基于PROFIBUS总线的涡轮增压器生产线数据采集系统的设计

　　1 引言

　　现场总线是信息技术、网络技术的发展在控制领域的体现，是自动化技术发展的热点之一。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了非常广泛的应用。目前，已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS总线是最为流行的现场总线技术之一，其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。PROFIBUS是德国于90年代初制订的国家工业现场总线协议标准,代号DIN19245。它是一种国际化的开放式现场总线标准,即EN50170欧洲现场总线标准。该标准为供应商和用户的投资提供了最佳的保护并确保供应商的独立自主性。PROFIBUS具体规定了串行现场总线的技术和功能特性,它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间及网络化。PROFIBUS分为主设备(主站)和从设备(从站)。主站决定总线上的数据通信。当主站得到总线控制权时,不用外界请求就可以主动发送信息。从站为外围设备,典型的从站包括:输入/输出装置、阀门、驱动器和测量变送器。它们没有总线控制权,仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。

　　2 方案分析

　　涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过废气压缩进入空气来增加进气量。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。由于涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求又比较苛刻，因此对增压器的装配技术要求很高。其中对压气端间隙、涡端间隙、轴向间隙、整体动平衡、整机检漏和放气阀开启压力和位移几个参数的误差要求控制在十几个甚至几个丝之内。如用传统的电气仪表难以达到精度要求，同时抗干扰能力差;而且让工人手工记录并判断是否在误差范围之内，将大大降低工作效率。这正给Profibus现场总线提供了用武之地。Profibus 将底层检测设备组成网络，实现多点数字通信，同时和上位机组成网络，为上位机提供数据支持;上位机将误差范围作为各个工位的工艺参数下载到各个工位，同时将数据放入指定的数据库中，供各种查询和技术分析之用。下面是某增压器厂的装配线数据采集系统。

　　3 系统结构

　　根据现场情况,我们采用西门子公司S7-400型承担信号采集工作,又根据现场将要采集的信号位置分散的特点,采用了西门子公司Profibus现场总线中的远程I/O即DP技术。各传感器信号就近接入Profibus子站,这样可以最大限度的减少现场接线工作,并且因为走线距离短,可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响。

　　系统的主干网络采用Profibus网络, Profibus现场总线网络共有三种协议方式,分别为FMS,DP和PA。我们本次应用的为DP方式。DP网络结构为主从结构,一条DP网可包含一个主站和最多126个从站, 网络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。

　　3.1 系统网络选型

　　考虑到上位机和上位机、上位机和主PLC、主PLC和从PLC进行信息交换，整个网络系统由三层组成：

　　管理网络(MIS)：采用基于TCP/IP的以太网，上位机和上位机之间的连接。

　　MPI网络：采用通讯处理卡将主PLC和上位机相连。

　　DP网络：这是最底层的网络，将分散的数据采集站点连接起来，即主PLC和从PLC、触摸屏之间的连接。

　　拓扑结构：现场的服务器是连接以太网和工控网的桥梁，它通过3COM交换机与以太网连接。

　　图1 系统的网络结构图

　　整个监控系统的网络结构如图1所示。

　　3.2 上位机

　　采用HP ML350服务器和研华工控机作上位机，通过CP5613通讯卡使服务器与CPU412-2 相连，这样PC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。HP服务器监控软件采用SIEMENS公司WINCC软件，可实现生产任务的下达和结束、将生产数据存入指定的数据库中、下线处理和设备故障清除。研华工控机采用自主开发的生产管理系统，主要完成产品清单、产品工艺、工单和工单工艺定制，并完成生产任务指令的下达，将工单工艺下载到TP270触摸屏上，而且可以对生产数据进行查询，并生成相应的报表，Execel。

　　3.3 SIMATIC S7主站

　　作为DP主站，CPU位于控制中心。本系统选用CPU412-2模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP现场总线接口装置，具有强大的处理能力(具有0.3ms处理1024语句的速度)。根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的输入输出量并读取CP340内字节数大于4的条码放到相应的DB块中。

　　3.4 从站(Slave A，B)

　　从站A包括2个EM277带CPU226和1个IM153-2带CP340。CPU226主要完成生产数据的采集并监制专机检测设备的运行;CP340从条码枪读入条码。

　　从站B包括12个西门子TP270-10触摸屏。为数据采集、数据存入、下线处理和故障消息组态友好的人机交互界面，尽可能减少操作人员的软故障,及时向操作工反映通讯故障。

