摘 要：介紹了一種瓦楞紙板生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)以VIPA的PLC為基礎(chǔ)，將Ethernet和現(xiàn)場總線 Profitbus相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用CONTROL LAB設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較好的可靠性和可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了瓦楞紙板生產(chǎn)線的工況顯示、生產(chǎn)控制、訂單管理和出貨管理。
關(guān)鍵詞：瓦楞紙板；集散控制系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；PLC；現(xiàn)場總線
1引言
DCS分散控制系統(tǒng)(又稱集散控制、分布式控制系統(tǒng))，是在單回路微機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT顯示技術(shù)和過程控制技術(shù)，采用分層分級(jí)的結(jié)構(gòu)形式和分散控制、集中操作、分級(jí)管理、分而自治的設(shè)計(jì)原則，解決了過去計(jì)算機(jī)控制危險(xiǎn)集中、常規(guī)模擬儀表功能單一、過于分散和人機(jī)聯(lián)系不方便的缺點(diǎn)。DCS的安全可靠性、通用靈活性、優(yōu)良的控制和綜合管理能力，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。
瓦楞紙板作為目前使用普遍的包裝材料，廣泛用于電器產(chǎn)品、日常用品等包裝。在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)自動(dòng)化水平相對落后和工業(yè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展的我國，橫切機(jī)和堆疊機(jī)等機(jī)組組成連續(xù)生產(chǎn)工藝過程。目前國內(nèi)瓦楞紙板生產(chǎn)化處于相對落后狀態(tài)。
本監(jiān)控系統(tǒng)采用以可編程控制器PLC為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)，將PLC作為現(xiàn)場采集控制站，利用Ethernet和Profitbus進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成了對廣東肇慶嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線的工況顯示、生產(chǎn)操作、訂單管理和出貨管理，最終實(shí)現(xiàn)了企業(yè)管理—控制一體化。
2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)
2．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖1所示的分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。它分為3級(jí)結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場級(jí)、控制級(jí)和管理級(jí)。
第一級(jí)為現(xiàn)場級(jí)。由安裝在現(xiàn)場的3個(gè)PLC子站輔與其它測量控制設(shè)備(如編碼器、紅外測量儀、變頻器等)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)線的現(xiàn)場控制。為現(xiàn)場采集控制器完成現(xiàn)場信號(hào)的輸入輸出，根據(jù)給定的工作程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、控制輸出，并且將處理結(jié)果送操作站。PLC站采用德國VIPA公司的產(chǎn)品，包括一個(gè)CPU站和兩個(gè)I／0站，其配備如下：
V200CPU站：主要包括CPU 288L、FM250、SM221和SM222等模塊。主要用于粘合機(jī)和橫切機(jī)各種狀態(tài)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的輸出。
V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和FM250等模塊；主要用于過膠機(jī)和1號(hào)瓦楞機(jī)狀態(tài)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的輸出。
V200站2：主要包括SM222、SM232和FM250等模塊；主要用于2、3號(hào)瓦楞機(jī)狀態(tài)信號(hào)的采集和控制信號(hào)的輸出。
第二級(jí)為控制級(jí)，配備5臺(tái)工業(yè)PC機(jī)。其中包括1臺(tái)主操作站，1臺(tái)過膠機(jī)操作站和3臺(tái)瓦楞機(jī)操作站。主操作站設(shè)置在車間控制室內(nèi)，其它各操作站設(shè)置在生產(chǎn)線的相應(yīng)部分，完成現(xiàn)場級(jí)檢測、控制、保護(hù)功能的管理。由一臺(tái)HUB將各操作站組成局域網(wǎng)。各操作站功能獨(dú)立，又能互為備用。它對第一級(jí)現(xiàn)場采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)，完成所有控制指令的收集和發(fā)布，以各種方式(如流程圖、趨勢圖等)表達(dá)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。對系統(tǒng)功能的組態(tài)、流程圖的制作、保護(hù)值整定、控制模型修改等工作也是在這一級(jí)的操作站上完成的。
