西門子基于PC 機(jī)的自動(dòng)化控制產(chǎn)品，分為Soft PLC 及Slot PL 兩種類型。Soft PLC 又分為基本型及實(shí)時(shí)型兩種，它們是Windows NT 或2000 操作系統(tǒng)下的一個(gè)運(yùn)行軟件，而Slot PLC 則是插在PC 機(jī)內(nèi)的板卡式PLC，又分為Slot 412 和Slot 416兩種。 IL70: 西門子嵌入式觸摸面板工業(yè)PC 機(jī)。 WinCC: 西門子工業(yè)組態(tài)軟件。 ET200: 西門子S7 系統(tǒng)中遠(yuǎn)程I/0，或稱之為分布式I/0。 PROFBUS: 現(xiàn)場(chǎng)總線。 OPC: 用于過程控制的對(duì)象鏈接和嵌入。 本文論述的這條紡織生產(chǎn)線是青島宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司新近研制開發(fā)的產(chǎn)品。該公司是中國(guó)紡機(jī)行業(yè)的著名企業(yè)，梳棉機(jī)，落筒機(jī)，清梳聯(lián)等是其主要產(chǎn)品。近年來，隨著紡織行業(yè)的發(fā)展，該公司不斷開發(fā)具備高新技術(shù)，能與國(guó)外知名產(chǎn)品相媲美的新產(chǎn)品。而該生產(chǎn)線正是青島宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司這一、二年來的重點(diǎn)項(xiàng)目，目前正處于優(yōu)化調(diào)試階段，將于今年底面市，因此本文在論及該生產(chǎn)線時(shí)，略去了各設(shè)備的名稱及其主要工藝，主要描述西門子產(chǎn)品在該項(xiàng)目上所體現(xiàn)的特點(diǎn)，以及作者使用中的體會(huì)。 其中A 為主要設(shè)備，該設(shè)備停止運(yùn)行則整個(gè)生產(chǎn)線停止生產(chǎn)。而B、C、D、E 等設(shè)備則可以根據(jù)紡織廠不同的產(chǎn)品工藝要求獨(dú)立地運(yùn)行或停止，而且B、C、D 設(shè)備可以1臺(tái)運(yùn)行，也可以2臺(tái)相同設(shè)備同時(shí)運(yùn)行。E 設(shè)備則可以有更多數(shù)量同時(shí)運(yùn)行。在電氣控制上要求將生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況實(shí)時(shí)反映到車間級(jí)及廠級(jí)管理層，并將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存檔。同時(shí)要求整個(gè)生產(chǎn)線上所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)必須傳送到一個(gè)操作員站及一個(gè)工程師站上實(shí)時(shí)顯示，所有設(shè)備的工藝參數(shù)設(shè)置由操作員站完成。另外，由于生產(chǎn)線上各設(shè)備分散距離較遠(yuǎn)，考慮到設(shè)備手動(dòng)調(diào)試時(shí)的可操作性，要求設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試必須就近連接操作面板，一旦手動(dòng)調(diào)試停止，即拆除連接的操作面板。 在選擇控制系統(tǒng)時(shí)，最初有兩種設(shè)計(jì)方案： A 設(shè)備選用S7-400 系列PLC，CPU 為CPU412-2DP；C 設(shè)備，D 設(shè)備選用S7-300系列PLC，CPU 分別為CPU314，CPU315-2DP；B 設(shè)備和E 設(shè)備選用S7-200 系列PLC，CPU 為CPU224 并帶EM277 PROFIBUS 擴(kuò)展板，將B 設(shè)備和E 設(shè)備分別作為D 設(shè)備的智能PROFIBUS 從站。A 設(shè)備上的S7-400 系統(tǒng)中配置一塊CP443-1 工業(yè)以太網(wǎng)通訊卡，與工程師站聯(lián)接，并與車間級(jí)及廠級(jí)管理層聯(lián)網(wǎng)。A、C、D 設(shè)備及操作員站TP37 用MPI聯(lián)網(wǎng)，各設(shè)備互相之間的邏輯互鎖及數(shù)據(jù)交換通過MPI 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。C 設(shè)備，D 設(shè)備將生產(chǎn)狀況及運(yùn)行狀態(tài)傳送給A 設(shè)備，由A 設(shè)備通過以太網(wǎng)傳送給工程師站及管理層網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，B 設(shè)備，E 設(shè)備通過PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給D 設(shè)備，通過D 設(shè)備傳送給A 設(shè)備，并向上一級(jí)傳送。系統(tǒng)中配置的TP37 觸摸屏作為操作員站，為各設(shè)備設(shè)置參數(shù)，并顯示部分運(yùn)行數(shù)據(jù)。