摘要： 為積極推進(jìn)企業(yè)管控一體化建設(shè)的進(jìn)程，運(yùn)用分布式的設(shè)計(jì)思想，采用SIEMENS公司的S7－300型PLC及其相應(yīng)的功能I/O模塊、基本型MicroMaster420變頻器、基于PC的SoftPLC的解決方案－WinAC為湖北大興橡膠廠研制一套分布式的橡膠硫化機(jī)組群控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、可擴(kuò)充性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的推廣和參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞： PLC WinAC 分布式控制 管控一體化 1、開發(fā)背景與意義 在飛速發(fā)展的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與信息的今天，企業(yè)內(nèi)外部信息的交換已不再局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，它需要把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來，通過對(duì)經(jīng)營決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更為廣泛的綜合管理系統(tǒng)，管控一體化就是建立起企業(yè)這樣全集成的、開放的、全廠綜合自動(dòng)化的信息平臺(tái)。湖北大興橡膠制品廠是一大型的橡膠制品廠，每年生產(chǎn)上萬噸橡膠制品，由于生產(chǎn)工藝控制不善，原材料浪費(fèi)較大，一直無法實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)的增長(zhǎng)，為提高該廠管理水平和企業(yè)信息自動(dòng)化水平，助進(jìn)企業(yè)節(jié)能將耗，采用SIEMENS公司的S7－300型 PLC及其相應(yīng)的I/O功能模塊以及WinAC套件將生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)控制信息和設(shè)備的工藝運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備本身的健康指標(biāo)等信息無縫地連接到企業(yè)MIS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的管控一體化的改建。 2、分布式控制模式的系統(tǒng)構(gòu)建 只有基于Web的技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)管控一體化，管控一體化技術(shù)離不開Internet、Intranet以及Infranet技術(shù)，如何將生產(chǎn)車間的現(xiàn)場(chǎng)控制信息、設(shè)備的工藝運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備本身的健康指標(biāo)等信息集成到企業(yè)管理信息中去，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大重點(diǎn)。橡膠硫化機(jī)組群控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循“多功能、靈活性”的要求，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為三層：設(shè)備層、班組層以及車間MIS層。 要實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化，就必須有一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)行、性能可靠、造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用低廉的通信系統(tǒng)，形成企業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)Infranet，以完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的數(shù)字通信，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與管理層網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，測(cè)控系統(tǒng)的研究重點(diǎn)已集中在遠(yuǎn)距離可靠數(shù)據(jù)通信方式的研究上，以往國內(nèi)傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)通信方式：BITBUS和RS－485，其效率較低，靈活性差，尤其是錯(cuò)誤處理能力不強(qiáng)，遠(yuǎn)不能滿足長(zhǎng)距離、大范圍內(nèi)測(cè)控系統(tǒng)通信的需要。而基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)已成為數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。FCS不需要一個(gè)中央控制單元來集中控制和操作，而是通過智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來完成控制和通信任務(wù)，可較好地解決實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)通信。PROFIBUS作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲國家標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放式通訊系統(tǒng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PROFIBUS是目前國際上唯一的具備較成熟的安全方案的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，具有非常靈活的模塊配置性能，數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)12Mbps/100m，故本系統(tǒng)采用PROFIBUS系列中廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的PROFIBUS-DP總線。 橡膠硫化機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理方式，各個(gè)現(xiàn)地控制單元可以獨(dú)立按照硫化工藝控制參數(shù)與運(yùn)行、并將采集到的溫度、各種運(yùn)行狀態(tài)量以及電機(jī)的運(yùn)行健康狀態(tài)等信息通過PROFIBUS總線上傳到班組服務(wù)器，以備工作人員監(jiān)視，監(jiān)控操作人員可通過PROFIBUS將必要的控制參數(shù)下傳到各個(gè)現(xiàn)地控制單元，調(diào)整控制和工藝參數(shù)。同時(shí)，為備現(xiàn)地操作，每個(gè)現(xiàn)地監(jiān)控單元均有手動(dòng)/自動(dòng)按鈕，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地和遠(yuǎn)控兩種操作，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、安全性以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為便于與整個(gè)橡膠加工廠的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化，班組服務(wù)器還通過Ethernet經(jīng)廠數(shù)據(jù)交換機(jī)與廠MIS系統(tǒng)互聯(lián)。 橡膠硫化機(jī)組群控分布式結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。由上位工控機(jī)和基于PROFIBUS的現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)及其I/O功能模塊構(gòu)成典型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線的主控模塊選用了SIEMENS的基于WindowsNT的軟PLC解決方案――WinAC。這樣系統(tǒng)上位機(jī)，既作為PLC的軟控制器,承擔(dān)遠(yuǎn)程控制功能，又作為監(jiān)控、管理計(jì)算機(jī)，同時(shí)還可進(jìn)行新工藝組態(tài)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

