基于泓格I-7188的分布式塑膠機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施
1 開(kāi)發(fā)背景以及使用I-7188的理由 隨著現(xiàn)代工廠信息自動(dòng)化進(jìn)程的加快,企業(yè)急需要將管理、決策、市場(chǎng)信息和現(xiàn)場(chǎng)控制信息結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)ERP、MES、PCS三層信息一體化的解決方案。同時(shí),企業(yè)內(nèi)、外部交換信息的需求也在不斷擴(kuò)大,現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的管理要求不斷提高,這種要求已不局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制,同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái),建立一套全集成的、開(kāi)放的、全廠綜合自動(dòng)化的信息平臺(tái),通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理,形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。在PCS層中,只有具有Web功能的SCADA系統(tǒng),才能滿(mǎn)足企業(yè)信息自動(dòng)化信息平臺(tái)的要求,它使采集和監(jiān)控的數(shù)據(jù)得以開(kāi)放,能被更多的管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和使用者所訪問(wèn)。 武漢泓華電線廠是一家合資企業(yè),專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)油田、礦山用的塑膠電線,共有Φ20~Φ80mm的塑膠機(jī)6臺(tái)和3臺(tái)小型成纜機(jī)。塑膠機(jī)的功能是將塑料熔化并擠制在電線上,工藝要求:擠制在電線上的塑料厚度必須均勻,電線的收/放由牽引電機(jī)一臺(tái)、放線電機(jī)一臺(tái)、張力電機(jī)一臺(tái)控制,見(jiàn)示意圖1。由于塑膠機(jī)的轉(zhuǎn)速一定,擠出的熱塑料量一定,因此只需調(diào)節(jié)牽引電機(jī)、放線電機(jī)、張力電機(jī)的轉(zhuǎn)速,便可調(diào)整擠制在電線上塑料厚度。而在電線廠往往由于牽引電機(jī)、放線電機(jī)、張力電機(jī)相互配合不當(dāng),導(dǎo)致塑料厚度不均勻,造成的廢品和次品較多,為了提高其工藝執(zhí)行效率,同時(shí)便于工廠對(duì)生產(chǎn)能實(shí)時(shí)在線控制,同時(shí)能將控制信息與生產(chǎn)信息無(wú)縫連接到工廠的管理系統(tǒng)MIS中去,我們采用了泓格的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信微控制器I-7188EAD和I/O擴(kuò)展控制器I-87K4模塊,構(gòu)成了一基于工業(yè)Ethernet的分布式控制系統(tǒng),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 I-7188微控制器本身是一個(gè)含有80188/40M主頻CPU的PC機(jī),其分別有256K-512K的FLASH ROM和SRAM,內(nèi)置量身定做了比ROMDOS執(zhí)行效率更高的MINIOS7操作系統(tǒng)(為泓格專(zhuān)利),且含有一個(gè)與NE2000兼容的10M 的工業(yè)Ethernet接口及多種串行通信口,可以說(shuō)是是真正意義上的帶Ethernet接口的新一代嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器,正好滿(mǎn)足了我們基于Web的SCADA的需要。(系統(tǒng)也可選用I-8431嵌入式控制器,但由于塑膠機(jī)組比較分散、控制點(diǎn)數(shù)較少,為節(jié)約系統(tǒng)資源以及HUB資源,減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i效應(yīng),我們選用了I-7188與I-87K4結(jié)合的方法) 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為真正實(shí)現(xiàn)具有Web功能的SCADA以及將生產(chǎn)工藝控制參數(shù)無(wú)縫連接到廠級(jí)Intranet的MIS系統(tǒng)中,在設(shè)計(jì)中,車(chē)間級(jí)Intranet主要由車(chē)間Web服務(wù)器(用于外部Ethernet連接以及與班組網(wǎng)絡(luò)連接)、車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃服務(wù)器(用于生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等)以及車(chē)間控制服務(wù)器(車(chē)間生產(chǎn)控制流程、生產(chǎn)工藝控制、設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控等)組成,與外部連接采用光纖通信介質(zhì),I-7188與車(chē)間數(shù)據(jù)交換機(jī)HUB之間采用10M Ethernet連接。