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S7300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RS485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PROFIBUSDP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S7300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PROFIBUSDP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SIMATICWinAC。

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S7300现地控制单元与班组服务器的SoftPLCWinAC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ProfibusDP接口模块CP5611WinAC控制引擎通过ProfibusDP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。

3.1SIMATICWinAC

SIMATICWinAC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SIMATICWINAC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WindowsNT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VisualC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SIEMENSS7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。

3.3WinACOPC以及VisualC的关系

三者之间的关系见图2所示:

图2WinACOPC以及VisualC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

3.4OPC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VisualC

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OLEforProcessControl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ItemOPC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定义数据项OPC规范尽可能的隐藏了设备的特殊信息也使OPC服务器的通用性大大增强OPC数据项并不提供对外接口客户不能直接对之进行操作所有操作都是通过组对象进行的应用程序作为OPC接口中的Client方硬件驱动程序作为OPC接口中的Server方每一个OPCClient应用程序都可以接若干个OPCServer每一个硬件驱动程序可以为若干个应用程序提供数据OPCServerOPCGroupOPCItem层次之间的接口关系如图3所示

作为OPC客户程序它可以从其他OPC服务器程序中访问数据与DDE类似当实时数据库作为客户端访问OPC服务器程序时是将OPC服务器程序当作一个I/O设备数据库中的点参数通过I/O数据连接与OPC服务器程序进行数据交换。

图3OPC数据层次图

利用WinAC的OPC技术在本系统设计中的主要实现

􀂾记录实时过程的历史数据用于过程存档历史数据查询事故分析系统建模等连接各种现场的自控设备配以监控界面实现自动监控,通过数据库网络通讯功能构建分布式应用系统,运行在控制系统的上位机中在数据库上运行先进控制软件优化控制软件和其它用户应用程序在客户机上运行各种界面监控软件实现可扩展的先进控制或优化控制的目标连接现场控制系统和设备实现车间级分厂级及总厂级实时数据综合利用和管理配合关系数据库管理系统构建生产指挥调度系统及其它管控一体化系统,通过数据的Web功能利用Internet/Intranet资源在浏览器上访问生产过程数据。完全的开放功能以实时数据库为平台进行再次开发实际上OPC服务器本身就是一个可执行程序该程序以设定的速率不断地同物理设备进行数据交互OPC客户和OPC服务器进行数据交互采用异步方式主要是当有大量客户和大量数据交互时异步方式能提供高效的性能尽量避免阻塞客户数据请求并最大可能地节省CPU和网络资源。

4结束语

本控制系统采用PLCProfibusDP和软PLC等技术简化了硬件结构便于调试维护运输安装,适应性强WinAC是基于PC的自动化的完美解决方案SIMATICWinAC技术满足了快速实时的要求简化了通讯接口降低了编程工作量并且可以在线调试使编程调试简单方便大大加快了系统的开发进度同时降低了成本节省了安装空间SIMENS公司不仅为企业的管控一体化提供了坚实可靠的硬件平台更为重要的是她为企业实现BtoB的电子商务方式使企业能及时组织生产降低库存回避风险实现Just-In-Time管理。