车间设备的PLC网络群控

摘  要：介绍了一种为了联网工厂设备而构建的群控系统，详细叙述该方案如何用以太网联接起西门子公司SIMATIC产品和上位计算机以实现可远程监控的全自动生产线。经过仔细考虑过各车间整个生产工序后，设计实施出裁制压片机、贴胶机、卷绕机、注液机、封口机车间的监控网络并且具有故障自动诊断功能。运行结果表明，该系统完全达到了设计规定的性能指标和要求，且运行可靠。
   关键词：可编程控制器 以太网联接 现场总线 组态软件
   1. 前 言
   　　随着国内二次电池企业的成长和国际市场竞争，传统以手工操作设备、单机半自动设备生产为主的企业容易出现产品档次效益下滑的局面。为保持业内竞争力，必须改善和稳定生产工艺，提升产品性能更高，以适合国内电池企业规模化生产的要求。电子商务时代里应用计算机网络技术去整合现有的生产、经营、设计、制造、管理，及时地为企业的“三层决策”系统（战术层、战略层、决策层）提供准确而有效的数据信息，以便迅速反应，加强竞争力。而在容易受人为因素影响品质的工艺环节里开始采用网络自动化设备来实现整体控制。
   　　可编程控制器（PLC）编程灵活又可联网控制，在工业领域里得到了广泛应用。PLC用于现场设备的直接控制，计算机对PLC的编程监控管理，提高了生产效率。应用以太网TCP/IP可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。企业内网Intranet外延接入Internet，向下联接以过程自动化为主的现场总线（Fieldbus）。现场总线是面向工厂底层以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的测控系统。本文以组建车间设备群网络为例，全面阐述了以太网联接控制PLC的实现方法。
   2. 生产现状
   　　车间中各机器设备均采用PLC电控，制程顺序如图1所示。
   
图1 生产工序
   3. 外部信息网
   　　通用分组无线业务（GPRS）平台提供高速无线IP或X.25服务，实际带宽大约40～100Kbit/s，包括诸如数据库系统、信息传递、人机界面、实时应用程序等基础服务。异地监控中心主站通过专线方式直接接入中国移动基站。可以使用点对多点连接，也可以由企业本地代理服务器借助ADSL、LAN等公网连接。远程终端站用3G手机、PDA、手提电脑完成人机交互工作，采集数据和判断设备状态是否正常。将车间系统的有关数据通过防火墙发给异地的局域网，使授权用户可以了解厂房生产和设备状况，甚至在办公室对全厂设备进行操作。使用路由器划分整个厂级的100M甚至1000M的自适应网络，使用交换机连接各个虚拟网段,文件服务器与本部门的cisco2950交换机接口。这样，采用Cisco虚拟专用网VPN技术实施经济安全的企业远程接入,逻辑子网由交换机端口任意组合，没有物理上的相关性，不用路由器就解决了广播报文的访问控制问题。
   4. 工厂内Ethernet/IP 控制网
   　　4.1 工业以太网体系
   　　以太网协议可提供办公室通信以及高水准的自动化操作，SIMATIC NET工业以太网是基于国际标准IEEE 802.3的载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）开放式网络模组。组网规模最大多达1024站，距离可达1.5km的电气网络或200km的光纤网络，网络使用TCP/IP协议的计算机传输数据。西门子的通讯处理模块，可以在任何点进行设备启动和故障检查或者构造冗余网络，且允许用户在Socket接口上编制自己的协议。远程访问路由器用于在局域网与广域网间实现远程通信。本地交换机Carat5008TX型对恶劣工业现场环境有较强的适应能力，它提供冗余网络拓扑自愈恢复功能，支持热备份功能并有过压,过流和雷电保护。由于要将实时在线生产和检测的重要数据上传到网上，供合法用户浏览，因而选用了SQL Server数据库，采用ODBC（Open Database Connectivity）的互联模式。主PLC 通过Profibus网采集现场 PLC 的I / O 的信号，信息交换中心对这些信号经过汇总和分析，判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态，并把这些运行状态存入相应数据区并周期刷新。IPC（工控机）工程师站和管理层通过访问，得到车间生产设备当前运行状态信息并可加以调控。
   　　4.2 系统集成