在塑膠機(jī)組控制過(guò)程中,考慮到設(shè)備的實(shí)時(shí)控制要求,采用了總線式連接方式的I-87K4控制器為前端現(xiàn)地信號(hào)處理器,同時(shí)每三臺(tái)塑膠機(jī)構(gòu)成一個(gè)小型RS-485網(wǎng),再通過(guò)I-7188數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與交換機(jī)相連,目的是能較為實(shí)時(shí)地控制各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行,降低數(shù)據(jù)的瓶頸效應(yīng),另外,Ethernet采用的CSMA/CD的通信方式,數(shù)據(jù)通信控制存在某種不確定性,不利于控制。 生產(chǎn)車(chē)間的基于Web 的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2所示。各個(gè)現(xiàn)地控制單元I-87K4的控制與通訊由I-7188模塊完成,它用來(lái)與各采集模塊通訊,并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,同時(shí)處理參數(shù)的顯示和用戶(hù)鍵盤(pán)輸入的處理。同時(shí)I-7188還用來(lái)與控制中心的工藝控制計(jì)算機(jī)主機(jī)通訊,實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控,通訊采用X.28協(xié)議。 2.1 數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)控制器I-7188 在車(chē)間班組級(jí)SCADA設(shè)計(jì)中,重點(diǎn)需考慮苛刻的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、穩(wěn)定性以及電磁兼容等問(wèn)題,同時(shí)還要避免操作人員非工作時(shí)間使用計(jì)算機(jī)而造成的不必要的麻煩。為此,選用了泓格公司的具有PC功能的工業(yè)級(jí)嵌入式數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)-I-7188,它集計(jì)算機(jī)、通信、控制于一體,同時(shí)具有防塵、抗震、抗沖擊等特性,能滿(mǎn)足苛刻工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求。是一款真正的具有“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”概念的工業(yè)級(jí)嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。它使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場(chǎng)控制單元到Internet 、Intranet,管理層的直接通信。
由于I-7188嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系統(tǒng),它與MS-DOS以及ROM-DOS兼容,與ROM-DOS相比,MiniOS7更適合于嵌入式應(yīng)用,如更短的加電啟動(dòng)時(shí)間,內(nèi)置硬件診斷功能等,因此I-7188控制器可編程獨(dú)立運(yùn)行。同時(shí),它具有獨(dú)特的雙看門(mén)狗安全設(shè)計(jì),即軟件看門(mén)狗和硬件看門(mén)狗組成,萬(wàn)一主控計(jì)算機(jī)當(dāng)機(jī),所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài),符合工業(yè)的安全要求。RS-485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線,主控計(jì)算機(jī)和模塊間將無(wú)法互鎖或無(wú)法通訊時(shí),也會(huì)啟動(dòng)軟件看門(mén)狗。軟件看門(mén)狗的設(shè)計(jì)非常巧妙,使用方便,可大幅增加系統(tǒng)安全性。在本系統(tǒng)中,塑膠機(jī)需要控制的I/O點(diǎn)數(shù)不多,且工業(yè)環(huán)境比較惡劣,控制功能比較容易實(shí)現(xiàn),I-7188正好滿(mǎn)足我們所需的所有條件。因此,可以說(shuō)I-7188特別適合于小型的嵌入式機(jī)電控制系統(tǒng)。 2.2 I-87K4 I-8000用于擴(kuò)充輸入/輸出模塊的數(shù)量,每一個(gè)擴(kuò)展單元包括一個(gè)電源和一個(gè)底板。底板上帶4個(gè)串行輸入/輸出擴(kuò)展槽。每個(gè)擴(kuò)展單元均具有115.2K的RS-485總線,用于與主控單元通訊,是一種模塊化的、基于網(wǎng)絡(luò)的小型控制系統(tǒng)。