對(duì)于A、C、D 設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試?yán)靡粋€(gè)TP170B 通過MPI 網(wǎng)絡(luò)就近聯(lián)接各PLC 來完成。 整個(gè)控制系統(tǒng)由PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)組成。A 設(shè)備選用S7-400 系列PLC，CPU 為CPU412-2DP，作PROFIBUS 主站，其自身的I/0 由ET200M 組成；C 設(shè)備，D 設(shè)備，選用ET200M 遠(yuǎn)程I/0 方式作A 設(shè)備的PROFIBUS 從站；B 設(shè)備和E 設(shè)備選用S7-200系列PLC，并配EM277，直接作為A 設(shè)備的智能從站。A 設(shè)備與工程師站的聯(lián)接及與管理層聯(lián)網(wǎng)方式同方案一，操作員站同樣選用TP37。A、C、D 設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試?yán)靡粋€(gè)TP170B 就近聯(lián)接完成。 對(duì)于第一種設(shè)計(jì)方案，各設(shè)備的控制系統(tǒng)獨(dú)立性較強(qiáng)，可單獨(dú)運(yùn)行或停止，調(diào)試方便，但問題也是顯而易見的： 1. 數(shù)據(jù)傳送問題 因?yàn)锽、C、D、E 各設(shè)備的信息都必須通過A 設(shè)備傳送到工程師站及管理層網(wǎng)絡(luò)，因此B、C、D、E 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送到工程師站的實(shí)時(shí)性較差。TP37 作為操作員站，同時(shí)要與A、C、D 三種設(shè)備通訊，同樣需要較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)更新周期。 2. 通訊能力問題 因?yàn)镃，D 設(shè)備選用的是S7-300 系列PLC 中的CPU314，CPU315-2DP，它們的S7 固定連接數(shù)量受到限制，如C 設(shè)備，它必須同時(shí)與一個(gè)A 設(shè)備，兩個(gè)D 設(shè)備，一個(gè)TP37 及一個(gè)TP170B 連接，這個(gè)連接數(shù)超過了它的S7 固定連接數(shù)量。雖然可以通過A設(shè)備再與D 設(shè)備連接，或建立動(dòng)態(tài)連接等方法來解決問題，但顯然不方便。而且A、C、D 設(shè)備之間的邏輯連鎖控制，如通過上述兩種方法解決，實(shí)時(shí)性很差，在工藝上也是不允許的。 3. 互換性較差 用這種方案時(shí)，A 設(shè)備，兩臺(tái)C 設(shè)備，兩臺(tái)D 設(shè)備，都有不同的MPI 地址。生產(chǎn)廠在提供設(shè)備給紡織廠時(shí)，必須對(duì)相同設(shè)備的CPU 下載不同的配置，相同設(shè)備之間無法互換，給設(shè)備安裝及銷售管理增加麻煩。 第二種方案則解決了第一種方案所遇到的技術(shù)問題。因?yàn)镃、D 設(shè)備是A 設(shè)備的分布式I/0 站，所有生產(chǎn)信息及運(yùn)行狀態(tài)都在CPU412-2DP 中，這些設(shè)備的信息同時(shí)傳送到工程師站及管理層網(wǎng)絡(luò)上。TP37 也只和一個(gè)CPU 通訊，數(shù)據(jù)更新快，也不存在各設(shè)備之間通訊能力的問題。同時(shí)，C、D 設(shè)備在PROFIBUS 網(wǎng)上的從站地址可以直接在接口模板IM153 上設(shè)置，因此，C 設(shè)備之間或D 設(shè)備之間可以完全互換，設(shè)備安裝維修更方便。雖然在這種方案中，C、D 設(shè)備必須依賴A 設(shè)備的運(yùn)行才能運(yùn)行，但因?yàn)楸緛砩a(chǎn)工藝上，當(dāng)A 設(shè)備停止時(shí)，C、D 設(shè)備就不能運(yùn)行，因此，C、D 設(shè)備的獨(dú)立運(yùn)行沒有必要，如果僅為設(shè)備調(diào)試方便，相對(duì)而言意義不大。 但是，第二種設(shè)計(jì)方案也有不是之處。A、B、C、D、E 各設(shè)備的信息都必須通過一塊CP443-1 以太網(wǎng)卡傳送到工程師站及管理層網(wǎng)絡(luò)，存在一個(gè)數(shù)據(jù)通訊的瓶頸問題，數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性及速度都受到限制。另外，鑒于TP37 的能力，操作員站只能用于參數(shù)設(shè)置及少量數(shù)據(jù)顯示用，而無法完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存檔、報(bào)表生成等進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理功能，并且圖形的動(dòng)態(tài)顯示效果也不理想。而西門子WinAC 產(chǎn)品的特點(diǎn)正好解決了這些問題。