基于PROFIBUS總線的飼料廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹應(yīng)明，范次猛，張祖港

CAO Ying-ming1，F(xiàn)AN Ci-meng1，ZHANG Zu-gang2

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫交通分院，無(wú)錫 214151；2.布勒設(shè)備工程（無(wú)錫）有限公司，無(wú)錫 214151）

0 引言

隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，其中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用是自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。在現(xiàn)場(chǎng)總線當(dāng)中PROFIBUS總線目前應(yīng)用最為廣泛，它是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等領(lǐng)域的自動(dòng)化。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相比，PROFIBUS的最大優(yōu)點(diǎn)在于具有穩(wěn)定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EN50170作保證，并經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證具有普遍性。

1 項(xiàng)目背景

西北某飼料廠年產(chǎn)60萬(wàn)噸牛羊飼料生產(chǎn)線項(xiàng)目由散裝進(jìn)料工段、鋼板倉(cāng)進(jìn)料工段、粒料進(jìn)料工段、粉料進(jìn)料工段、散裝出料工段、鋼板倉(cāng)出料、立式粉碎工段、臥式粉碎工段、配料混合工段和打包工段等組成，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，設(shè)備（投料設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、配料設(shè)備、混合設(shè)備以及打包設(shè)備等）數(shù)量總多且分布距離遠(yuǎn)；各單元控制器（如配料稱控制器、液體添加控制器和打包站控制器等）功能復(fù)雜、與中央控制器通訊數(shù)據(jù)較多、實(shí)時(shí)性要求高。使用PROFIBUS總線技術(shù)以后以減少電纜鋪設(shè)，減低建設(shè)成本、施工成本和施工難度；使用PROFIBUS總線可以實(shí)現(xiàn)單元控制器與中央控制器的快速通訊，提高協(xié)調(diào)控制的速度與精度，且網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、維護(hù)方便。另外模擬量模塊可以就地安裝，模擬量（溫度、重量和流量等）經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后通過(guò)PROFIBUS總線接入中央控制器，以減少模擬量可能受到的干擾，提高了信號(hào)精確度。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)選用西門(mén)子CPU319-3 PN/DP型PLC作為中央控制器，通過(guò)PROFIBUS-DP總線與5臺(tái)配料秤控制器、1臺(tái)蜜糖添加秤控制器、1臺(tái)油脂添加秤控制器和4套ET200M遠(yuǎn)程擴(kuò)展IO等11個(gè)DP從站進(jìn)行通訊，獲取過(guò)程數(shù)據(jù)并控制進(jìn)料、配料、混合以及出料等全部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求。

基于PROFIBUS總線的飼料廠監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用Profibus-DP主站和分布式從站的結(jié)構(gòu)，西門(mén)子S7-300系列PLC 319-3PN/DP作為DP主站，ET200M分布式IO、配料秤控制器和液體添加秤控制器等作為DP從站。主站通過(guò)PROFIBUS-DP總線與各從站通訊，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到中央控制室的分散式數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC主站在設(shè)定周期內(nèi)與分布式PLC從站不間斷地交互信息，并對(duì) PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行管控，實(shí)現(xiàn)全廠協(xié)調(diào)控制。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖

系統(tǒng)采用2臺(tái)裝有WINCC監(jiān)控軟件的工業(yè)PC作為操作員站（其中一臺(tái)兼工程師站），通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主站建立通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)料、出料、配料和混合等生產(chǎn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)分散控制和集中監(jiān)視管理。其中操作員站主要負(fù)責(zé)對(duì)兩條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，工程師站既擁有操作員站的全部功能權(quán)限(二者互為備用，以提高系統(tǒng)的可靠性)，也可對(duì)系統(tǒng)組態(tài)控制參數(shù)等信息進(jìn)行在線設(shè)置和修改。各添加口（散裝進(jìn)料口、鋼板倉(cāng)進(jìn)料口、粒料添加口和粉料添加口）選用西門(mén)子TP177觸摸屏通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主站相連，應(yīng)用WINCC Flexible軟件組態(tài)的觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)投料（進(jìn)料）信息顯示和故障監(jiān)示，并實(shí)現(xiàn)散裝進(jìn)料口和鋼板倉(cāng)進(jìn)料口就地控制。采用惠普激光打印機(jī)聯(lián)網(wǎng)打印報(bào)表或過(guò)程數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)選用帶以太網(wǎng)接口的CPU319-3 PN/DP為主站，考慮到以后系統(tǒng)擴(kuò)展需要所以使用雙PROFIBUS總線結(jié)構(gòu)。默認(rèn)的DP口地址設(shè)為1，作為1號(hào)總線PROFIBUS（1），MPIDP接口由原來(lái)MPI類型改為PROFIBUS類型，DP地址設(shè)為2，作為2號(hào)總線PROFIBUS（2）。其中PROFIBUS（1）用于連接ET200M分布式IO從站，DP地址分別設(shè)為11～14，PROFIBUS（2）用于連接各種秤控制器，DP地址分別設(shè)為15～21。本系統(tǒng)組態(tài)的一個(gè)重要工作就是將第三方DP從站秤控制器接入PROFIBUS總線。打開(kāi)Step7 V5.4編程軟件，進(jìn)入PLCHardware，打開(kāi)HW Config，將秤控制器的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)）文件導(dǎo)入Step7，GSD文件可從設(shè)備廠家網(wǎng)站下載或從設(shè)備供應(yīng)商處獲取，系統(tǒng)硬件組態(tài)完成后如圖2所示。

