基于PROFIBUS-DP的并条机网络监控系统

2006-12-30　　　来源：中国自动化网　　　浏览：147 １　引言
    并条是纺织过程中重要工序。并条机自动控制系统主单机控制。旧机型多采用仪表加继电器控制结构,系统稳定性较差,人为主观因素大,成品率低,产品质量差,系统运行和维护成本高。现一些先进并条机采用了性能高PLC控制，但仍然难以实现设备与外界之间信息交换。这就使单机自动化系统成为典型“信息孤岛”，提高并条工艺效益我们就必须利用先进自动化技术和信息化技术进行车间设备改造管理信息化改造。为此,我们采用PROFIBUS-DP现场总线构造并条机控制系统网络,使系统具有开放性高、布线安装方便、运行和维护成本低优点,同时提高了系统智能化和自动化程度,使整个系统控制水平到了大大提高。

２系统要求
    某纺织集团有限公司要求对其并条车间34台并条机技术改造，增加了各机台自调匀整功能，实现车间生产调度全集中监控。中央控制室主计算机上运行监控软件可以显示整个车间生产工艺图，动态显示所有设备，仪表状态及参数等生产流程监控。对重要参数进行趋势图跟踪，系统报警等。该系统也可以进行现场设备控制及对有关参数进行修改，实现企业生产过程集中调度。
３系统设计与实现
    上述要求选择控制网络结构时，着重研究了目前流行DCS和FCS优、缺点，从实现可能性、性能价格比、维护方便程度、系统扩容性等众多方面考查，最后选定FCS，以PROFIBUS为基础，用SIEMENSS7-200系列PLC和WINCC组态软件组成分布式监控网络。
3.1 PROFIBUS-DP现场总线技术
    PROFIBUS是由SIEMENS公司推出一种开放式现场总线标准，1989年成为德国标准DIN19245，1996年成为欧洲标准EN50170，1999年12月被接受为国际标准IEC61158一部分[1]。用于工厂自动化系统三级网络中底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制;使用于分散、具有通讯接口现场受控设备对底层设备有较高数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求系统。  
    PROFIBUS遵循ISO/OSI模型，其通信模型由三层构成:物理层、数据链路层和应用层。PROFIBUS提供了3种协议类型：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA。另外，西门子PLC系统，PROFIBUS提供了两种优化了通信方式：S7通信和S5兼容通信[2]。其中PROFIBUS-DP是一种高速、经济设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间通信，使用物理层，数据链接层和用户接口，用于现场层高速数据传送。主站周期读取从站输入信息并周期向从站发送输出信息。总线循环时间必须要比主站程序循环时间短。此外，PROFIBUS-DP还提供智能化现场设备所需非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备运行中参数确定。
３．２系统网络结构
    我们设计系统网络结构如图1所示。网络采用PROFIBUS-DP网络单主站系统,以配置了CP5613卡工控机作为上位机实现对系统监控管理;以CP5613卡作为主站，决定总线传输速率并分配每个从站网络址;以34个分布各个工作现场S7-200PLC (CPU224)作为从站,负责现场信息采集并向主站发送有关信号,以及具体执行控制命令。S7-200PLC利用EM277 PROFIBUS－DP模块DP端口同CP5613卡屏蔽双绞线相连,构成整个PROFIBUS－DP现场总线网络。另外一个S7-200 PLC作为控制网络中一个节点（即DP从站）控制一台并条机,它运行状态并不影响网络及其它节点运行。也用它自带RS485接口与TP170相连，以完成对现场设备控制。TP170与S7-200 PLC采用PPI通信方式，不参与PROFIBUS－DP总线网络。
GET=_blank> 
   
