湯晨宇

(江蘇帕特納實業(yè)發(fā)展有限公司 南通分公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于近年來科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的更迭周期大大縮短，一些數(shù)年前的設(shè)備已無法滿足當(dāng)今智能制造大環(huán)境的要求，因此，本項目為了使某母粒生產(chǎn)廠老舊設(shè)備能夠與其公司的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)連接，對其公司內(nèi)的五十余臺各類設(shè)備進行了相關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計和改造，使這些設(shè)備能夠自動采集各項所需要的數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)儲存到專用的SQL數(shù)據(jù)庫中，同時MES系統(tǒng)通過OPC UA與組態(tài)軟件和SQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)對接。

1 母粒生產(chǎn)廠設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造的總體設(shè)計

首先，根據(jù)客戶的需求和現(xiàn)場設(shè)備的實際情況，考慮對相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備進行了一些改造設(shè)計，以達到數(shù)據(jù)采集的條件。

其次，對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進行方案設(shè)計。由于需從智能電表、變頻器、溫控器、接觸器、熱電偶等各種電氣設(shè)備、元件上采集多種數(shù)據(jù)，同時考慮到成本等因素，最終選擇了可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作為設(shè)備端的數(shù)據(jù)收集元件。

接著，對組態(tài)軟件與設(shè)備端通訊進行方案設(shè)計。由于該項目是在一個廠區(qū)內(nèi)，占地面積并不算大，因此，綜合考慮通訊速度、穩(wěn)定性、可靠性、容量以及相關(guān)成本等因素，最終決定采用工業(yè)以太網(wǎng)來貫通全場。

最后，是對系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)收集的方案設(shè)計。經(jīng)過對系統(tǒng)的信息處理和傳輸?shù)挠嬎悖铱紤]到系統(tǒng)的預(yù)算、技術(shù)、性價比等方面的因素，最終選擇了組態(tài)軟件作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集中心。

在PLC與其下位機的通訊選擇上，由于所需要采集的設(shè)備和元件種類繁多，因此為了能夠最大限度地直接采集各項數(shù)據(jù)，對各設(shè)備進行了細致的調(diào)研和分析，最終確定采用RS-485通訊。對于PLC與其上位機組態(tài)軟件的通訊方式，經(jīng)考量后決定采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中較常用的Modbus TCP通訊協(xié)議。該通訊協(xié)議具有兼容性高、共享能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸距離長、成本低、易組網(wǎng)和接口應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

2 母粒生產(chǎn)廠設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造的硬件選型與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的硬件選型

2.1.1 PLC及擴展模塊選型

根據(jù)系統(tǒng)對PLC的要求，特別是對通訊方面的要求，經(jīng)過多方對比，最終選擇了臺達DVP-SE系列DVP12SE11R繼電器型PLC。

對于單臺擠出機十多路的溫度數(shù)據(jù)采集需求，為了減少安裝周期，降低相應(yīng)的成本，最終決定在原有的溫控器基礎(chǔ)上將其熱電偶并聯(lián)起來，并選用了與DVP-12SE適配的溫度測量模塊DVP04TC-S。

2.1.2 智能電表選型

由于大多數(shù)設(shè)備均需采集能耗及主機電流，而現(xiàn)場設(shè)備均沒有相關(guān)數(shù)據(jù)采集的儀器儀表，因此需添加相應(yīng)的智能電表來采集相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過對比，最終選擇了臺達DPM-D系列DPM-D520I型智能電表。同時為方便施工，選擇了與DPM-D系列配套的DCT-S211C型開口電流互感器。

2.1.3 溫控器選型

對于結(jié)晶機和烘箱上的幾臺溫控儀表，由于其無法滿足通訊和數(shù)據(jù)傳輸要求，因此決定將其替換。經(jīng)過多方對比，決定采用臺達同等規(guī)格尺寸的DT3系列DT320RA-0200、DT340RA-0200、DT360RA-0200型溫度控制器。