第三級(jí)為管理級(jí)，配備了多臺(tái)普通PC機(jī)、打印機(jī)，以及一臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中PC機(jī)作為管理終端設(shè)置在相應(yīng)的管理部門，打印機(jī)負(fù)責(zé)定期打印生產(chǎn)情況報(bào)表備檔，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)從監(jiān)督控制級(jí)送來的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。各部門的管理人員可以隨時(shí)通過管理終端機(jī)觀察生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)和定單執(zhí)行等情況。管理級(jí)同時(shí)可接受管理部門管理數(shù)據(jù)的輸入，完成訂單管理，出貨管理等功能。
2．2通信網(wǎng)絡(luò)
由于在分散控制系統(tǒng)中廣泛采用了多處理機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以處理機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信變得極其重要。
現(xiàn)場總線技術(shù)作為自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。 Profitbus是唯一的全集成H1(過程)和H2(工廠自動(dòng)化)現(xiàn)場總線解決方案，是一種不依賴于廠家的開發(fā)式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它可廣泛應(yīng)用于制造加工、過程和建筑自動(dòng)化領(lǐng)域。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場級(jí)3個(gè)PLC站之間利用Profitbus進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了紙板生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制信號(hào)的傳遞。
Ethernet以太網(wǎng)最初是由Xeroex在20世紀(jì)70年代開發(fā)的—種連網(wǎng)傳輸方法，后來由Xeroex、數(shù)字設(shè)備公司(DEC)和 Intel改進(jìn)。這種靈活的技術(shù)可以運(yùn)行在各種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上，并在合理的開銷下提供很好的容量。到目前為止，以太網(wǎng)是用于局域網(wǎng)的最流行的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，控制級(jí)操作站之間和管理級(jí)終端機(jī)之間采用Ethernet進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。實(shí)現(xiàn)了各操作站間的相互冗余備用以及管理數(shù)據(jù)的存取。
DCS各級(jí)之間的通信一直以來是工程技術(shù)人員關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)之一。該系統(tǒng)采用VIPA公司PC-CPU 288L自帶的Ethernet端口很好的解決了現(xiàn)場級(jí)到控制級(jí)之間的通信問題。實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)向上輸送和控制級(jí)信號(hào)的向下傳遞。由于控制級(jí)和管理級(jí)同時(shí)采用Ethernet，因此它們之間直接用集線器(HUB)相連，進(jìn)行相互通信。
該監(jiān)控系統(tǒng)中，將以太網(wǎng)(Ethernet)與現(xiàn)場總線相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了PLC站之間、操作站之間、管理終端之間以及現(xiàn)場級(jí)、控制級(jí)、管理級(jí)之間的數(shù)據(jù)通信。
3軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用CONTROL LAB軟件包，其層次結(jié)構(gòu)如圖2。
現(xiàn)場級(jí)V200 CPU站采用了快速可預(yù)測實(shí)時(shí)內(nèi)核，其周期性工作的時(shí)間穩(wěn)定性(Jitter-Time)可達(dá)2微秒(300MHZ CPU)。 PLC和硬件模塊及現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)交換均在實(shí)時(shí)任務(wù)中進(jìn)行，保證了這類數(shù)據(jù)交換在操作系統(tǒng)中的延時(shí)不超過幾個(gè)微秒。控制任務(wù)作為實(shí)時(shí)任務(wù)執(zhí)行，其最短工作周期可達(dá)0．01毫秒。
PLC監(jiān)控程序采用圖形化組態(tài)工具ControlChart編制，該工具是一種基于IEC1131-3流程圖形語言的開發(fā)式控制軟件，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工程師在控制級(jí)操作站上即可利用現(xiàn)成模塊進(jìn)行自由組合、在線觀察和調(diào)試，極大地縮短了控制系統(tǒng)的調(diào)試時(shí)間。瓦楞紙板流水線的控制任務(wù)主要進(jìn)行線上各機(jī)組運(yùn)行速度協(xié)調(diào)。速度調(diào)節(jié)中粘合機(jī)作為主機(jī)，過膠機(jī)、修邊機(jī)、橫切機(jī)和堆疊機(jī)與主機(jī)同步運(yùn)行。該監(jiān)控系統(tǒng)速度控制流程圖如圖3所示。
ZJL、DJL、DDCL和SJCL分別對應(yīng)紙漿量(瓦楞機(jī))、堆積量、訂單產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量，根據(jù)以上量的測量數(shù)值對粘合機(jī)和瓦楞機(jī)速度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
