塊變量,在右鍵菜單中選擇“Object Properties”, DB塊變量參數設置如圖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“傳輸標志”的變量便在WinCC管理界面的“變量管理”中自動生成。

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

(4) 組態WinCC畫面。

圖5 DB塊變量參數設置

2.2 組態流程圖畫面

組態流程圖畫面截圖如圖6所示。

圖6 組態流程圖畫面截圖

圖6中,棍子和線以動畫模擬生產線的生產過程,直觀地反映生產線的運行狀況。

該畫面主要用狀態顯示這一智能對象來實現,每個棍子和每根線分別對應一個狀態顯示對象。狀態顯示對象的組態步驟如下:首先用畫圖軟件繪制素材,保存在項目目錄下,然后定義控制輥子和線狀態變化的內部變量,再編寫腳本程序控制輥子和線的狀態,最后在畫面上添加狀態顯示對象,打開對象的動態對話框設置內部變量為不同值時對應的動畫素材,最后保存設置。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棍子運行狀態變量(由7#PLC上傳),run1-1為控制F1棍子動畫素材切換的內部變量。程序的基本思想如下:首先判斷F1當前運行狀態,如果運行狀態無效,則run1-1不變(即保持顯示當前動畫素材),否則run1-1加1(即顯示下一個動畫素材),循環顯示12個素材。線的腳本程序和棍子類似,只是線的動態顯示會受制于前面若干工位的運行狀態。以F1和F2的線為例,F1的線是否動態顯示完全取決于F1的運行狀態,而F2的線不僅取決于自身的運行狀態,還取決于F1的運行狀態。

2.3 組態過程值歸檔畫面

趨勢畫面、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在歸檔數據庫中,可以使用歸檔數據表格和趨勢曲線視圖控件把歷史數據和實時數據顯示出來[8]。組態過程值歸檔畫面需要3個步驟:定義歸檔、添加歸檔數據顯示控件和啟動變量記錄系統。

(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個步驟:定義定時器、定義歸檔名稱、定義歸檔變量、定義歸檔屬性、定義變量屬性。組態趨勢畫面和頻率歸檔畫面需預先定義頻率歸檔變量,而起停歸檔畫面預先定義起停歸檔變量。

(2) 添加歸檔數據顯示控件。在趨勢畫面組態界面,在右邊的“對象選項板”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”,控件設置步驟相同。

(3) 啟動變量記錄系統。右鍵單擊WinCC管理界面的“計算機”,單擊下拉菜單中的屬性打開計算機屬性設置界面,打開“啟動”頁復選“變量記錄運行系統”。

2.4 組態報警畫面

組態WinCC的報警就是通過組態觸發消息事件促發報警,促發事件可以是一個位也可以是一個限制值,分別為開關量報警和模擬量報警。當報警發生時,可以以畫面、聲音等形式通知。本文設計的報警畫面主要針對故障信號,也就是開關量報警。組態報警畫面分定義報警、添加報警顯示控件、啟動報警記錄系統3個步驟。

(1) 定義報警。打開WinCC管理界面的“報警記錄”,在消息塊和消息類別中設置報警共同屬性,然后單擊“文件”菜單下“選擇向導”,選擇“系統向導”進入系統向導界面,完成向導后,單擊指定報警記錄界面下方表格的某行,定義單個消息屬性。

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

(3) 啟動報警記錄系統。右鍵單擊WinCC管理界面的“計算機”,單擊下拉菜單中的屬性打開計算機屬性設置界面,打開“啟動”頁復選“報警記錄運行系統”。

2.5 運行結果

1號生產線實際運行時F1～F5各工位變頻器頻率的趨勢如圖7所示。從圖7中可以看出,高低速切換時F1～F5各工位頻率等比例變化;其中一工位故障時快速停機,故障復位后又能快速跟蹤;達到指定速度時各工位平穩運行。

3 結 論

本文設計的腈綸紡絲生產線通訊網絡與監控系統采用西門子系列產品進行設計,開發效率高,具有一定的先進性和實用性,對于多生產線控制系統的構建有參考意義。現場運行結果表明,基于該通訊網絡實現的控制系統穩定可靠,能夠協調、高精度地實現對各個工位變頻器的控制,并能夠可靠實現故障時的備用,而且易于擴展,以適應生產工藝的要求。同時,直觀的流程圖畫面、各種設備的狀態畫面、各種重要數據的歸檔畫面以及友好互動的報警畫面賦予監控系統強大而全方位的功能,為操作人員快速定位故障、分析和管理生產線運行狀態提供了良好的平臺。

[1] 梁濤,楊彬,岳大為.Profibus現場總線控制系統的設計與開發[M].2版.北京:國防工業出版社,2013:1-2.

[2] 程楊,劉學平,占濤.一種基于MODBUS協議的工業控制系統設計[J].機械設計與制造,2011(1):1-3.

[3] 常曉明,段晉軍,孫斌,等.基于CANopen協議的工業機器人用軸伺服驅動系統的控制實現[J].儀表技術,2013(11):4-7.

[4] 張乃杰.CC-Link網在長治H型鋼自動化系統上的應用[J].中國儀器儀表,2010(4):42-43.

[5] GONZALEZ PEREZ I,CALDERON GODOY A J.Greenhouse automation with programmable controller and decentralized periphery via field bus[C]//IEEE International Conference on Mechatronics,2009:474-479.

[6] ARENDT R,MICHALSKI R.An application of simulation model of fuel consumption in diagnostic system of wheeled tractors[J].Transport Means,2013:110-113.

[7] 廖常初.S7-300/400PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2005:34-50.

[8] 張運剛,宋小春.PLC職業技能培訓及視頻精講-西門子STEP7[M].北京:人民郵電出版社,2010:635-652.

(責任編輯 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

合肥工業大學產學研校企合作資助項目(W2014JSK0398)

葛鎖良(1964-),男,江蘇丹陽人,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.007

TP273.1

A

1003-5060(2016)10-1331-05