圖1：橡膠硫化機(jī)組群控分布式結(jié)構(gòu)圖

Infranet層由以SIEMENS的S7－300系列PLC功能模塊為主的4個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元的輸入輸出模塊通道都設(shè)有冗余，便于功能擴(kuò)展和維護(hù)，同時(shí)具有手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作模式，便于脫離上位機(jī)獨(dú)立操作。上位機(jī)和各控制單元之間通過PROFIBUS DP總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一分布式的監(jiān)控系統(tǒng)，每個(gè)現(xiàn)地控制單元均可獨(dú)立于上位機(jī)運(yùn)行，將危險(xiǎn)分散，維護(hù)方便，提高可靠性，符合橡膠廠分布式控制和模塊化設(shè)計(jì)思想，且在工藝成熟后的生產(chǎn)擴(kuò)大化過程中,可直接套用本控制系統(tǒng)的軟硬件方案,縮短工業(yè)擴(kuò)大化周期,提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?，F(xiàn)地單元選用的控制模塊和作用見表1所示。班組服務(wù)器的SoftPLC采用SIMATIC WinAC。

為了使控制系統(tǒng)更加可靠，同時(shí)為了提高三相異步電機(jī)的執(zhí)行效率，采用了基本型MicroMaster420變頻器。該變頻器特別適合大力矩電機(jī)的拖動(dòng)，我們?cè)捎门_(tái)灣一家著名的變頻器生產(chǎn)公司的變頻器，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)故障不斷，尤其是其保護(hù)能力較差，導(dǎo)致故障頻繁，后改用了MicroMaster420變頻器后，系統(tǒng)運(yùn)行一直比較穩(wěn)定。采用三相（380V）交流輸入，9.7kW；其獨(dú)特的自我保護(hù)能力如下： ? 過載能力為150％額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間60秒； ? 過電壓、欠電壓保護(hù)； ? 變頻器過溫保護(hù)； ? 接地故障保護(hù)，短路保護(hù)； ? I2t電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)； ? 采用PTC通過數(shù)字端接入的電機(jī)過熱保護(hù)； ? 采用PIN編號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)連鎖； ? 閉鎖電機(jī)保護(hù)，防止失速保護(hù)。 整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的特性為： ? 所有S7－300現(xiàn)地控制單元與班組服務(wù)器的SoftPLC－WinAC采用Profibus－DP進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)； ? 由于系統(tǒng)采用了網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線傳遞過程數(shù)據(jù)，多種信息的交換僅依靠網(wǎng)纜或屏蔽雙絞線即可完成，這樣就大量減少了系統(tǒng)施工時(shí)的布線工作量，也為今后系統(tǒng)的維護(hù)及故障查找提供了方便。 ? 過程參數(shù)的數(shù)字化傳遞，避免了模擬量傳輸所帶來的漂移、抗干擾等問題，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 ? 若今后機(jī)組工藝、設(shè)備發(fā)生變更，只需要在總線上增添或摘除相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)軟件作少量修改即可。所以這種柔性的系統(tǒng)連接方式具有一定的適應(yīng)性，可以最大程度地保護(hù)用戶的投資。 3、基于WinAC和OPC的控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2：WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關(guān)系