3.3系统网络监控设计
    本控制系统S7 200PLC编程采用西门子公司STEP7 MicroWIN4.0软件包,上位机作为控制系统人机交互接口,安装有西门子公司SIMATIC WINCC 6.0组态软件,作为中央监控计算机实现对本系统状态监控、参数设定和报警显示、记录等,并能提供完整数据统计和各种分析图表。STEP7 MicroWIN4.0软件运行于WINDOWS环境下,界面友好,编程方便,线调试直观。组态软件WINCC CP5613卡和EM277通信模块实现到S7 200 PLC PROFIBUS－DP连接。
　　（１）组态软件性能。WINCC软件分项目、画面、窗口和目标四级管理;项目数无限制，每个项目最多可有1000个画面;每个画面最多可包括:100个窗口，256个动态目标，256个可控目标，16个历史操作图，16个当前趋势图，16个报警窗口;支持标记、处方、面板、符号等监控特性;支持9种报警类型;自定义软件扫描周期，本系统设置最短为50ms。
   （２） WINCC与S7-200之间PROFIBUS-DP连接。我们设计PROFIBUS-DP通信是一主多从通信方式，WINCC是上位机监控软件，使用WINCC上位机只能作为主站，上位机只能是一台。一般情况西门子公司提供网络集成CP5613卡，PROFIBUS-DP网络方式下最多只能直接连接8个S7-200PLC，这时监控软件WINCC只能OPC通道与OPC Sever交换数据，而一个OPC Sever只能带8个S7-200PLC.但我们监控系统共有34套PLC，这个问题我们解决办法是：标准DP协议进行组建网络，这时要原来配置基础上再增加DP-5613 V6.2软件，另外PC站组态时选择“Application”而“OPC Sever”。这样我们下面介绍方法就可实现WINCC与S7-200之间连接。
    （３)把EM277GSD文件（siem089.gsd）安装到STEP 7 - Micro / WIN中。STEP 7中，点击选项“Options”---“Install New GSD”安装GSD 文件。EM277安装后，可以硬件目录“PROFIBUS DP”---“Addition Field Devices”--“SIMATIC”可找到EM277。
    （４）配置网卡。项目中插入一个PC STATION，第一行插入APPLICATUION，第四行插入CP5613（此处以CP5613作为DP主站），并建立PROFIBUS网络，网上添加EM277作为DP从站。过程如图2所示 ，配置通信接口区为8字输入区，8字输出区，如图3所示。双击图2中EM277，配置EM277址偏移量为5000。
    
 GET=_blank>
    （５）编译存盘后，配置PC STATION。点击“Start Station Configuration”进入组态画面。点击“Add”，添加“Application”。这里要说明是添加是“OPC Sever”监控软件就OPC通道与OPC Sever交换数据，而一个OPC Sever只能带8个S7-200PLC.这一步非常重要。另外设置网卡模式与硬件组态一样，也是第四行添加网卡CP5613。
    （６）PC站下载。控制面板中打开“Set PG/PC Interface”设置S7 ONLINE指向“PC Internal”，访问CP_L2_1指向“CP5613（PROFIBUS）”。然后点击PC STATION“STATION  NAME”改变PC STATION站名与STEP7中组态PC站名称相同。将组态下载到PC STATION中，并确认状态。
    （７) STEP 7 - Micro / WIN中设置DP从站址偏移量（值同与2））如图4所示。
 GET=_blank>
图4  DP从站址偏移量设置
   （８）WINCC侧组态。打开WINCC “tag management”中添加PROFIBUS-DP协议，如图5所示。
 GET=_blank>
                图5   组态WINCC
    （９）DP协议下，添加新连接，设置连接DP从站址。
    （１０）配置系统参数．选择CP5412（A2）board 1，右键菜单中选择“system parameters”设置系统参数，如图6所示。 
GET=_blank> 
图6  设置系统参数                      图7  添加变量Tag
   （１１）添加变量Tag，连接输入址，如图7所示。
这样，就完成了WINCC与S7-224PLC之间连接PROFIBUS-DP连接。
3.４系统网络监控实现
    基于PROFIBUS DP组成网络，WINCC进行系统组态实现车间并条机网络监控系统，可以对生产过程中棉条喂入速度、输出速度、自调匀整率和棉条条干历史趋势图进行显示。并对主电机、伺服电机、换筒电机、风机，以及运行各种故障进行报警。监视屏上流程图是生产流程而画出，可以使操作人员一目了然，给维护人员也带来了方便。该监控系统主要可实现以下功能：
    （1)远程控制功能：上位机上简操作，可以实现对每台机重要参数进行修改。
    （2)实时监控：实时显示车间各台并条机运行状态，同时能实时显示生产产量状况。
   （3)实时数据采集与数据分析功能：上位机实时进行现场数据采集，并经算法处理把结果显示监控见面。尤其能实时显示每台并条机左右眼输出棉条条干分析趋势图。
   （4)报表生成功能：能自动生成事件报表和产量报表，方便用户查看数据。
   （5)打印功能：能对每台并条机输出棉条条干曲线、事件报表和产量报表等用户所关心数据和信息进行打印。 
   （6)故障报警功能：能立即显示并条机当前产生故障，同时事件报表中能查询历史故障信息。
   （7)紧急应急处理，有机台发生严重危险故障时，且来不及到车间去处理，可以监控画面操作急停按钮停止系统工作以保证重要设备及人身安全。
本系统设计部分监控界面如图8所示：
GET=_blank>                           
图8   并条机网络监控系统

4.结束语
    总之，本系统用PROFIBUS—DP网络技术实现了分布式监控系统,大大降低了现场信号连接工作量和费用,提高了信号传输精度和灵活性,降低了系统成本,给安装、调试和设备维护带来了方便。现代信息技术、计算机技术和自动化控制技术不断发展，相信基于PROFIBUS－DP现场总线技术会为本系统中生产效益提高做出贡献，更会为多工厂实现生产调度全集中监控和整个企业全集成自动化带来更广阔前景。