   　　尽管有了高可靠性的工业以太网交换机和冗余的环网，但如果电缆质量不好，同样不能满足要求。Belden有纵向轴粘连线的DataTuff电缆可以确保不会产生过度的传输损耗。根据实际传输距离、网络传输速度等要求，选配了10BASE-5型粗缆，其最大传输距离500米 。屏蔽通讯电缆连接PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通讯端口，实现IPC与PLC之间的通讯。工业以太网连接，自顶而下， 上部分为车间级数据部分;下部分为下位机PLC子网部分。整体采用100M快速到桌面的主干以太网，而智能冗余型工业以太网交换机连接厂级网络，分立的机械车间通过Carat5008TX交换机或者网管型SCALANCE X-200接口与办公楼网络的Cisco3660路由器相联。工程师管理站、数据库服务器通过接口端共享资源。系统组成框图与网络布线见图2。
   
图2 工业Ethernet/IP系统集成
   　　根据设备运作的复杂程度，配置如下： 注液组主控器A选用S7-400系列PLC㈠CPU 为CPU443-2DP;贴胶组主控器B选用S7-200系列PLC㈡CPU 为CPU243-1;卷绕组主控器C选用S7-200 PLC㈢;封口组主控器D选用S7-200 PLC㈣;裁片组主控器E选用S7-400 PLC㈤，CPU 为CPU443。借助EM277模块扩展PROFIBUS智能从站。插入主控PLC中的以太网通讯卡给车间级/厂级联网提供了便利。底层设备通过PROFIBUS-DP 网络将信息通过级联向上一级传送生产状况及运行状态，由上级主控器通过以太网传送给工程师站及管理层网络。系统中配置的TP170 触摸屏作为操作员站，为各设备设置参数并显示部分运行数据。这样对于B、C、D、E 设备的手动调试仍然可以利用它使用MPI网络协议就近联接各层PLC 来完成。
   5. PROFIBUS现场网络
   　　5.1 网络模式
   　　SIEMENS 的PROFIBUS网络支持PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP三种类型。PROFIBUS-DP是一种高速、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足系统快速响应的时间要求。PROFIBUS-DP数据链路层的媒体访问控制部分采用受控访问的令牌总线和主从方式。其中令牌总线中令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照关系表与从站或其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议中一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路;主站发出命令，从站给出响应，从站可以连续发送多个帧。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。主从结构的一条DP网可包含一个主站和最多127个从站, 理论传输距离在不使用中继器的情况下可达到1000米,传输速率从9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可选。网络传输速率达到12Mbit/S 时其传输距离最长为100米。
   　　5.2 PLC通讯设计
   　　PLC有3种控制模式：就地手动方式、PLC远程手动控制方式、全自动控制方式。前两种方式一般只在设备调试或维修时使用，系统主要以全自动操作方式为主。在这种方式下，各类设备的开、停，各种工序的切换，都由PLC按照预先编制的程序自动控制。基本测量参数包括现场的各式气缸、电机、电磁阀、进料出料等开关信号和注液速度、温度等模拟信号，通过组态界面显示、设定、保存关键设备的参数。车间IPC工程师站编程输入时，主体工作就是按程序结构框图实现元件的顺序动作，和进行程序优化。如：初始化和复位;冲突触发的互锁;电机启动延时;维修的手动控制;循环的计数;气缸和步进电机到位信号。
