PLC網絡控制系統在光纖材料自動化生產線中的應用

邵明強，王嘉禾，張勝超，秦衛光

（久智光電子材料科技有限公司，河北 065001）

PLC網絡控制系統在光纖材料自動化生產線中的應用

邵明強，王嘉禾，張勝超，秦衛光

（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線設計，采用網絡型PLC控制器、網絡型伺服系統、組態軟件、工控機、網絡服務器及多種傳感器等元件組成網絡型控制系統，討論其在自動化光纖材料生產線中的應用。實現生產線的電源系統自動匹配，運動機構自動化，喂料及氣路系統、水循環系統自動調節，故障自診斷等功能。并與上位機、服務器等數據通訊，實現在線檢測、遠程控制及數據統計，提高石英材料生產線自動化水平和安全性。

網絡控制系統；PLC；組態軟件；服務器；光纖材料

0 引言

我國工業自動化進程近年來取得了飛速發展，自動化、智能化設備及控制系統大幅度降低制造業的生產成本，顯著提高了產品質量。石英玻璃生產諸如光纖材料生產也在逐步向自動化方向發展。但對于復雜的光纖材料生產工藝，目前仍然存在自動化程度較低的現象，其主要原因是生產設備的單機化[1]，控制系統在設計時相對獨立，數據信息無法有效收集利用。

光纖材料生產過程往往對生產設備的輔助系統、運行機構的自動化程度以及生產數據的收集處理具有較高的要求。傳統依靠操作人員的經驗和自主性進行生產操作、手動收集數據的生產方式，既不可靠，也不安全，無法有效控制產品質量和縮減生產成本。光纖材料生產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]，其生產線系統由電源整流和高頻發生系統、喂料系統、氣路系統、水循環系統和運動機構等組成。

1 網絡型控制系統結構及功能

1.1 系統結構

在光纖材料生產線的網絡型控制系統中[1]，采用工業控制網絡實現通訊，以達到布線靈活、易于診斷設備故障，實現企業化管理的設計目標。在控制系統中加入服務器等中央控制單元，以實現總體的在線檢測、遠程控制和數據收集。

整個控制系統結構如圖1所示。該網絡控制系統采用三層網絡結構，從上至下依次為：信息層（工業以太網，用于實現服務器、工控機、管理計算機之間的通訊）、控制層（工業以太網，用于實現PLC間、以及PLC與工控機之間的通訊）、設備層（工業以太網及現場總線，用于實現現場傳感器、執行機構與PLC間的通訊）。安裝于電源控制柜、設備控制柜中的PLC可實現對電源及現場設備的控制。PLC之間以及PLC與工控機之間采用控制層工業以太網通訊，PLC與現場設備之間采用設備層工業以太網以及現場總線通訊，工控機、服務器、管理計算機之間采用工業以太網進行通訊。

1.2 控制功能

光纖材料生產過程中石英材料的熔化質量至關重要，熔化質量主要反映在溫度等參數上[2]，合適的能源提供是熔化溫度的重要保障。區別于人員經驗的隨機性能源調節機制，網絡型控制系統將溫度傳感器監測的熔化溫度參數傳輸到設備控制柜中的PLC，再經工控機的處理，傳輸到電源設備控制系統，電源設備實時做出相應的調整，匹配出最佳的能源供應，以此實現溫度與電源的閉環控制。同時，在生產設備處于加工閑時階段，自動降低到最低能源輸出水平，達到有效控制產品質量和提高能源利用率的目的。

為保證設備正常運行，水冷循環系統是光纖材料生產線電源設備及主要元器件如三極管、槽路電容降溫的常規手段。設備運行時由于元件差異及運行狀態差異，各部分發熱量不同，水冷系統管路中水流量、壓力、溫度等具有很大差異。網絡型控制系統在光纖材料生產線中通過設備傳感器對水冷管路中流量、溫度、壓力的檢測，由設備控制柜中PLC做出判斷，將數據傳輸至水路控制系統，自動調節流量、壓力參數，維持冷卻溫度在可控范圍；通過對水路傳感器參數的連續監測，經過多級網絡通訊，自診斷設備故障，及時將故障信息反饋到控制臺，保證良好的設備運行狀況。

光纖材料中的雜質含量是衡量產品質量的重要指標[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節引入雜質。通過系統對喂料系統的監測，實時顯示喂料系統的狀態，自動進行補料和喂料工序，降低雜質引入幾率，提高原料利用率。

隨著電子行業及工業的迅猛發展，越來越多的傳感器元件，執行機構等也具備工業以太網功能，結合現場總線的布線方式，可有效的降低現場走線的復雜程度，同時為長距離通訊控制提供解決方案。例如具有Ethernet/IP通訊協議的伺服控制系統，具有強大的網絡編程功能和數據傳輸機制，降低了PLC編程難度，同時數字化的參數設置也為系統調試帶來極大方便。光纖材料生產中的基礎管的位移、原料沉積等位置、速度參數，可以按照PLC程序的指令控制運動機構的運行精度，達到嚴格控制產品外觀尺寸的目的。

