摘 要：本文以某增壓器廠生產(chǎn)線為例介紹了SIEMENS PROFIBUS-DP總線的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、硬件配置及軟件組態(tài), 說(shuō)明了這是一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。
關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP; 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu); 數(shù)據(jù)采集; 組態(tài)
1 引言
　　現(xiàn)場(chǎng)總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前，已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，F(xiàn)F等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)DIN19245。它是一種國(guó)際化的開放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),即EN50170歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護(hù)并確保供應(yīng)商的獨(dú)立自主性。PROFIBUS具體規(guī)定了串行現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和功能特性,它可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間及網(wǎng)絡(luò)化。PROFIBUS分為主設(shè)備（主站）和從設(shè)備（從站）。主站決定總線上的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí),不用外界請(qǐng)求就可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量變送器。它們沒(méi)有總線控制權(quán),僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。
2 方案分析
　　渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)廢氣壓縮進(jìn)入空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。由于渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對(duì)增壓器的裝配技術(shù)要求很高。其中對(duì)壓氣端間隙、渦端間隙、軸向間隙、整體動(dòng)平衡、整機(jī)檢漏和放氣閥開啟壓力和位移幾個(gè)參數(shù)的誤差要求控制在十幾個(gè)甚至幾個(gè)絲之內(nèi)。如用傳統(tǒng)的電氣儀表難以達(dá)到精度要求，同時(shí)抗干擾能力差;而且讓工人手工記錄并判斷是否在誤差范圍之內(nèi)，將大大降低工作效率。這正給Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線提供了用武之地。Profibus 將底層檢測(cè)設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)字通信，同時(shí)和上位機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，為上位機(jī)提供數(shù)據(jù)支持;上位機(jī)將誤差范圍作為各個(gè)工位的工藝參數(shù)下載到各個(gè)工位，同時(shí)將數(shù)據(jù)放入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，供各種查詢和技術(shù)分析之用。下面是某增壓器廠的裝配線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,我們采用西門子公司S7-400型承擔(dān)信號(hào)采集工作,又根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)將要采集的信號(hào)位置分散的特點(diǎn),采用了西門子公司Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線中的遠(yuǎn)程I/O即DP技術(shù)。各傳感器信號(hào)就近接入Profibus子站,這樣可以最大限度的減少現(xiàn)場(chǎng)接線工作,并且因?yàn)樽呔€距離短,可以減少信號(hào)衰減和各種干擾對(duì)信號(hào)的影響。
　　系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用Profibus網(wǎng)絡(luò), Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)共有三種協(xié)議方式,分別為FMS,DP和PA。我們本次應(yīng)用的為DP方式。DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主從結(jié)構(gòu),一條DP網(wǎng)可包含一個(gè)主站和最多126個(gè)從站, 網(wǎng)絡(luò)傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達(dá)到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到12Mbit/S 時(shí)其傳輸距離最長(zhǎng)為100米。
　　3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選型
　　考慮到上位機(jī)和上位機(jī)、上位機(jī)和主PLC、主PLC和從PLC進(jìn)行信息交換，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三層組成：
　　管理網(wǎng)絡(luò)（MIS）：采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，上位機(jī)和上位機(jī)之間的連接。
　　MPI網(wǎng)絡(luò)：采用通訊處理卡將主PLC和上位機(jī)相連。