   　　应用编程软件Step7 Micro/Win32完成机器的控制程序的设计工作。该编程软件具有梯形图、语句表和功能逻辑块图3种输入方式相互转化的能力，本课题采取语句表（STL）和梯形图（LAD）在PC机上混合编程的方式，提高了编程效率。 操作单元通过Profibus接口用S7协议与S7-200和S7-400进行通讯。根据现场控制要求，选择了西门子公司的S7-400系列的PLC和S7-200系列PLC6ES7214-1BD20-0XB0型。S7-200接入工业以太网还要配备上CP243-1或互联网模块CP-243-1 IT，同样S7-400也需配备CP443模块。安装了STEP 7-Micro/WIN之后，计算机上将会有一个标准的浏览器用来访问CP的主页。除了编程软件配备TCP/IP协议，“通信”对话框中应为每个子网模块指定IP地址。CP243 用于最多8个S7-200 PLC连接PC的数据交换，该模块采用半双工或全双工通信，使用RJ-45接口，传输速率为 10Mbit/s或100Mbit/s。对CP243-1 CPU进行配置成功后，更换板卡也不用再重新配置。 通过网络可以实现远端编程和监控服务，例如上传、下载程序和监视系统的状态。使用标准S7-OPC接口，加装软件包SOFTNET-S7,计算机的应用程序就能通过网路存取S7-200的数据，这样可以实现数据可视化、存档或作进一步处理，例如使用VB、VC应用程序、WinCC进行处理。
   　　S7-200支持多种通信协议，各种协议同时运行不会干扰。例如点对点PPI、多点接口MPI和PROFIBUS。协议基于OSI通过一个令牌环网来实现。通信帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性偶校验组成。主站向网络中从站发出请求，从站只能作出响应。一个网的127个地址最多可定义32个主站，各设备的地址不能重叠。运行 STEP 7-Micro/WIN的计算机的默认地址为0，OP的地址为1， 主PLC的地址为2。上/下位机通讯程序中定义格式如图3示出。F为帧标志字段（8位），A为从站地址字段。控制字段C表示帧类型、编号、命令和控制信息，它将HDLC帧分为三种类型：信息帧（I）、监控帧（S）和无编号帧（U）。信息帧用于应用数据（Useful Data）的传输并捎带应答;监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）;无编号帧（不含信息字段）用于传输各种元编号命令和响应，例如建立链路模式，释放链路及报告特殊情况等。信息字段由FKW+PZD的应用数据构成，FKW用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4Byte长，而PZD用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2～10B长。
   
图3 上/下位机帧通讯格式
   　　PLC作为一个节点连接在工控网上，方便地实现PLC与IPC的通讯。以下概述一下组态步骤：首先新建一工程，然后依次建立4个中型PLC网络，主控制设备称PLC1、PLC2、PLC3、PLC4，下一步设置设备IP地址，格式为aaa.bbb.ccc.ddd:ppppp:t; aaa.bbb.ccc.ddd为地址，ppppp为端口号（范围256-65535），t为连接超时时间（单位s），都是十进制数。例如PLC1的IP地址为:192.168.1.1,端口号为:1000，连接超时时间3秒。PLC2、PLC3、PLC4控制设备建立和PLC1大同小异。所有PLC、IPC的IP地址、端口号都不能重复。在建立通讯连接的基础上，再进行定义数据变量，设计画面，开发数据库等开发步骤。
   　　5.3 电控构造
   　　企业共计贴胶、裁片、注液、卷绕、封口五个PLC车间接受联网改进，每个车间现场设备最多能容纳127台机次，分布形态为小于6台/分支。但是用PROFIBUS-DP网络方式最多只能直接连接8个S7-200PLC，故而解决办法是将S7-200PLC作为PROFIBUS-DP从站同时又设置成下级网络的控制主站，其余的PLC通过点对点通讯协议PPI网络分别与S7-200连接，通过这个层间的主机完成数据交换。控制过程中通过网络读写指令来实现各级主站到IPC的通讯。S7-200PLC是可以独立编程和完成设备控制的，Prifibus-DP子网将控制信号高速地传送到线上的ET-200，使相应继电器动作。PROFIBUS-DP应用的扩展见图4。
   　　PROFIBUS-DP扩展模块EM277经串行I/O总线连接到S7-200上。 S7-200逻辑连接数4个， 0、1端口分别为编程器和操作员面板留用。所有主站必须工作在相同的波特率下，可设定传输率为187.5Kbit/s。EM277可当成一个DP主站的从站外， 还能当成MPI从站，与同一网络中的SIMATIC编程器或S7-400 / S7-200 CPU等其它主站进行通信。
   
图4 PROFIBUS设备层