WinAC 不僅僅是一個(gè)可編程序控制器，它將自動(dòng)化控制和人機(jī)界面集成在一個(gè)PC 平臺(tái)上，在進(jìn)行自動(dòng)化控制的同時(shí)，完成大量的數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)處理及可視化處理。基于上述原因，對(duì)第二種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)。首先，考慮到生產(chǎn)線運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性，用WinAC 產(chǎn)品中的插槽型PLC Slot 412 代替原來的S7-400PLC 的CPU412-2DP，配合使用電源擴(kuò)展板，并外接24 伏直流電源，使控制系統(tǒng)可獨(dú)立于PC 機(jī)的操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。其次選用西門子嵌入式觸摸面板工業(yè)PC 機(jī)IL70 作為PC 平臺(tái)，其集成的TCP/IP 以太網(wǎng)口直接與工程師站及管理層聯(lián)網(wǎng)，另外在IL70 上運(yùn)行WinCC 人機(jī)界面軟件，使操作員站能完成更強(qiáng)大的功能。WinAC Slot 412 作為系統(tǒng)的中央控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的PROFIBUS-DP 主站，完成設(shè)備A、C、D 的控制任務(wù)。C、D 設(shè)備使用ET200M 作為遠(yuǎn)程分布式I/0 站，直接連接到Slot 412 集成的DP 口上。B，E 設(shè)備使用CPU224，并配置EM277 PROFIBUS 擴(kuò)展板作為Slot 412 的智能從站，將數(shù)據(jù)信息傳送給Slot 412。電源擴(kuò)展板上的外接24 伏直流電源及后備電池保證在PC 機(jī)斷電情況下，Slot 412 仍能正常工作。 IL70 作為WinAC Slot 412 的運(yùn)行平臺(tái)，同時(shí)也作為操作員站，并通過集成的TCP/IP網(wǎng)口與工程師站及管理層聯(lián)網(wǎng)。IL70 上運(yùn)行的WinCC 人機(jī)界面軟件通過OPC 客戶機(jī)方式從WinAC 的OPC 服務(wù)器端存取控制引擎中的數(shù)據(jù)。由WinAC、WinCC 在一個(gè)PC平臺(tái)上，因此這種數(shù)據(jù)交換方式速度快，數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性好。 WinCC 作為人機(jī)操作接口，完成整個(gè)控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)用戶提出的復(fù)雜的動(dòng)畫顯示功能，并對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行存檔，生成報(bào)表，提供報(bào)警信息以及設(shè)備的維護(hù)信息。 工程師站是一臺(tái)普通的PC 機(jī)，通過以太網(wǎng)與操作員站聯(lián)接。工程師站上也運(yùn)行一套WinCC 軟件，通過DCOM 配置，同樣以O(shè)PC 方式從WinAC 存取數(shù)據(jù)，并且某些權(quán)限比操作員站上的高。由于在操作員站上使用了WinCC 工業(yè)組態(tài)軟件，使管理層從該生產(chǎn)線獲取生產(chǎn)信息非常方便。WinCC 具備多種方式進(jìn)行網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換，如可以運(yùn)用WinCC 的客戶機(jī)/服務(wù)器方式，或WinCC 的Web 瀏覽器功能等等，為將來用戶廠的聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理提供多種選擇。 一臺(tái)移動(dòng)式的TP170B 操作面板，通過C 或D 設(shè)備上的ET200M 接口模板IM153 上的PROFIBUS 3通接頭直接聯(lián)接到系統(tǒng)的PROFIBUS 網(wǎng)上，對(duì)網(wǎng)上的任何一臺(tái)C 設(shè)備或D 設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作，使調(diào)試人員能在設(shè)備邊上直接進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試。TP170B 上集成了生產(chǎn)線上所有A、C、D 各設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試畫面，因此一臺(tái)TP170B 可完成所有設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試工作。 對(duì)于系統(tǒng)控制軟件，B、E 設(shè)備的控制程序由自身的CPU224 完成。A、C、D 設(shè)備控制程序由WinAC Slot 412 完成。