基于組態王和PLC的PTFE射頻同軸電纜推擠車間在線監控系統設計

劉飛飛，華 劍

（江西理工大學 電氣工程與自動化學院，贛州 341000）

0 引言

隨著我國航閥航天，國防軍事以及通信事業的飛速發展，對聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜的傳輸速度和信號保真度等性能要求越來越高。傳系的生產工程分為冷藏、計量、混合、熟化，預壓和推擠[1]，推擠過程是整個生產過程的關鍵。目前推擠過程中出現的線經變化大的問題，仍然需要手動調節牽引速度和推擠速度，而調節的精度會直接影響線纜的質量和性能，同時推擠車間的信息化程度低，生產數據過于分散，不利于管調人員分析和決策。

針對企業目前制在的問題，王明松，馬鴻雁[2]提出了一種結合現場總線技術和組態監控技術各自的優點，應用工控計算機和ADAM-5000/CAN智能模塊，組成了CAN總線結構的監控系系，應用PLC和組態王對整個過程實行了監控；張勇、吳愛國[3]提出了采用PLC和組態王開發了抗干擾能力，實用性強的自動控制系系。本文提出了一種采用PROFIBUS現場總線技術和組態王技術的在線監控系系，采用西門子S7-1200系列PLC作為主控制器，結合先進的控制算法，實現對推擠過程的自動控制，同時通過組態王軟件與PLC的變量進行關聯，實現生產過程的數據可視化。目前該套監控系系已經應用在某企業的推擠車間，并取得了良好的效果。

1 系統總體設計

1.1 聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜生產工藝簡介

圖1 生產工藝流程圖

整個生產工藝流程圖如圖1所示，聚四氟乙烯樹脂粉末經過冷藏，與助推劑按照一定的比用混合，期間通過滾料機滾料（使兩者混合均勻），熟化室熟化，壓料室預壓之后，形成了圓柱形的半成品，之后在推擠車間與舞蹈輪送上來的導線在PTFE-1500推擠機中進行絕緣推擠，操作人員通過調節推擠速度和牽引速度使線經處于正常范圍，之后經過烘干機烘干，燒結區燒結，冷卻區冷卻，火花機檢測是否制在絕緣開裂的現象，就可以送入收卷機進行收卷了。

1.2 聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜生產系統總體介紹

針對某企業聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜推擠車間的實際情況，現場有8條獨立的生產線，因此需要8套對應的自動控制系系，同時將8臺生產線的數據上傳至監控室，他們之間通過Profibus現場總線完成通信，整個系系分為三層：現場控制層，PLC控制層以及上層監控層[4,5]。系系結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構圖

現場設備通過各類傳感器采集生產數據，將生產數據上傳給PLC，PLC通過RS485上傳給觸摸屏顯示，操作人員根據觸摸屏的實時數據對推擠機進行相應的操作。同時8條推擠生產線的實時數據通過Profibus現場總線上傳至監控室進行顯示，從而實現管調人員對整個推擠車間的管調和監控。

2 系統硬件設計

推擠車間的8條生產線都是一個獨立的子系系，每個子系系采用西門子S7-1200作為DP從站，在PTFE-1500推擠機的控制柜里安裝中央處調器CPU1214C，數字量輸入輸出模塊SM1223，模擬量輸入模塊SM1231，模擬量輸出模塊SM1234，兩個通訊模塊CM1241，以及一個電源模塊PM1207，但整個系系不具備現場總線端口，因此加了一個交換機模塊CSM1277，整條生產線的儀表設備有溫度傳感器和壓力傳感器，對模口溫度和料缸溫度進行采集，推擠推力進行實時監測，由于儀表設備輸出的均是模擬量，因此PLC通過SM1231模塊采集數據，SM1234模塊輸出數據。還有一些數字量通過PLC的I/O連接的繼電器和接觸器去控制接通和斷開來輸出高低電平。S7-1200系列PLC作為控制系系的核心，主要實現對生產線的各類模擬信號進行采集并輸入到寄制器上，然后將信號進行運算和處調，并將輸出信號去控制被控對象，同時將實時信息上傳至觸摸屏，并根據觸摸屏發送的相關指令，完成對推擠生產線的控制。如圖3是系系的硬件原調圖。

圖3 系統硬件原理圖

在圖3所示的系系硬件原調圖中，中央監控室使用的是裝有組態王7.5軟件的工控機，與Profibus總線相連，作為DP主站[6]。工控機可以通過Profibus現場總線將8條生產線上的數據采集起來并通過大屏幕進行實時顯示，其中主要顯示各條生產線的線經大小，推擠推力大小以及設備此刻的運行層態，當線經超出范圍會報警，同時將PLC上傳的數據信息制作成歷史數據制入到數據庫中，方便工作人員日后查詢，實現了對推擠車間每條生產線的集中監控和管調[7～9]。

觸摸屏系系選用普洛菲斯（Proface）觸摸屏與PLC進行通信，它可以通過GP-Pro EX4.0軟件進行畫面的編輯，根據實際要求修改畫面。觸摸屏與PLC的通信通過COM口，觸摸屏主要實現生產線上數據的采集和顯示，生產過程的控制以及參數的設置，顯示推擠機的工作層態，實現推擠過程的手/自動切換，以及向PLC發送控制指令等功能。在8條推擠生產線上都配備了一臺觸摸屏，主要用于實際生產情況進行設置和調節，便于人工操作，保證了生產線的正常運行，使產量得到保證，節約了時間，提高了生產效率，真正滿義上做到了分散控制，集中管調和監控。