   　　S7-400配置分为软件和硬件两部分。软件部分通过STEP7编程软件对CPU414-2DP进行配置。SIMATIC STEP 7 工程软件集成了组态和远端诊断功能。包括配置S7-200通信子网的速率,子站数量及站地址等。设置完成后,各接入的信号在CPU中的对应地址将会自动生成。硬件配置时将各ET200M的接口模块IM153上的地址拨码开关设置成与软件相同 。
   　　IPC计算机采用的监控软件为PROTOOL/PRO V5.1。通过西门子CP5611网卡以TCP/IP协议联机至工业以太网络，同下位PLC设备群进行数据通讯，包括采集和指令传送。基于Browser/Server框架和Web Client和Terminal Server Client软件，进行远程实时生产过程监控和在线检测设备状态。系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常、停机、故障等各种状态，并在相应工控机的相应画面上，以不同的符号、图形、闪烁和颜色变化等形式显示出来，以图表或报表的形式打印和分析，帮助实现车间的测、控、管。有故障情况的PLC即刻进入中断服务程序。制作上位机监控程序的方法也有很多种，可用VB，VC等调用MSCOMM控件或利用Windows API函数进行上下位机串口通讯。监控软件能将主站PLC的已存储数据按时间趋势存放在数据文件里供调用、展示给管理人员，以便分析异常和改进工艺。Windows动态数据交换功能还能把数据库的数据传送到Office Excel和Office Access文件，从而实现报表打印和数据查询功能。
   　　采购西门子TP170B（型号6AV6 545-0BB15-2AX0）蓝色触摸屏，使用RS485/RS232接口电缆与PLC连接，安装上SIMATIC ProTool/Lite组态软件。可移动的TP170B 操作面板可直联到PROFIBUS 网上，调试人员直接在设备边上进行调试。主站为带有网卡的PLC设备,从站是分布式的ET200M和S7-200子站,它们通过标准屏蔽双绞线连接，距离过长则使用中继器。挂接到Prifibus-DP现场总线的附加设备和子网主站的S7-200之间的通讯是S7协议。当需要查看重要的物理参数时，信号被对应的一次仪表传感器或变送器检测出来并变换为4-20mA电流信号，经过屏蔽电缆送到各个子系统的PLC内，PLC通过各种接口模块采样。控制信号由PLC发出后送到执行机构，控制执行机构的动作。对触摸屏的整个组态工作主要包括“机组启动”、“口令保护”、“系统定义”、“参数设置”、“系统控制”的操作界面，以及各种操作按钮、显示画面和功能键等。对重要数值设定实行权限，防止非法操纵。假如要求扩展功能更齐全更可靠，将其置换为工业组态软件。例如：Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx（开物）、Force control（力控）、组态王。工控组态软件的功能包括数据库生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。系统开发人员只需通过可视化的组态方式，就可完成监控程序设计，降低了监控程序开发的难度。组态软件具有良好的扩展性、兼容性，软件结构开放，可接受各种形式的数据格式，使用变得更简单。
   6. 结语
   　　利用现代PLC提供的网络支持功能，构建工控机IPC与PLC的联网控制，解决了整个系统实时集中监控和各种数据在线综合管理的问题，数字化的操作提高了控制过程的信息化水平。在制造企业装调运行过程中，情况良好，减轻了人员的操作强度，实现了生产过程的自动控制。实际应用证明该远端网络控制系统具有良好的可操控性和可扩展性，波特率达到设计要求，实时准确性和运行稳定性良好，既降低管理成本又体现出经济效益的提升。
   　　本文作者创新观点: 设计应用高性能PLC 1：n模式逐级扩展控制众多底层设备，组成现场总线与公司局域网内的计算机联接，通过电信平台远程管控车间机器，解决工厂在线管理的问题。指明了一种现代企业的工业以太网方案。
   参考文献
   　　[1] 陈庆文，田作华. 基于Profibus的温室控制信息管理系统. 北京：微计算机信息, 2005, 7-3: 109～110
   　　[2] 张宪光主编.组态控制技术. 北京：电子工业出版社，2003
   　　[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京，清华大学出版社,1999.6