其中A 設(shè)備中有兩路高速計(jì)數(shù)要求，由兩塊FM350-1 高速計(jì)數(shù)模板完成。每個(gè)D 設(shè)備中有兩路壓力PID 調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中一共有4 路PID 調(diào)節(jié)，鑒于Slot 412 的高速指令執(zhí)行速度，用S7 軟件PID 功能塊就可以完全滿足要求。 系統(tǒng)控制軟件中的一個(gè)重要部分是完成用戶的多種工藝選擇要求。如圖1所示，紡織廠根據(jù)自己產(chǎn)品的工藝要求可以隨意組建生產(chǎn)線。如可以只購(gòu)買A、B、C、D 各1 套設(shè)備及若干E 設(shè)備組成1條生產(chǎn)線；或購(gòu)買A、B 及C 設(shè)備各1 套，D 設(shè)備2 套及若干E 設(shè)備組成1條生產(chǎn)線；或購(gòu)買1 套A 設(shè)備，B、C、D 設(shè)備各2 套，在運(yùn)行時(shí)可自由選擇是否開1 套C 設(shè)備，或同時(shí)開2 套C 設(shè)備等等。而生產(chǎn)線的生產(chǎn)廠家為保證產(chǎn)品管理的統(tǒng)一性，要求只用一套控制軟件來完成生產(chǎn)線各種可能的配置的控制任務(wù)。也就是對(duì)他們的所有紡織廠用戶只提供一套控制軟件，由用戶自己在操作員站上設(shè)置生產(chǎn)線的實(shí)際配備。這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，即控制軟件必須包括生產(chǎn)線最大可能配置所有設(shè)備的控制任務(wù)以及組態(tài)配置，但當(dāng)某個(gè)設(shè)備在生產(chǎn)線上實(shí)際不存在時(shí)，又必須保證整個(gè)PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不出現(xiàn)故障。西門子STEP7 軟件提供了一種方法可以通過用戶程序，使PROFIBUS 從站自由地從網(wǎng)上斷開而不影響主站的運(yùn)行。首先，在控制程序中，必須編制組織塊OB84、OB86、OB87、OB122，這些組織塊在系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障，或I/0 尋址故障時(shí)，由CPU 直接調(diào)用。如果控制程序沒有包括這些組織塊，當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中有從站斷開，CPU 會(huì)直接進(jìn)入停止運(yùn)行狀態(tài)。因此，在Slot 412的控制程序中裝入了OB84、OB86、OB87、OB122。其次，STEP7 提供了一個(gè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)塊SFC12，利用SFC12，控制程序可以讀取DP從站的狀態(tài)，禁止DP 從站或激活DP 從站。當(dāng)CPU 啟動(dòng)時(shí)，如果是冷啟動(dòng)或暖啟動(dòng)，系統(tǒng)配置中的所有DP 從站被自動(dòng)激活。熱啟動(dòng)時(shí)，DP 從站保持原有狀態(tài)，即如果原來是激活狀態(tài)則保持激活，原來是禁止?fàn)顟B(tài)則保持禁止。如前所述，生產(chǎn)線的控制程序及配置是唯一的，也就是配置是按照生產(chǎn)線可能的最大配置做的，如果實(shí)際的設(shè)備配置與控制軟件中不同，下載后CPU 會(huì)出現(xiàn)故障。因此，在生產(chǎn)線按裝完成第一次正常通電時(shí)，初始化程序?qū)⑺蠸lot 412 的PROFIBUS 從站通過調(diào)用SFC 12 禁止掉，等Slot 412 正常運(yùn)行后，由操作員在操作員站上通過WinCC 人機(jī)界面軟件做出實(shí)際需要的配置。控制程序確認(rèn)這些配置后，再將存在的或選用的設(shè)備一一激活，以后當(dāng)CPU 重新啟動(dòng)時(shí)就會(huì)保持這種配置狀態(tài)，而無需再做激活或禁止工作。通過以上兩個(gè)處理，控制系統(tǒng)能在任何不同的配置下正常工作。 目前，該項(xiàng)目調(diào)試正接近尾聲，所有控制軟件已基本調(diào)試完成，并達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。通過這個(gè)項(xiàng)目可以發(fā)現(xiàn)，隨著PC 機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的快速發(fā)展，基于PC 的自動(dòng)化產(chǎn)品解決了傳統(tǒng)PLC 不足之處，它的大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，大容量的系統(tǒng)資源，方便的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，強(qiáng)大的可視化功能，快速的指令處理等能力，會(huì)使該類產(chǎn)品在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到越來越多的應(yīng)用。 編輯：何世平