2.1.4 其他元件選型

除以上幾種硬件外，本系統(tǒng)還采用了工業(yè)交換機、工業(yè)無線AP、工業(yè)計算機、開關(guān)電源等硬件。

工業(yè)交換機選用臺達DVS系列工業(yè)級非網(wǎng)管型以太網(wǎng)絡(luò)交換機；工業(yè)無線AP采用臺達DVW-W02W2型工業(yè)級無線AP；工業(yè)計算機選擇了臺達IPC系列DIAVH-IPC005型工業(yè)計算機；開關(guān)電源選擇臺達DVP系列與PLC搭配的DVP-PS系列電源模組。

2.2 電氣控制柜設(shè)計

現(xiàn)場控制柜共分為兩種，一種是數(shù)據(jù)采集柜，另一種是交換機柜，所有箱體規(guī)格統(tǒng)一為長600 mm、寬350 mm、深200 mm。

采集柜的命名采用車間名加序號的方式，如A1，A2，…；B1，B2，…；后1，后2，…。每臺采集柜內(nèi)的基本硬件配置一致，后期再根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行更改，如擠出機的采集柜增加了3個臺達DVP-04TC-S型溫度測量模塊等。

交換機柜共有3臺，A車間、B車間、后整理車間各一臺。交換機柜負責(zé)匯集整個車間的工業(yè)以太網(wǎng)并匯集到B車間，最后接入服務(wù)器。

3 系統(tǒng)的程序及軟硬件應(yīng)用設(shè)計

3.1 PLC程序的設(shè)計

臺達DVP系列PLC的編程軟件選用了WPLSoft軟件，可以進行梯形圖編程、SFC編程和指令編程。本設(shè)計采用了梯形圖編程。

3.1.1 PLC通訊程序設(shè)計

系統(tǒng)PLC程序設(shè)計的最主要部分是RS-485通訊程序的編寫。由于現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量較多，且各設(shè)備工況、狀態(tài)等參差不齊，導(dǎo)致各臺PLC程序的規(guī)整度也不相同，因此本文以較為規(guī)整的B5控制柜PLC程序設(shè)計為例進行介紹。

(1)對PLC的D1120特殊數(shù)據(jù)寄存器COM2 (RS-485)通訊格式進行設(shè)定，將通訊格式9600,8，N，1轉(zhuǎn)換為H81寫入特D1120；設(shè)置通訊逾時時間為200 ms，寫入特D1129中；設(shè)置通訊模式特M1143特殊輔助繼電器COM2(RS-485)的ASCII/RTU 模式為RTU模式(Off 時為ASCII 模式，On 時為RTU 模式)；置位特M1120使COM2(RS-485)通訊格式保持，設(shè)置后變更D1120無效。通訊格式設(shè)置程序如圖2所示。

圖2 通訊格式設(shè)置程序

(2)當(dāng)通訊格式設(shè)置完成之后就進入通訊輪訓(xùn)程序，通過對特M1127：COM2(RS-485)通訊指令數(shù)據(jù)傳送接收完畢、特M1129：COM2(RS-485)接收逾時、特M1140：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW數(shù)據(jù)接收錯誤、特M1141：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW指令參數(shù)錯誤等特殊輔助繼電器的上升沿來觸發(fā)通訊輪訓(xùn)切換的同時復(fù)位相關(guān)的特殊輔助繼電器。每一次的通訊輪訓(xùn)切換都會使通訊輪訓(xùn)切換計數(shù)器C0加1，每次的C0改變都會觸發(fā)一步通訊，使得每一步的通訊依次有序地進行，直至所有通訊完成后C0清零，進行循環(huán)。

(3)通訊讀取選擇MODRW：MODBUS讀寫數(shù)據(jù)指令，其功能碼設(shè)定為H3。讀取多筆字符(Word)裝置，其回傳的數(shù)據(jù)會被儲存在S操作數(shù)開始連續(xù)的寄存器中，并且自動將轉(zhuǎn)換后的16進位數(shù)據(jù)儲存在D1296～D1311。該RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)中智能電表D520I站號為1，擠出變頻器站號為2，攪拌變頻器站號為3。通訊讀取程序如圖3所示。

