基于WinAC的橡胶加工厂管控一体化

1 开发背景与意义 　　在飞速发展的市场经济与信息的今天企业内外部信息的交换已不再局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制它需要把现场信息和管理信息结合起来通过对经营决策管理计划调度过程优化故障诊断现场控制等信息的综合处理形成一个意义更为广泛的综合管理系统管控一体化就是建立起企业这样全集成的开放的全厂综合自动化的信息平台湖北大兴橡胶制品厂是一大型的橡胶制品厂每年生产上万吨橡胶制品由于生产工艺控制不善原材料浪费较大一直无法实现利润的增长为提高该厂管理水平和企信息自动化水平助进企业节能将耗采用SIEMENS 公司的S7 300 型 PLC 及其相应的I/O 功能模块以及WinAC 套件将生产车间的现场控制信息和设备的工艺运行参数和设备本身的健康指标等信息无缝地连接到企业MIS 系统中实现了企业的管控一体化的改建。　 　 图1 橡胶硫化机组群控分布式结构图 2 分布式控制模式的系统构建 　　只有基于Web 的技术才能真正实现管控一体化管控一体化技术离不InternetIntranet 以及Infranet 技术如何将生产车间的现场控制信息设备的工艺运行参数和设备本身的健康指标等信息集成到企业管理信息中去是本系统设计的一大重点橡胶硫化机组群控结构设计遵循多功能灵活性的要求将整个网络分为三层设备层班组层以及车间MIS 层要实现企业管控一体化就必须有一种能在工业现场环境下运行性能可靠造价及维护费用低廉的通信系统形成企业底层网络Infranet 以完成现场设备之间的数字通信进一步实现与管理层网络之间的信息交换目前计算机网络的飞速发展测控系统的研究重点已集中在远距离可靠数据通信方式的研究上以往国内传统的工业测控系统通信方式BITBUS 和RS 485 其效率较低灵活性差尤其是错误处理能力不强远不能满足长距离大范围内测控系统通信的需要而基于现场总线技术的现场总线控制系统(FCS)已成为数字化企业网络化的基础FCS 不需要一个中央控制单元来集中控制和操作而是通过智能现场设备来完成控制和通信任务可较好地解决实时控制和现场信号的网络通信PROFIBUS 作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准是一种开放式通讯系统工业标准PROFIBUS 是目前国际上唯一的具备较成熟的安全方案的现场总线技术具有非常灵活的模块配置性能数据传输速度最高可达12Mbps/100m 故本系统采用PROFIBUS 系列中广泛应用于现场设备的PROFIBUS-DP 总线,橡胶硫化机组监控系统采用分布式计算机监控管理方式各个现地控制单元可以独立按照硫化工艺控制参数与运行并将采集到的温度各种运行状态量以及电机的运行健康状态等信息通过PROFIBUS 总线上传到班组服务器以备工作人员监视监控操作人员可通过PROFIBUS 将必要的控制参数下传到各个现地控制单元调整控制和工艺参数同时为备现地操作每个现地监控单元均有手动/自动按钮实现现地和远控两种操作以提高整个系统的可靠性安全性以及运行的经济性为便于与整个橡胶加工厂的监控系统进行系统互联实现企业管控一体化班组服务器还通过Ethernet 经厂数据交换机与厂MIS 系统互联橡胶硫化机组群控分布式结构图见图1 所示由上位工控机和基于PROFIBUS 的现场智能节点及其I/O 功能模块构成典型的现场总线控制系统PROFIBUS DP 现场总线的主控模块选用了SIEMENS 的基于WindowsNT 的软PLC 解决方案――WinAC 这样系统上位机既作为PLC 的软控制器,承担远程控制功能又作为监控管理计算机同时还可进行新工艺组态实现一机多用。 　　Infranet 层由以SIEMENS 的S7 300 系列PLC 功能模块为主的4 个控制单元组成每个控制单元的输入输出模块通道都设有冗余便于功能扩展和维护同时具有手动/自动两种操作模式便于脱离上位机独立操作上位机和各控制单元之间通过PROFIBUS DP 总线实现数据传送由于系统设计为一分布式的监控系统每个现地控制单元均可独立于上位机运行将危险分散维护方便提高可靠性符合橡胶厂分布式控制和模块化设计思想且在工艺成熟后的生产扩大化过程中,可直接套用本控制系统的软硬件方案,缩短工业扩大化周期,提高企业的竞争力现地单元选用的控制模块和作用见表1 所示班组服务器的SoftPLC采用SIMATIC WinAC。 　　表1 现地单元选用的控制模块及其作用 为了使控制系统更加可靠同时为了提高三相异步电机的执行效率采用了基MicroMaster420 变频器该变频器特别适合大力矩电机的拖动我们曾采用台湾一家著名的变频器生产公司的变频器系统运行时故障不断尤其是其保护能力较差导致故障频繁后改用了MicroMaster420 变频器后系统运行一直比较稳定采用三相380V 交流输入9.7kW 其独特的自我保护能力如下： 　　过载能力为150 额定负载电流持续时间60 秒 　　过电压欠电压保护 　　变频器过温保护 　　接地故障保护短路保护 　　I2t 电动机过热保护 　　采用PTC 通过数字端接入的电机过热保护 　　采用PIN 编号实现参数连锁 　　闭锁电机保护防止失速保护整个监控系统的特性为所有S7 300 现地控制单元与班组服务器的SoftPLC WinAC 采用ProfibusDP 进行数据通信使系统网络拓扑图结构清晰易于维护。 　　