　　DP網(wǎng)絡(luò)：這是最底層的網(wǎng)絡(luò)，將分散的數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)連接起來(lái)，即主PLC和從PLC、觸摸屏之間的連接。
　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器是連接以太網(wǎng)和工控網(wǎng)的橋梁，它通過(guò)3COM交換機(jī)與以太網(wǎng)連接。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　3.2 上位機(jī)
　　采用HP ML350服務(wù)器和研華工控機(jī)作上位機(jī)，通過(guò)CP5613通訊卡使服務(wù)器與CPU412-2 相連，這樣PC與現(xiàn)場(chǎng)總線就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。HP服務(wù)器監(jiān)控軟件采用SIEMENS公司W(wǎng)INCC軟件，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)和結(jié)束、將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中、下線處理和設(shè)備故障清除。研華工控機(jī)采用自主開發(fā)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，主要完成產(chǎn)品清單、產(chǎn)品工藝、工單和工單工藝定制，并完成生產(chǎn)任務(wù)指令的下達(dá)，將工單工藝下載到TP270觸摸屏上，而且可以對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并生成相應(yīng)的報(bào)表，Execel。
　　3.3 SIMATIC S7主站
　　作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU412-2模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，具有強(qiáng)大的處理能力（具有0.3ms處理1024語(yǔ)句的速度）。根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的輸入輸出量并讀取CP340內(nèi)字節(jié)數(shù)大于4的條碼放到相應(yīng)的DB塊中。
　　3.4 從站（Slave A，B）
　　從站A包括2個(gè)EM277帶CPU226和1個(gè)IM153-2帶CP340。CPU226主要完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集并監(jiān)制專機(jī)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行;CP340從條碼槍讀入條碼。
　　從站B包括12個(gè)西門子TP270-10觸摸屏。為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存入、下線處理和故障消息組態(tài)友好的人機(jī)交互界面，盡可能減少操作人員的軟故障,及時(shí)向操作工反映通訊故障。
4 軟件組態(tài)
　　STEP7組態(tài)：網(wǎng)絡(luò)配置分為軟件配置和硬件配置兩部分,軟件部分通過(guò)STEP7編程軟件對(duì)S7-400 CPU412-2DP進(jìn)行配置包括通訊速率,子站數(shù)量及站地址等。當(dāng)軟件配置完成后,各接入的監(jiān)控信號(hào)在CPU中的對(duì)應(yīng)地址將會(huì)自動(dòng)生成。硬件配置主要是將ET200M子站的接口模塊IM153-2上的地址撥碼開關(guān)設(shè)置成與軟件設(shè)置相同。因?yàn)槭怯肅P340做從站讀入條碼槍的條碼,因此CP340必須選擇ASCII協(xié)議,還必須對(duì)此協(xié)議的起始終止位和奇偶較驗(yàn)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)CP340進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序下載。硬件組態(tài)如圖2所示。

圖2 硬件組態(tài)
　　在目前絕大多數(shù)的應(yīng)用中，WinCC和PROTOOL都是作為生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)記錄并生成歷史曲線，組態(tài)監(jiān)控界面，生成報(bào)警信息等，而不參與生產(chǎn)過(guò)程的管理和數(shù)據(jù)的處理。但實(shí)際上，企業(yè)除了關(guān)心生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息外，更希望能將這些信息有機(jī)的存儲(chǔ)起來(lái)，在日后的產(chǎn)品追溯和產(chǎn)品研發(fā)中發(fā)揮更大的作用，本項(xiàng)目正好體現(xiàn)了這一點(diǎn)。
　　WinCC組態(tài)：這是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。本系統(tǒng)所有人機(jī)交互的信息都由WinCC來(lái)處理，包括：生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)、工藝參數(shù)的下達(dá)、生產(chǎn)任務(wù)的結(jié)束、數(shù)據(jù)存入、下線和數(shù)據(jù)覆蓋等操作，這些都與整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程緊密相關(guān)。WinCC自帶的變量記錄能夠周期地記錄每個(gè)標(biāo)簽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存放在各自的標(biāo)簽數(shù)據(jù)表內(nèi)，各個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表是相對(duì)獨(dú)立的;而項(xiàng)目要求將與一個(gè)產(chǎn)品相關(guān)的所有數(shù)據(jù)存放在一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表內(nèi)，而且只需要測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，顯然變量記錄這個(gè)功能不能滿足這個(gè)要求。