潘曉萌，羅 霄

（1.河南職業(yè)技術學院 科技開發(fā)處，河南 鄭州 450046；2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015）

0 引言

自20 世紀80 年代面粉自動生產(chǎn)線開始出現(xiàn)在國內(nèi)以來，面粉加工業(yè)已經(jīng)走過了由傳統(tǒng)繼電器到基于PLC 程序控制的改造之路.但隨著工廠的發(fā)展，設備的增多，改造時間的不同，就出現(xiàn)了多個控制系統(tǒng)并存的問題.傳統(tǒng)DCS（分布式控制系統(tǒng)）系統(tǒng)基本上都是一對一連線，無法實現(xiàn)對現(xiàn)場設備和數(shù)據(jù)參數(shù)的集中監(jiān)控，而基于PLC 的程序控制相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)要強很多，但隨著時間推移，將會產(chǎn)生許多問題，對后續(xù)生產(chǎn)帶來較大影響[1].原有的生產(chǎn)控制模式無法有效滿足企業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，必須加以改造升級.

1 系統(tǒng)改造方案設計

1.1 原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡

原控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 原控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of original control system

經(jīng)過深入分析后發(fā)現(xiàn)，原系統(tǒng)主要存在5 個方面的弊端：

（1）系統(tǒng)設備落后.主控室的工控機與監(jiān)控設備的接口過于陳舊，已經(jīng)被市場淘汰，所以必須要對工控機加以更換.

（2）無法對原計算機中的數(shù)據(jù)加以備份，不能實現(xiàn)上位機的實時監(jiān)控.

（3）盡管PLC 采用的是比較先進的歐姆龍和西門子，但由于工廠的生產(chǎn)模式和管理模式都已經(jīng)發(fā)生巨大改變，不同廠家的PLC 無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和資源共享.

（4）原系統(tǒng)采用一個PLC 來完成對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制，電纜分布過于復雜，距離太遠，盡管采取的是管線鋪設，但時間長了，難免會發(fā)生意外破損，為生產(chǎn)帶來不必要的麻煩和損失.

（5）成品庫中的定量稱質(zhì)量控制系統(tǒng)始終都是人工操作和控制，無法實現(xiàn)全自動化和全智能化，稱量精準度也無法滿足要求，亟需進行改造升級，數(shù)據(jù)采集和計算也要進行優(yōu)化，以實現(xiàn)系統(tǒng)的全自動化操控.

1.2 改造系統(tǒng)控制的方案確定

經(jīng)過深入分析和全面考慮，設計并確定了最終系統(tǒng)方案，就是在將原系統(tǒng)改造為多個DCS 系統(tǒng)的基礎上，利用網(wǎng)絡共用的通訊協(xié)議實現(xiàn)仿FSC控制系統(tǒng).分布式控制系統(tǒng)在模擬量較少的系統(tǒng)中具有更強的實用性，本項目無需太多的模擬通道，因此可以有效確保該項目的經(jīng)濟性，實現(xiàn)效益最大化[2].

將主控室的工控機作為系統(tǒng)主站，與組態(tài)軟件一起實現(xiàn)自動化、信息化和智能化系統(tǒng)控制.分布式DCS 系統(tǒng)分別實現(xiàn)對現(xiàn)場設備狀態(tài)、啟停進行實時監(jiān)控.其中的模擬量輸入模塊主要用于采集現(xiàn)場料位、產(chǎn)量等信號反饋信息；模擬量輸出模塊則實現(xiàn)對調(diào)節(jié)閥的實時控制.

2 PLC 通訊方案的確定與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)分析

要實現(xiàn)不同PLC 之間和上位機之間的數(shù)據(jù)交換與資源共享，再考慮到實際層面無法實現(xiàn)對硬件設備的大批更換，所以在改造過程中要充分利用原有的數(shù)據(jù)接口，選取網(wǎng)絡共用的通信協(xié)議，以串行的方式加以實現(xiàn)[3].整個系統(tǒng)中，C200HS 的PLC 實現(xiàn)對整個生產(chǎn)流程的操控，就是實現(xiàn)面粉加工中的自動測量、自動計算和自動控制，而分布于兩個車間的S7-200PLC 則是用于對數(shù)據(jù)進行采集和檢測.放置于現(xiàn)場的電子秤設備盡管屬于信息采集系統(tǒng)的一部分，但實際上并不具備控制功能.為了提高通訊性能，本系統(tǒng)采用主從模式進行結(jié)構(gòu)架設[4].

2.2 Modbus 通訊網(wǎng)絡協(xié)議

該通信協(xié)議的開發(fā)商是Modicon 公司，屬于一種應用于PLC 或相關工業(yè)控制器上的通用協(xié)議，是一個定義PLC 控制器可以識別使用的通訊結(jié)構(gòu)，描述主控制器訪問從站設備的過程.

2.3 通訊接口的選擇

通訊接口選擇RS232/RS485，這樣可以和原有系統(tǒng)的RS232 接口相結(jié)合，完成不同PLC 之間的數(shù)據(jù)規(guī)約轉(zhuǎn)換.電氣接口選用RS485，采用二線差分平衡器，確保一根導線的電壓值是另一根的2倍，接收端的輸入電壓是兩根電壓值的初值.