　　4 软件组态

　　STEP7组态：网络配置分为软件配置和硬件配置两部分,软件部分通过STEP7编程软件对S7-400 CPU412-2DP进行配置包括通讯速率,子站数量及站地址等。当软件配置完成后,各接入的监控信号在CPU中的对应地址将会自动生成。硬件配置主要是将ET200M子站的接口模块IM153-2上的地址拨码开关设置成与软件设置相同。因为是用CP340做从站读入条码枪的条码,因此CP340必须选择ASCII协议,还必须对此协议的起始终止位和奇偶较验等参数进行设置，并对CP340进行驱动程序下载。硬件组态如图2所示。

　　图2 硬件组态

　　在目前绝大多数的应用中，WinCC和PROTOOL都是作为生产过程的监控系统，完成数据记录并生成历史曲线，组态监控界面，生成报警信息等，而不参与生产过程的管理和数据的处理。但实际上，企业除了关心生产过程中的实时信息外，更希望能将这些信息有机的存储起来，在日后的产品追溯和产品研发中发挥更大的作用，本项目正好体现了这一点。

　　WinCC组态：这是整个系统的关键之一。本系统所有人机交互的信息都由WinCC来处理，包括：生产任务的下达、工艺参数的下达、生产任务的结束、数据存入、下线和数据覆盖等操作，这些都与整个生产过程紧密相关。WinCC自带的变量记录能够周期地记录每个标签实时数据，并将这些数据存放在各自的标签数据表内，各个标签对应的数据表是相对独立的;而项目要求将与一个产品相关的所有数据存放在一个产品数据表内，而且只需要测量点的数据，显然变量记录这个功能不能满足这个要求。但WinCC提供的全局脚本为我们提供了实现的工具。通过编写动作脚本直接与产品数据库进行数据交流，可将一组相关数据存入到产品数据表里。动作模块里的脚本是定时执行的，每段脚本都有各自的定时器。如果用时钟定时器作为触发脚本的定时器，则数据库里数据永远是当前的数据，而不是检测点的数据。在这里我们采用变量定时器来模仿按钮点击事件，即使用二进制变量，在变量变化且在上升沿时(变量=1)时执行脚本，同时在脚本结束时将该变量复位;这个变量的置位分散在各个触膜屏上。采集数据的存入动作程序流程图如图3所示。

　　图3 存入动作的程序流程图

　　PROTOOL组态：触摸屏TP270-10是与操作工人直接交互的人机界面，所有指令都由触摸屏发送，它与DP网络是通过DP接口相连的。考虑到数据存贮的复杂性，将人机界面分为五个界面：存入界面、托盘确认界面、覆盖界面、下线处理界面和通信故障显界面。存入界面：主界面，以高亮度的方式显示托盘号和正在执行的操作，主要包括生产任务、工艺参数、检测状态、检测数据和检测结果等信息，还包括存入和下线等指令的发送;托盘确认界面：存入界面中有30个托盘号，为了防止操作工人在长期疲劳工作的情况下错选托盘，而导致其它增压器的产品信息丢失同时自己的产品信息也不完整，托盘确认界面显十分得重要;覆盖界面：受到产品构造的影响，同一个产品可能在同一工位不同相对位置检测的数据不一致而导致数据重复存入—覆盖;下线处理界面：当专机检测设备检测的数据不合格时，将该产品作下线处理，同时删除数据库中对应的记录;通信故障界面：显示上电后，各个数据采集点的通信状况，当有通信的故障时，触摸屏将以系统消息的方式通知操作工人。整机泄漏工位的主界面如图4所示。

　　图4 整机泄漏

　　LED显示系统：通过串口与数据服务器相连，以四种实时统计方式统计产品产量，包括：本月统计、本周统计、本日统计和工单统计;同时可以自定义显示信息。

　　5 系统特点

　　* 通过开放式互联,实现了从生产执行系统(MES)和企业资源规划 (ERP)的完全集成自动化(TIA)，对IT开放(OPC,ActivX,COM/DCOM,ODBC/SQL,API)

　　* 在多功能平台上实现可视化(protool/pro)

　　* 模块化,使系统具有前瞻性和可扩展性

　　* 分步式智能I/O

　　* 统一集成的数据库,易于实现对数据的维护和备份

　　* 基于对生产全过程的集中操作和监控.

　　6 结束语

　　该系统至今已经在现场稳定、可靠地运行了半年，极大地提高了劳动生产率，有效地解决了生产中的很多问题，如减少了生产过程中的突发故障，缩短了生产准备时间和抢修时间，减少了工人的劳动强度，同时为研发工作人员的研发工作提供了科学的数据依据，为该厂创造了可观的经济效益和社会效益。该系统不仅适合与这样的增压器生产线，也适于其它设备分散，又需要对设备及生产数据进行采集的场合。