但WinCC提供的全局腳本為我們提供了實(shí)現(xiàn)的工具。通過(guò)編寫動(dòng)作腳本直接與產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，可將一組相關(guān)數(shù)據(jù)存入到產(chǎn)品數(shù)據(jù)表里。動(dòng)作模塊里的腳本是定時(shí)執(zhí)行的，每段腳本都有各自的定時(shí)器。如果用時(shí)鐘定時(shí)器作為觸發(fā)腳本的定時(shí)器，則數(shù)據(jù)庫(kù)里數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)是當(dāng)前的數(shù)據(jù)，而不是檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在這里我們采用變量定時(shí)器來(lái)模仿按鈕點(diǎn)擊事件，即使用二進(jìn)制變量，在變量變化且在上升沿時(shí)（變量=1）時(shí)執(zhí)行腳本，同時(shí)在腳本結(jié)束時(shí)將該變量復(fù)位;這個(gè)變量的置位分散在各個(gè)觸膜屏上。采集數(shù)據(jù)的存入動(dòng)作程序流程圖如圖3所示。

圖3 存入動(dòng)作的程序流程圖
　　PROTOOL組態(tài)：觸摸屏TP270-10是與操作工人直接交互的人機(jī)界面，所有指令都由觸摸屏發(fā)送，它與DP網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)DP接口相連的。考慮到數(shù)據(jù)存貯的復(fù)雜性，將人機(jī)界面分為五個(gè)界面：存入界面、托盤確認(rèn)界面、覆蓋界面、下線處理界面和通信故障顯界面。存入界面：主界面，以高亮度的方式顯示托盤號(hào)和正在執(zhí)行的操作，主要包括生產(chǎn)任務(wù)、工藝參數(shù)、檢測(cè)狀態(tài)、檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)結(jié)果等信息，還包括存入和下線等指令的發(fā)送;托盤確認(rèn)界面：存入界面中有30個(gè)托盤號(hào)，為了防止操作工人在長(zhǎng)期疲勞工作的情況下錯(cuò)選托盤，而導(dǎo)致其它增壓器的產(chǎn)品信息丟失同時(shí)自己的產(chǎn)品信息也不完整，托盤確認(rèn)界面顯十分得重要;覆蓋界面：受到產(chǎn)品構(gòu)造的影響，同一個(gè)產(chǎn)品可能在同一工位不同相對(duì)位置檢測(cè)的數(shù)據(jù)不一致而導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)存入—覆蓋;下線處理界面：當(dāng)專機(jī)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)的數(shù)據(jù)不合格時(shí)，將該產(chǎn)品作下線處理，同時(shí)刪除數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的記錄;通信故障界面：顯示上電后，各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的通信狀況，當(dāng)有通信的故障時(shí)，觸摸屏將以系統(tǒng)消息的方式通知操作工人。整機(jī)泄漏工位的主界面如圖4所示。

圖4 整機(jī)泄漏
　　LED顯示系統(tǒng)：通過(guò)串口與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，以四種實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)方式統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品產(chǎn)量，包括：本月統(tǒng)計(jì)、本周統(tǒng)計(jì)、本日統(tǒng)計(jì)和工單統(tǒng)計(jì);同時(shí)可以自定義顯示信息。
5 系統(tǒng)特點(diǎn)
　　＊ 通過(guò)開放式互聯(lián),實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源規(guī)劃 （ERP）的完全集成自動(dòng)化（TIA），對(duì)IT開放（OPC,ActivX,COM/DCOM,ODBC/SQL,API）
　　＊ 在多功能平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)可視化（protool/pro）
　?。?模塊化,使系統(tǒng)具有前瞻性和可擴(kuò)展性
　?。?分步式智能I/O
　?。?統(tǒng)一集成的數(shù)據(jù)庫(kù),易于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的維護(hù)和備份
　?。?基于對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程的集中操作和監(jiān)控.
6 結(jié)束語(yǔ)
　　該系統(tǒng)至今已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行了半年，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，有效地解決了生產(chǎn)中的很多問(wèn)題，如減少了生產(chǎn)過(guò)程中的突發(fā)故障，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和搶修時(shí)間，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)為研發(fā)工作人員的研發(fā)工作提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)，為該廠創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該系統(tǒng)不僅適合與這樣的增壓器生產(chǎn)線，也適于其它設(shè)備分散，又需要對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的場(chǎng)合。
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