基于PROFIBUS總線的渦輪增壓器生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹

1 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn)，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數(shù)字化、開(kāi)放性、分散性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前，已逐漸成熟并對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，F(xiàn)F等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS是德國(guó)于90年代初制訂的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)DIN19245。它是一種國(guó)際化的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),即EN50170歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為供應(yīng)商和用戶的投資提供了最佳的保護(hù)并確保供應(yīng)商的獨(dú)立自主性。PROFIBUS具體規(guī)定了串行現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)和功能特性,它可使分散式數(shù)字化控制器從現(xiàn)場(chǎng)底層到車間及網(wǎng)絡(luò)化。PROFIBUS分為主設(shè)備(主站)和從設(shè)備(從站)。主站決定總線上的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí),不用外界請(qǐng)求就可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)器和測(cè)量變送器。它們沒(méi)有總線控制權(quán),僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。

　　2 方案分析

　　渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過(guò)廢氣壓縮進(jìn)入空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整一下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。由于渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對(duì)增壓器的裝配技術(shù)要求很高。其中對(duì)壓氣端間隙、渦端間隙、軸向間隙、整體動(dòng)平衡、整機(jī)檢漏和放氣閥開(kāi)啟壓力和位移幾個(gè)參數(shù)的誤差要求控制在十幾個(gè)甚至幾個(gè)絲之內(nèi)。如用傳統(tǒng)的電氣儀表難以達(dá)到精度要求，同時(shí)抗干擾能力差;而且讓工人手工記錄并判斷是否在誤差范圍之內(nèi)，將大大降低工作效率。這正給Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線提供了用武之地。Profibus 將底層檢測(cè)設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)字通信，同時(shí)和上位機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，為上位機(jī)提供數(shù)據(jù)支持;上位機(jī)將誤差范圍作為各個(gè)工位的工藝參數(shù)下載到各個(gè)工位，同時(shí)將數(shù)據(jù)放入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，供各種查詢和技術(shù)分析之用。下面是某增壓器廠的裝配線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,我們采用西門(mén)子公司S7-400型承擔(dān)信號(hào)采集工作,又根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)將要采集的信號(hào)位置分散的特點(diǎn),采用了西門(mén)子公司Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線中的遠(yuǎn)程I/O即DP技術(shù)。各傳感器信號(hào)就近接入Profibus子站,這樣可以最大限度的減少現(xiàn)場(chǎng)接線工作,并且因?yàn)樽呔€距離短,可以減少信號(hào)衰減和各種干擾對(duì)信號(hào)的影響。

　　系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用Profibus網(wǎng)絡(luò), Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)共有三種協(xié)議方式,分別為FMS,DP和PA。我們本次應(yīng)用的為DP方式。DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主從結(jié)構(gòu),一條DP網(wǎng)可包含一個(gè)主站和最多126個(gè)從站, 網(wǎng)絡(luò)傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達(dá)到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)到12Mbit/S 時(shí)其傳輸距離最長(zhǎng)為100米。

　　3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)選型

　　考慮到上位機(jī)和上位機(jī)、上位機(jī)和主PLC、主PLC和從PLC進(jìn)行信息交換，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三層組成：

　　管理網(wǎng)絡(luò)(MIS)：采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，上位機(jī)和上位機(jī)之間的連接。

　　MPI網(wǎng)絡(luò)：采用通訊處理卡將主PLC和上位機(jī)相連。

　　DP網(wǎng)絡(luò)：這是最底層的網(wǎng)絡(luò)，將分散的數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)連接起來(lái)，即主PLC和從PLC、觸摸屏之間的連接。

　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器是連接以太網(wǎng)和工控網(wǎng)的橋梁，它通過(guò)3COM交換機(jī)與以太網(wǎng)連接。

　　圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.2 上位機(jī)

　　采用HP ML350服務(wù)器和研華工控機(jī)作上位機(jī)，通過(guò)CP5613通訊卡使服務(wù)器與CPU412-2 相連，這樣PC與現(xiàn)場(chǎng)總線就連接成能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。HP服務(wù)器監(jiān)控軟件采用SIEMENS公司W(wǎng)INCC軟件，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)的下達(dá)和結(jié)束、將生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中、下線處理和設(shè)備故障清除。研華工控機(jī)采用自主開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，主要完成產(chǎn)品清單、產(chǎn)品工藝、工單和工單工藝定制，并完成生產(chǎn)任務(wù)指令的下達(dá)，將工單工藝下載到TP270觸摸屏上，而且可以對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并生成相應(yīng)的報(bào)表，Execel。

　　3.3 SIMATIC S7主站

　　作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統(tǒng)選用CPU412-2模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，具有強(qiáng)大的處理能力(具有0.3ms處理1024語(yǔ)句的速度)。根據(jù)程序內(nèi)容讀取總線上的所有I/O模塊的輸入輸出量并讀取CP340內(nèi)字節(jié)數(shù)大于4的條碼放到相應(yīng)的DB塊中。

　　3.4 從站(Slave A，B)

　　從站A包括2個(gè)EM277帶CPU226和1個(gè)IM153-2帶CP340。CPU226主要完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集并監(jiān)制專機(jī)檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行;CP340從條碼槍讀入條碼。

　　從站B包括12個(gè)西門(mén)子TP270-10觸摸屏。為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存入、下線處理和故障消息組態(tài)友好的人機(jī)交互界面，盡可能減少操作人員的軟故障,及時(shí)向操作工反映通訊故障。

　　4 軟件組態(tài)

　　STEP7組態(tài)：網(wǎng)絡(luò)配置分為軟件配置和硬件配置兩部分,軟件部分通過(guò)STEP7編程軟件對(duì)S7-400 CPU412-2DP進(jìn)行配置包括通訊速率,子站數(shù)量及站地址等。當(dāng)軟件配置完成后,各接入的監(jiān)控信號(hào)在CPU中的對(duì)應(yīng)地址將會(huì)自動(dòng)生成。硬件配置主要是將ET200M子站的接口模塊IM153-2上的地址撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置成與軟件設(shè)置相同。因?yàn)槭怯肅P340做從站讀入條碼槍的條碼,因此CP340必須選擇ASCII協(xié)議,還必須對(duì)此協(xié)議的起始終止位和奇偶較驗(yàn)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并對(duì)CP340進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序下載。硬件組態(tài)如圖2所示。

　　圖2 硬件組態(tài)