組態(tài)完成后將硬件組態(tài)下載到CPU319-3 PN/DP主站，連接好各DP從站與主站的通訊電纜，然后根據(jù)硬件組態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行從站地址設(shè)置。最后選擇ONLINE在線檢查各站連接情況，確保各從站數(shù)據(jù)能正確上傳。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組態(tài)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件分為PLC下位控制軟件、上位機(jī)WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件以及投料口觸摸屏WINCC Flexible監(jiān)控軟件。

4.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序采用STEP7V5.4編程軟件，選用語(yǔ)句表STL作為編程語(yǔ)言。語(yǔ)句表語(yǔ)言與傳統(tǒng)的梯形圖相比執(zhí)行效率高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序編寫(xiě)，適用于各種大中型項(xiàng)目控制程序編寫(xiě)。根據(jù)本項(xiàng)目的工藝要求，控制軟件主要實(shí)現(xiàn)以下控制功能。

進(jìn)料工段和出料工段的順序控制，依據(jù)要求實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)逆向啟動(dòng)防止物料堆積，停止過(guò)程采用正向停止方式防止物料殘留。當(dāng)輸送線運(yùn)行過(guò)程中某處出現(xiàn)故障時(shí)，則出現(xiàn)故障前的所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)都必須停止，所有下游電機(jī)都必須保持運(yùn)行以防止殘留或堆積，待物料清空后才能停止。停止時(shí)前后兩臺(tái)刮板機(jī)之間要有一定的延時(shí)，具體延時(shí)時(shí)間要根據(jù)刮板機(jī)長(zhǎng)度和物料重量來(lái)現(xiàn)場(chǎng)確定，以刮板機(jī)上沒(méi)有物料殘留為原則。

多組分配料控制部分由各變頻絞龍控制各組分依次下料，由配料秤測(cè)量下料重量，當(dāng)達(dá)到配方要求的重量后配料秤將該組份物料卸料到混合機(jī)，卸料完成后開(kāi)始下一組份的配料。配料過(guò)程分為快速配料/慢速配料和脈沖配料三部分，開(kāi)始時(shí)變頻器控制絞龍以100%的速度快速下料，當(dāng)配料秤顯示重量達(dá)到快/慢速切換點(diǎn)時(shí)變頻器控制絞龍速度由100%在2秒鐘時(shí)間內(nèi)下降到慢速配料速度（一般為20%轉(zhuǎn)速），此后絞龍以慢速配料一直至配料重量達(dá)到預(yù)切點(diǎn)重量，配料重量達(dá)到預(yù)切點(diǎn)后變頻絞龍停止，延時(shí)3秒后將配料秤內(nèi)組份重量與配方組份目標(biāo)重量進(jìn)行比較，若配料重量小于目標(biāo)重量則由脈沖控制絞龍點(diǎn)動(dòng)配料，每次點(diǎn)動(dòng)配料之間間隔2秒，配料重量大于等于目標(biāo)重量則當(dāng)前組份配料結(jié)束。配料結(jié)束后配料秤卸料閥打開(kāi)開(kāi)始卸料，同時(shí)卸料氣錘開(kāi)始動(dòng)作，直到該組份物料全部放入混合機(jī)，即配料秤重量為零。卸料時(shí)設(shè)有時(shí)間監(jiān)控，即在一定時(shí)間內(nèi)如果配料秤重量不為零則提示報(bào)警。配料完成后系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)始下一組份配料，直到配方要求組份全部完成配料。配料部分邏輯圖如圖3所示。

圖3 多組份配料控制邏輯圖

圖4 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 上位監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控軟件由西門(mén)子組態(tài)軟件WINCC6.0編輯而成，用于對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表打印等功能。上位界面通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)總線與中央控制器PLC通訊，獲取數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。組態(tài)畫(huà)面主要包括進(jìn)料工段、出料工段、粉碎工段、配料工段、制粒工段和打包工段等六部分，界面友好，操作方便。監(jiān)控畫(huà)面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.3 觸摸屏監(jiān)控軟件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在散裝進(jìn)料投料口、鋼板倉(cāng)進(jìn)料投料口、粒料投料口和粉料投料口各安裝一個(gè)觸摸屏，用于當(dāng)中控室設(shè)備故障或維修時(shí)能夠通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)進(jìn)料工段設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)兩地控制。觸摸屏選用西門(mén)子TP177帶以太網(wǎng)口觸摸屏，監(jiān)控軟件由WINCC Flexible編寫(xiě)，具有啟?？刂?、倉(cāng)號(hào)選擇、故障監(jiān)控等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，文中設(shè)計(jì)的基于PROFIBUS總線的飼料廠監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際投產(chǎn)兩年。運(yùn)行結(jié)果證明采用PROFIBUS總線技術(shù)減低了布線、安裝和調(diào)試的工作量，節(jié)約了建設(shè)成本。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定具有較高的自動(dòng)化水平，抗干擾能力強(qiáng)，故障率低，維護(hù)方便，極大提高了工廠的生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益良好。

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