在整個網絡控制系統的頂層，生產數據的收集與管理，企業成員對數據的訪問以及遠程控制，通過網絡服務器統一調度。網絡服務器、企業計算機與各工控機通過信息層工業以太網互相鏈接，經由三層通訊網絡，設備最末端的元件的運行數據也能夠有效收集，通過企業管理平臺加以處理和利用。

實時在線監測功能提供設備運行狀況的信息和參數，通過工控機程序以及現場控制器綜合判定，實現設備故障自診斷功能，大大降低故障聯發概率和故障排除難度。通過頂層服務器可實現中央控制功能，讓操作人員遠離生產現場就可掌握生產狀況，并且隨時做出調整，大大提高光線材料生產的安全性。企業成員也能夠通過該層結構獲取生產信息，以作數據分析處理使用。

圖1 網絡控制系統結構圖

2 軟件程序設計

2.1 PLC控制程序設計

網絡型PLC以其參數設置簡單、布線靈活、通訊穩定等特性，越來越多的被自動化控制領域所采用。如圖2所示的OMRON SYSMAC CJ2M-EIP系列PLC的以太網參數設置界面，規劃PLC的IP地址并設置好其他參數后，PLC就能與其他支持以太網協議的傳感器等元件以該IP地址進行以太網協議通訊。

圖2 PLC以太網設置圖

要使PLC與PLC之間，PLC與傳感器等原件之間建立聯系，可以根據需要編寫一種通訊協議，基于支持網絡通訊協議的PLC及傳感器，可以在以太網通訊協議基礎上進行設置。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地址的規劃和數據讀寫區域的分配，可以方便的建立網絡控制系統中的PLC與PLC之間、PLC與網絡型伺服系統之間等支持EtherNETIP協議的元件之間的聯系。

圖3 網絡型PLC以太網協議設置圖

PLC之間建立連接之后，可以通過PLC數據存儲區的數據交換，實現數據信息的交互。數據交換支持包括BOOL、CHANNEL、INT、WORD、STRING、REAL、UINT-BCD等多種數據格式。如圖4所示的是一種網絡型PLC實現數據交換的編程實例。

圖4 網絡型PLC數據通訊編程實例圖

2.2 人機交互程序設計

人機交互界面或者人機交互程序一般安裝在工控機，是操作人員與設備交互的接口。人機交互軟件監測與采集設備將各項參數通過交互界面展現給操作人員，操作人員利用交互軟件進行參數設置或調整，同時，人機交互軟件的設計、宏功能的調用，還可以使設備按照預先指令進行自動管理和自我診斷。

工業控制中，人機交互的實現方式有很多，其中組態軟件以其二次開發難度低、擴展性好和接口豐富的特點，被工業控制中廣泛采用。組態王軟件與OMRON系列的網絡型PLC控制器之間的連接設置如圖5所示。

圖5 組態王與OMRON系列PLC連接設置圖

2.3 服務器軟件設計

服務器處在網絡控制系統的頂層，通過各分系統的工控機對整體系統的數據進行收集、整合。軟件設計開放性比較強，可根據需求選用C/C++、Java、PHP、C#等編程語言進行開發。軟件編程可實現數據表格匯總、數據模型整合與分析，定向檢索，數據導入與導出等功能。通過軟件接口，可連接企業成員計算機，進行遠程訪問和控制。網絡控制系統結構還可以與生產的其他管理平臺結合，如原材料管理平臺，加工過程管理平臺以及物流系統管理平臺等，形成產品從原材料到成品的全程監控與管理。

3 結束語

采用網絡控制系統的光纖材料生產線，從生產的電源自動匹配、運行機構的自動化、喂料系統和水循環系統的調節、生產過程的監控以及數據信息的整合等方面能夠提高光纖材料生產線的自動化程度。利用工業自動化生產方式和管理方式，能夠從能源、原材料、設備使用壽命和工藝控制等角度降低光纖材料的生產成本，提高光纖材料的產品質量。

[1] 劉俊美.PLC控制系統的設計與安裝[J].中華紙業,2007,28(11)：47-48.

[2] 楊軼,孫建華,張文俊,孫麗麗,秦衛光,劉曉光.天然石英砂制造通信光纖的研究[J].2015,(2)：31-34.

[3] 方清城,華路光,羅忠良.PLC網絡控制系統的研究[J].機床與液壓,2009,37(07)：168-170.

[4] 吳海章.PLC網絡控制系統的實現[J].才智,2010(29)：27.

[5] 徐皚冬,王宏,楊志家.基于以太網的工業控制網絡[J].信息與控制.2002(02)：182-186.

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

光纖預制棒用大尺寸石英套管產業化項目資助（17041106Z）

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