在控制級(jí)和管理級(jí)軟件基于WINDOWS NT平臺(tái)，采用易學(xué)易用的Visual Basic6．0進(jìn)行編程，其中采用ActiveX、OPC、 TCP／IP等國際通用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以極方便的與其他軟件系統(tǒng)進(jìn)行自由通訊和進(jìn)行功能擴(kuò)展。控制級(jí)操作站檢測畫面主要有總操作圖、瓦楞機(jī)監(jiān)測圖、粘合機(jī)檢測圖、過膠機(jī)監(jiān)測圖、修邊機(jī)監(jiān)測圖和橫切機(jī)監(jiān)測圖。管理級(jí)終端包括訂單管理畫面和出貨管理畫面等。
4系統(tǒng)功能
在軟硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的瓦楞紙板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)功能分為監(jiān)控和管理功能。監(jiān)控主要是工況顯示和生產(chǎn)操作，管理主要是訂單管理和出貨管理。
4．1工況顯示
在控制級(jí)的操作站以及管理級(jí)的終端機(jī)中顯示現(xiàn)場采集來的生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括：生產(chǎn)中的紙板品種，尺寸規(guī)格；現(xiàn)時(shí)各機(jī)組生產(chǎn)速度、電機(jī)電流；瓦楞機(jī)原紙堆積量；粘合機(jī)出紙量、各段溫度；現(xiàn)時(shí)的實(shí)切張數(shù)，訂單的總張數(shù)，還欠實(shí)際張數(shù)；成品，不良產(chǎn)品的數(shù)量(不良品人工輸入)原紙剩余長度等。顯示方式包括數(shù)字、柱狀圖和趨勢圖等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行速度、電流、溫度、堆積量等過限報(bào)警。
4．2生產(chǎn)操作
4．2生產(chǎn)操作
根據(jù)現(xiàn)場采集的信號(hào)，監(jiān)控軟件可以自動(dòng)對生產(chǎn)線進(jìn)行相應(yīng)的控制，主要有：
(1)正常情況下，以粘合機(jī)作為主機(jī)進(jìn)行全線單一速度的控制，其它機(jī)組能根據(jù)自身的工藝要求適應(yīng)性的同步加速或同步減速。
(2)自動(dòng)偵測瓦楞機(jī)紙板堆積量并能自動(dòng)調(diào)節(jié)相應(yīng)機(jī)組的生產(chǎn)速度，當(dāng)堆積量超過上限時(shí)，自動(dòng)增大粘合機(jī)以及其它相關(guān)機(jī)組的速度。在緊急情況下，可以對生產(chǎn)線進(jìn)行緊急減速。
(3)根據(jù)管理人員輸入的產(chǎn)品規(guī)格，在訂單執(zhí)行初期自動(dòng)調(diào)節(jié)修邊機(jī)、橫切截的刀線，并能夠在生產(chǎn)過程中自動(dòng)調(diào)整。
(4)由訂單的總張數(shù)和尺寸，自動(dòng)運(yùn)算出所需生產(chǎn)的總米數(shù)，各主要機(jī)臺(tái)便能因自身的實(shí)際機(jī)組距離，生產(chǎn)出相應(yīng)長度的楞紙。
同時(shí)監(jiān)控軟件設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，工作人員可以在手動(dòng)方式下根據(jù)情況對生產(chǎn)線進(jìn)行相應(yīng)的控制。
4．3訂單管理
訂單管理是在生產(chǎn)操作功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，其主要功能有：
(1)管理人員可以在辦公室終端機(jī)輸入當(dāng)日之訂單，包括接單日期，訂單號(hào)，客戶類別，紙質(zhì)，紙寬，交貨日期等數(shù)據(jù)。根據(jù)紙質(zhì)，紙寬打印各月份接單統(tǒng)計(jì)表。
(2)根據(jù)訂單所要求的紙質(zhì)，交貨日期以及生產(chǎn)線狀態(tài)，監(jiān)控程序可以自動(dòng)執(zhí)行新訂單。同時(shí)工作人員也可以根據(jù)情況，手動(dòng)讓系統(tǒng)執(zhí)行新訂單。
(3)實(shí)時(shí)記錄訂單的完成情況，根據(jù)訂單完成情況，定期打印訂單生產(chǎn)情況報(bào)表。
同時(shí)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中設(shè)置了用戶權(quán)限，因此可保證定單數(shù)據(jù)的安全。
4．4出貨管理
出貨管理主要將已安排生產(chǎn)的訂單以挑選方式排出作為出貨定單。管理人員輸入出貨單之運(yùn)費(fèi)價(jià)格、車號(hào)、裝車時(shí)間、裝貨規(guī)格品種、數(shù)量等，并列出當(dāng)日或當(dāng)日貨運(yùn)明細(xì)表。同時(shí)包括退貨單的輸入、更正和刪除等。
5結(jié)束語
嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線DCS采用3級(jí)結(jié)構(gòu)，采用Ethernet與現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，大量采用冗余技術(shù)，實(shí)踐表明，該系統(tǒng)開放性和容錯(cuò)能力高，系統(tǒng)重新定義容易，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性好。采用以實(shí)時(shí)內(nèi)核為基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，進(jìn)行系統(tǒng)的功能定義和采集控制算法程序的編寫，系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較好。