由于系统采用了网络及现场总线传递过程数据多种信息的交换仅依靠网缆或屏蔽双绞线即可完成这样就大量减少了系统施工时的布线工作量也为今后系统的维护及故障查找提供了方便过程参数的数字化传递避免了模拟量传输所带来的漂移抗干扰等问题大大提高了系统的稳定性。 　　若今后机组工艺设备发生变更只需要在总线上增添或摘除相应节点并对软件作少量修改即可所以这种柔性的系统连接方式具有一定的适应性可以最大程度地保护用户的投资。 　　3 基于WinAC 和OPC 的控制系统软件设计 　　为了实现WinAC 的功能在班组服务器上安装一块Profibus DP 接口模块CP5611 WinAC 控制引擎通过Profibus DP 接口模块CP5611 与分布式控制器进行数据通信完成数据采集分析控制 PC 与PLC 之间的通信等任务。 　　3.1 SIMATIC WinAC 　　SIMATIC WinAC 的功能不仅实现了在PC 上实现PLC 的功能同时它将PLC 与PC 间实现完美的集成将控制数据采集通讯人机界面及其它技术完整地结合一起集成于一台PC 机上SIMATIC WINAC 与S7 系列处理器完全兼容其编程采用统一的SIMATIC 编程工具程序既可以用于WINAC 也可用于S7 系列处理器仅从其兼容性和通用性而言对熟知SIMATIC 技术的人来讲无需重新学习便能充分掌握并应用更何况其亲切友好的操作界面更使人倍感亲切另外基于PC 的自动化与标准办公系统可共享标准PC 技术Windows NT 操作系统和TCP/IP 通讯标准因而是控制系统与高端管理系统的理想接口基于PC 的自动化是复杂控制和在空间上分散的自动化系统的最优化系统 　　3.2 系统软件设计思路与特点 　　系统软件的设计采用基于面向对象的设计方法控制功能采用软PLC 解决方案WinAC,均集中在班组服务器中进行完全由计算机来实现数据采集控制和管理其特点如下: 　　WinAC 将控制数据采集通讯人机界面及其它技术完整地集成在一台PC 机上,能满足中试装置硬件精炼功能完善的要求。 　　WinAC 与SIMATICS7 系列PLC 控制器完全兼容其编程采用统一的SIMATIC 编程工具编制的程序既可使用于WinAC 也可用于S7 系PLC 控制器有利于系统的更新和扩充。 　　WinAC 提供了ActiveX 控件使得Windows 下的标准应用程序可更非常简便地获取过程数据更为重要的是WinAC 还提供了用于诊断显示及运算的ActiveX 控件系统上位监控软件采用Microsoft 公司的Visual C 而WinAC 作为系统的OPC服务器为基于WindowsNT 的监控软件提供实时数据这些功能极大地扩大了使用的灵活性为系统的功能扩展带来了很大的空间WinAC 中的WinLC 即为软件PLC控制程序在WinLC 中参数设定好后就可像使用常规PLC 的CPU 模块一样使用WinAC 的控制程序采用SIEMENS S7 系列可编程序控制器的标准编程工具STEP7 编制然后下载到WinAC 中PLC 程序设计中结合STEP7 的特点利用其中的采用模块化程序设计对常用的程序段用或实现使程序清晰易懂便于调试由于STEP7 不是面向对象的程序设计语言在具体编程时借鉴面向对象的程序设计思想便可实现面向对象的程序设计中的数据和代码的分开简化了设计程序的工作量。 　　3.3 WinAC OPC 以及Visual C 的关系 　　三者之间的关系见图2 所示： 图2 WinAC OPC 以及Visual C 的关系 图片3说明在整个系统中PC 与现场总线和分布式I/O 的优点表现为简化了系统的体系网络结构和设备设计提高了系统的通讯效率降低了硬件和备件投资易于调试和维护同时充分利用PC 中CPU 超强功能WinAC 控制器在数据处理 用户算法和多回路调节的控制任务中的特点基于PC 的一体化设计大大提高了控制器人机界面和网络部件的数据交换速度同时与传统的PLC 解决方案相比 SIMATIC 基于PC 的自动化有明显的性能价格优势 　　3.4 OPC 服务器 　　WinAC 内嵌了实时OPC 服务器使用WinAC_OPC 服务器用户的OPC 客户机应用程序如人机界面软件数据存取等可以完全存取WinAC 控制引擎中的数据利于客户与Visual C 　　编程工具的无缝连接主要是WinAC 借助兵使用了Microsoft_DCOM 分布式组件技术这正是WinAC 独特之处为客户编程提供了极大的方便OPC 是OLE for Process Control的缩写即把OLE 应用于工业控制领域OPC 服务器由三类对象组成相当于三种层次上的接口服务器erver 组Group 和数据项Item OPC 客户对设备寄存器的操作都是通过其数据项来完成的通过