為了實(shí)現(xiàn)WinAC的功能，在班組服務(wù)器上安裝一塊Profibus DP接口模塊CP5611，WinAC控制引擎通過Profibus DP接口模塊CP5611與分布式控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)采集、分析控制、 PC與PLC之間的通信等任務(wù)。 3.1 SIMATIC WinAC SIMATIC WinAC的功能不僅實(shí)現(xiàn)了在PC上實(shí)現(xiàn)PLC的功能，同時(shí)它將PLC與PC間實(shí)現(xiàn)完美的集成，將控制、數(shù)據(jù)采集、通訊、人機(jī)界面及其它技術(shù)完整地結(jié)合一起，集成于一臺(tái)PC 機(jī)上。SIMATIC WINAC與S7 系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC 編程工具，程序既可以用于WINAC 也可用于S7 系列處理器。僅從其兼容性和通用性而言，對(duì)熟知SIMATIC 技術(shù)的人來講，無需重新學(xué)習(xí)便能充分掌握并應(yīng)用。更何況其親切友好的操作界面，更使人倍感親切。另外基于PC 的自動(dòng)化與標(biāo)準(zhǔn)辦公系統(tǒng)可共享標(biāo)準(zhǔn)PC 技術(shù)、Windows NT 操作系統(tǒng)和TCP/IP 通訊標(biāo)準(zhǔn)，因而是控制系統(tǒng)與高端管理系統(tǒng)的理想接口?；赑C 的自動(dòng)化是復(fù)雜控制和在空間上分散的自動(dòng)化系統(tǒng)的最優(yōu)化系統(tǒng)。 3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路與特點(diǎn) 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，控制功能采用軟PLC解決方案WinAC,均集中在班組服務(wù)器中進(jìn)行，完全由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制和管理，其特點(diǎn)如下: ? WinAC將控制、數(shù)據(jù)采集、通訊、人機(jī)界面及其它技術(shù)完整地集成在一臺(tái)PC機(jī)上,能滿足中試裝置硬件精煉、功能完善的要求 ； ? WinAC與SIMATICS7系列PLC控制器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具，編制的程序既可使用于WinAC，也可用于S7系列PLC控制器，有利于系統(tǒng)的更新和擴(kuò)充； ? WinAC提供了ActiveX控件，使得Windows下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序可更非常簡(jiǎn)便地獲取過程數(shù)據(jù)。更為重要的是：WinAC還提供了用于診斷、顯示及運(yùn)算的ActiveX控件； ? 系統(tǒng)上位監(jiān)控軟件采用Microsoft公司的Visual C＋＋，而WinAC作為系統(tǒng)的OPC服務(wù)器，為基于WindowsNT的監(jiān)控軟件提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些功能極大地?cái)U(kuò)大了使用的靈活性，為系統(tǒng)的功能擴(kuò)展帶來了很大的空間。WinAC中的WinLC即為軟件PLC控制程序，在WinLC中參數(shù)設(shè)定好后，就可像使用常規(guī)PLC的CPU模塊一樣使用。WinAC的控制程序采用SIEMENS S7系列可編程序控制器的標(biāo)準(zhǔn)編程工具STEP7編制，然后下載到WinAC中。PLC程序設(shè)計(jì)中，結(jié)合STEP7的特點(diǎn)，利用其中的ＦＢ、ＦＣ，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，對(duì)常用的程序段用ＦＢ或ＦＣ實(shí)現(xiàn)，使程序清晰易懂，便于調(diào)試。由于STEP7不是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，在具體編程時(shí)借鑒面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，便可實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)和代碼的分開，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程序的工作量。 3.3 WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關(guān)系 三者之間的關(guān)系見圖2所示。

圖3： OPC 數(shù)據(jù)層次圖

在整個(gè)系統(tǒng)中，PC與現(xiàn)場(chǎng)總線和分布式I/O的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計(jì)、提高了系統(tǒng)的通訊效率、降低了硬件和備件投資，易于調(diào)試和維護(hù)，同時(shí)充分利用PC 中CPU超強(qiáng)功能，WinAC控制器