圖3 通訊讀取程序

3.1.2 PLC與溫度測量模塊的數(shù)據(jù)讀寫程序設(shè)計

在擠出機的數(shù)據(jù)采集中還需要PLC從其擴展的溫度測量模塊中讀取出溫度數(shù)據(jù)，因此就需要編寫相應(yīng)的程序來讀取數(shù)據(jù)。在臺達DVP系列PLC的編程中采用“FROM/TO”指令來“讀取/寫入”相應(yīng)擴展模塊控制寄存器(CR)中的數(shù)據(jù)。首先通過“TO”指令將相應(yīng)的值寫入#1CR寄存器中用來設(shè)定溫度測量模塊各通道采集的熱電偶型式，之后通過“FROM”指令來讀取溫度測量模塊上各通道的測量攝氏溫度平均值及擴展模塊錯誤狀態(tài)。溫度測量模塊數(shù)據(jù)讀寫程序如圖4所示。

圖4 溫度測量模塊數(shù)據(jù)讀寫程序

3.1.3 PLC采集數(shù)據(jù)的初步運算程序設(shè)計

為了使不同設(shè)備的同類數(shù)據(jù)采用同一格式、標準、單位等，同時為了降低系統(tǒng)端的運算負荷，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，決定在PLC端進行相關(guān)數(shù)據(jù)的初步運算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式、標準、單位后再進行傳輸。

一般來說PLC寄存器很難直接儲存有小數(shù)位的數(shù)據(jù)，如變頻器頻率“50.00 Hz”,PLC讀取出來的數(shù)據(jù)則為“5 000”;溫度測量模塊采集的溫度“36.5 ℃”,PLC讀取出來則為“365”，因此需要進行一定的運算才能得到所需要的準確的數(shù)據(jù)。為了方便運算并降低不必要的數(shù)據(jù)誤差，于是決定采用浮點數(shù)運算，將相應(yīng)的整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)后再進行相應(yīng)的運算，最后直接以浮點數(shù)的形式進行傳輸。變頻器頻率運算程序如圖5所示。

圖5 變頻器頻率運算程序

3.2 硬件的應(yīng)用設(shè)計

D520I智能電表是該系統(tǒng)中比較重要的采集設(shè)備，但其并非拿起來就能用的，需要用DPMSoft對其進行相應(yīng)的應(yīng)用配置。DPMSoft軟件界面如圖6所示。

當(dāng)連接上D520I智能電表后需要對其CT電流互感器的一次側(cè)和二次側(cè)參數(shù)、RS-485通訊站號以及通訊格式進行修改。根據(jù)DCT-S211C電流互感器的參數(shù)，需要將D520I智能電表的CT一次側(cè)設(shè)定為200 A、二次側(cè)設(shè)定為5 A。RS-485的通訊站號及通訊格式需要按照前期的站號分配及格式安排來設(shè)定，如B15號柜負責(zé)采集的6#高混機的通訊格式為：“3號站、RTU通訊模式、9600,8,N，1”。

3.3 組態(tài)軟件的選擇

組態(tài)軟件是組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的簡稱，是用來進行采集數(shù)據(jù)和過程控制的軟件，是自動控制等系統(tǒng)的監(jiān)控用軟件平臺。經(jīng)過多方對比，考慮軟件的實用性、功能性以及性價比等因素，最終選擇了北京亞控科技旗下的KingIOServer。

KingIOServer集成了5 000多種驅(qū)動，能夠解決設(shè)備通訊的各種難題，其支持的驅(qū)動包括PLC、IO模塊等，支持包括串口、以太網(wǎng)、GPRS等在內(nèi)的多種通訊，同時第三方系統(tǒng)可以通過API接口和OPC(DA和UA)方式訪問實時數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備層與邊緣層的改造應(yīng)用。主要通過PLC來進行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及初步運算，由KingIOServer讀取各PLC的數(shù)據(jù)，最后由MES系統(tǒng)對接KingIOServer并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)后進行更深層次的運算與運用。

現(xiàn)今，全球都掀起了發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱潮，我國政府及各行業(yè)也都極為重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。然而我國制造業(yè)規(guī)模龐大，絕大部分的老舊設(shè)備無法滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，但若為發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而進行大范圍的設(shè)備更新?lián)Q代顯然是天方夜譚，由此，設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)改造就有了很大的市場和前景。