2.4 通訊方案實現(xiàn)

根據(jù)Modbus 協(xié)議規(guī)則，基于Modbus 的通訊系統(tǒng)可以包含多達255 個從站，但是從站不可能有那么多，而且有且只能有一個.本系統(tǒng)將主控室工控機選為主站，原工控機的串口利用Hostlink 實現(xiàn)與歐姆龍C200HS PLC 的實時通訊，剩下的另一個串口則利用Modbus 協(xié)議與西門子S7-200 PLC 實現(xiàn)主從通訊，利用組態(tài)軟件將生產(chǎn)過程中的一系列數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行上位機界面的實時呈現(xiàn)[5].事實上，系統(tǒng)包含了兩個從站，一個是分布于成品庫的S7-200 的PLC，一個是配粉車間的S7-200 的PLC，這樣就將主站地址設為1，西門子S7-200 從站地址均設為2，歐姆龍C2200HS 從站地址設為4，這些設置要靠PLC 自主設置和專業(yè)編程實現(xiàn)，然后再組態(tài)軟件中完成相關的設置，以此來實現(xiàn)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的連接.具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示.

圖2 通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.2 Erecting diagram structure of communication system

3 PLC 控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 設計流程

改造后的控制系統(tǒng)設計具體包括確定控制范圍、外圍電路設計、動態(tài)軟件設計、I/O 點分配和現(xiàn)場調(diào)試等.具體的PLC 系統(tǒng)設計流程如圖3 所示.

3.2 控制流程

具體的控制流程如圖4 所示.

系統(tǒng)在正式運行調(diào)試階段，要實施初始化檢測，若是包裝袋沒有停到位，那么就啟動相關設備調(diào)整包裝袋位置，并對其他設備進行初始化檢測，比如對稱重倉內(nèi)的面粉殘留量進行統(tǒng)計顯示等[6].按下SQ3 按鈕后，系統(tǒng)進入準備運行狀態(tài)，按下SB1 按鈕后，系統(tǒng)正式運行.

3.3 軟件編程設計

結(jié)合PLC 控制系統(tǒng)的硬件配置要求，在軟件編程環(huán)節(jié)對硬件加以動態(tài)編程，通過分析得知，PLC 的機架主要是由3 個槽位構(gòu)成的，即CPU 電源槽位、核心處理器槽位和通訊模塊槽位，在動態(tài)編程過程中要分別對它們的型號、I/O 分配和信號類型加以具體定義.具體的編程流程如圖5 所示.

圖3 PLC 控制系統(tǒng)設計流程Fig.3 The process of PLC control system

圖4 系統(tǒng)控制流程Fig.4 The process of system control

圖5 軟件組態(tài)編程流程Fig.5 Software configuration programming process

3.4 上位機和PLC 的通訊

目前，市場上有很多種較為流行的組態(tài)軟件，但出于經(jīng)濟性、實用性和效率性考慮，本系統(tǒng)選擇組態(tài)王軟件實現(xiàn)仿真軟件具體組態(tài)[7].系統(tǒng)改造方案中，主控室的工控機已設為主站，那么上位機要設為從站.打開組態(tài)王軟件，對從機地址、數(shù)據(jù)段、功能碼和校驗碼等固定參數(shù)加以設置.這些固定參數(shù)中，必須確保從機地址的不重復，以及其他參數(shù)與主模式參數(shù)相同性，否則，將不能實現(xiàn)上位機和PLC 之間的通訊[8].

4 結(jié)語

基于Modbus 協(xié)議的仿FCS 的面粉生產(chǎn)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同PLC 之間及主從站之間的實時通訊和資源共享.主從站之間采用Modbus 通信協(xié)議，上位機和PLC 之間采用Hostlink 通信協(xié)議，實現(xiàn)了設備層和管理層的獨立運行，是一套具有較強實用性的系統(tǒng)設計方案，在控制領域具有廣泛的適用性[9].經(jīng)過最終的現(xiàn)場調(diào)試和試用，該系統(tǒng)改造方案與系統(tǒng)設計完全符合現(xiàn)代控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，具有非常重要的現(xiàn)實價值.但是，由于在實踐經(jīng)驗和理論研究方面還存在較大漏洞，比如生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太單一，核心擴展性能有待提高，觸摸屏無法實現(xiàn)多臺PLC 的操控，而在以后的系統(tǒng)升級中，若是采用485 通訊網(wǎng)絡對變頻器進行多臺連接時，就會因通訊速率過低而延長輪詢時間，將嚴重影響控制性能[10].這些問題尚待深入探究，控制系統(tǒng)還有很大的改進空間.

［1］趙小龍，張為民.Modbus 協(xié)議在風光互補控制器中的應用研究［J］.安慶師范學院學報：自然科學版，2014（2）：65-68.

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［4］畢海婷，任大偉.Modbus 總線PLC 冷庫自動化控制系統(tǒng)［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2014（1）：107-111.

［5］左衛(wèi)，程永新.Modbus 協(xié)議原理及安全性分析［J］.通信技術，2013（12）：70-73.

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