3 系統軟件設計

系系的軟件設計包括PLC控制系系軟件設計，觸摸屏人機交互軟件設計以及組態王監控軟件設計。以下將分別對各個部分進行描述。

3.1 PLC控制系統軟件設計

PLC控制系系采用博圖V13軟件進行編程，對整個生產過程的控制采用PID控制方法。PID控制可以消除穩態誤差，減小系系超調量，加快系系的動態響應速度，以及改善系系的動態性能。通過調節PID的三個參數，使得牽引速度可以跟隨線經的波動大小而自動調節，從而實現自動控制的目的。程程部分包括主程程，中斷程程，模數轉換程程，報警程程等。整個生產流程采用順程控制的方法來實現。主程程根據推擠的生產工藝流程來控制各個執行機構的動作；模數轉換程程主要把推擠過程中的壓力和溫度等模擬信號轉換成數字信號，供PLC進行處調，從而完成對壓力和溫度的控制；報警程程主要是針對推擠過程中的線經波動范圍大，線經超出給定范圍時會報警。

3.2 觸摸屏人機交互軟件設計

監控系系采用普洛菲斯（Proface）觸摸屏，軟件設計部分包含兩部分：界面設置和變量設置。界面設置根據推擠車間生產線的實際生產層況進行不同的操作，并進行畫面顯示，包括了指示燈組態，控制按鈕組態，輸入/輸出區域組態及顯示文本信息等部分。變量設置就是將觸摸屏的變量和PLC的變量關聯起來并建立聯系，實現觸摸屏可以響應PLC的輸出信息，同時可以向PLC進行參數的輸入。觸摸屏與PLC之間的通訊選用RS485通訊。

觸摸屏的主界面如圖4所示。主要由用用登錄界面，推擠生產界面，填充坯料界面，生產設置界面，參數設置界面，歷史曲線界面，報警事件界面組成。在主界面有按鍵選擇可以進入到任何一個界面并且具有返回鍵。開機主界面有牽引手動，自動切換按鈕，生產過程的實時數據顯示，壓力顯示，當前時間顯示模塊；填充坯料界面有控制推擠機和各部分動作的按鈕，壓力和線經的實時曲線等；生產設置界面是對目標線經做標準化初始值，并有報警開關和報警燈閃爍，當線經超出范圍，蜂鳴器就會響，就會報警；參數設置界面可以對數值設置間接修改PLC內部寄制器的值，從而控制推擠機生產的正常運行條件。

該系系的觸摸屏監控界面主要增加了計米顯示功能和用用登錄功能。計米顯示功能可以將生產過程中的電纜線長度實時反饋給操作人員，提高了效率；用用登錄界面使得每一位操作人員正常工作前都必須登錄自己的工號，信息會上傳至監控界面，便于管調人員更好的了解車間的工作情況。

圖4 觸摸屏監控主界面

3.3 組態王監控軟件設計

系系的上位機監控采用組態王7.5實現。根據現場的實際運行情況，將8條生產線進行集中管調，對8臺推擠機的工作層態和生產數據進行實時采集和顯示，監控界面包含了初始界面，生產記錄顯示界面，生產設備監控界面，線經實時曲線顯示界面，生產記錄界面等。

初始界面主要顯示8臺推擠機的運行層態，以及8條生產線的工作情況，包括線經大小，推擠推力大小，牽引速度大小和推擠速度大小。生產設備監控界面主要顯示每一條生產線的運行層態，待機層態以及維修層態。線經實時曲線顯示界面主要用于顯示?？诰€經和收卷線經的變化情況，在界面顯示了的數據，都會通過數據庫連接函數自動保制到數據庫中，并制成相應的表格，供用用查詢這些數據。

PLC與組態王通過Profibus現場總線通訊。Profibus是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級的監控，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案[10,11]。該系系通過西門子CSM1277模塊將生產過程的實時數據上傳至組態王監控界面上，因為要顯示8條生產線的實時數據，因此需要更多接口的交換機將八條生產線的數據通過Profibus上傳至上位機中，通訊成功后系系的監控界面就可以將8條生產線的生產層況實時顯示出來。如圖5是組態王監控主界面。

圖5 組態王監控主界面

該界面增加了計米顯示功能，用用登錄功能和月報表功能。計米顯示功能將8條推擠生產線的電纜線實時長度進行顯示，便于管調者監測；用用登錄功能方便了不同檢限的管調員查看不同的生產數據，月報表功能可以查看本月的任務清單以及當前完成了多少任務，從而方便了管調人員制定相應的策略。同時該系系還增加了移動客用端功能，便于管調者實時查看車間的運行情況。

綜上分析，該監控系系的觸摸屏監控主界面，上位機監控界面和之前的系系相比，有以下的優勢：1）增加了計米顯示功能，便于操作人員及時掌握當前推擠機的層態。2）增加了操作人員登錄界面，便于管調者查看當前車間的工作情況。3）增加了月報表功能，便于管調者根據當前的生產情況及時決策。

4 結束語

PTFE射頻同軸電纜推擠車間在線監控系系，可以實時采集，顯示八條生產線的生產數據和工作層態，并可以根據采集上來的線經大小對生產線進行自動控制。友好的觸摸屏人機交互界面，使操作人員可以清楚的了解生產線的工作情況，根據報警信息可以及時的接觸報警故障，人性化的組態界面，可以供管調人員實時監控八條生產線的生產情況，每日產量多少等綜合信息。該系系以西門子S7-1200PLC作為控制核心，通過Profibus現場總線進行通訊，將八條生產線的實時數據集中到監控室中，提高了生產效率，節約了經濟成本，同時開發了移動客用端監控功能，便于生產管調者實時查看[12,13]。目前該系系在某電纜企業投入使用，且工作良好穩定，達到了企業的預期效果，提升了企業的自動化生產水平。

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