它即可通過(guò)本機(jī)的總線連接 I/O,也可通過(guò)I/O擴(kuò)展或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展去連接I/O。是智能型分散式數(shù)據(jù)采集前端產(chǎn)品的理想選擇,而與之相連的I-7188 可運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的SCADA軟件包。在本系統(tǒng)中,為了與I-7188EAD配合使用,我們選用了有4個(gè)擴(kuò)展I/O功能的基本型I-87K4。 2.3 現(xiàn)地控制單元I-87K4的配置 2.3.1 I-87K4的特性 * COM2為RS-485,最大115.2K bps,且與16C550兼容,16字節(jié)FIFO * 可直接驅(qū)動(dòng)256個(gè)I-7000模塊 * 最大距離4000英尺(1.2Km) * 隔離電壓2500VDC * 輸入/輸出擴(kuò)展槽支持串行輸入/輸出模塊 2.3.2 擴(kuò)展I/O模塊 * 數(shù)據(jù)采集模塊:I-87017。主要用于: 1)實(shí)時(shí)采集三個(gè)電機(jī)處導(dǎo)線的力矩變送器的輸出張力信號(hào),用以控制確定各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使之相互協(xié)同工作,使電線的張力達(dá)到平衡;(需三路) 2)實(shí)時(shí)采集塑膠機(jī)擠制塑料后冷卻水的溫度,以使冷卻水的溫度達(dá)到恒定;(三路) 其特性為:模擬輸入通道數(shù)為8、分辨率為16bit、輸入類(lèi)型采用差分、輸入范圍為?10V、采樣方式為6通道掃描模式。 * 模擬輸出模塊:I-87024。為了使?fàn)恳姍C(jī)、放線電機(jī)以及張力電機(jī)平穩(wěn)起停、保護(hù)控制系統(tǒng),采用了變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)這三臺(tái)電機(jī)進(jìn)行控制,利用I-87024的模擬輸出信號(hào),給變頻器提供0~10V的控制信號(hào),使變頻器的輸出信號(hào)變?yōu)?~50Hz達(dá)到變速的目的。由于I-87024采用了光隔離方式,從而保護(hù)了控制系統(tǒng),避免了電機(jī)的反電勢(shì)容易使控制系統(tǒng)尤其是I-8000當(dāng)機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生。 * 數(shù)字量輸入/輸出模塊:I-87054。主要是為了實(shí)時(shí)控制電機(jī)的起停以及監(jiān)測(cè)某些連接器、斷路器、吸合器的開(kāi)關(guān)狀態(tài),便于系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)故障診斷。其數(shù)字量輸出信號(hào)通過(guò)繼電器組二次放大后啟動(dòng)三相大功率繼電器,用以控制牽引、放線、張力三相交流異步電機(jī)的電源的開(kāi)關(guān),達(dá)到控制電機(jī)的目的。 * 定時(shí)/計(jì)數(shù)模塊:I-87082,為了實(shí)時(shí)反饋電線的長(zhǎng)度,便于生產(chǎn)計(jì)劃、統(tǒng)計(jì),在牽引輪上的上方安裝有一計(jì)米器,導(dǎo)線在上滑動(dòng)時(shí),帶動(dòng)計(jì)米器轉(zhuǎn)動(dòng),計(jì)米器每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,便發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào),I-87082便采集此時(shí)的脈沖數(shù),脈沖數(shù)與計(jì)米器的周長(zhǎng)的乘積便是電線的長(zhǎng)度。 每個(gè)現(xiàn)地單元控制器I-87K4通過(guò)編碼開(kāi)關(guān)設(shè)置唯一的ID號(hào),與I-7188的通信波特率采用19200bps的通訊速率(太高會(huì)導(dǎo)致通信不穩(wěn)定),誤碼低于10E-6(接收電平-110dBm時(shí)),將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分散的點(diǎn)信號(hào)傳輸?shù)絀-7188乃至班組工藝控制服務(wù)器上,同時(shí)也可由工藝控制服務(wù)器控制遠(yuǎn)程各點(diǎn)。I-7188具有獨(dú)特的雙看門(mén)狗安全設(shè)計(jì),即軟件看門(mén)狗和硬件看門(mén)狗組成,當(dāng)模塊萬(wàn)一當(dāng)機(jī)時(shí),可瞬間重新開(kāi)機(jī),且和每個(gè)I/O模塊有軟件看門(mén)狗互鎖,萬(wàn)一I-87K4當(dāng)機(jī),所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài),符合工業(yè)的安全要求,RS-485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線,主控計(jì)算機(jī)和模塊間將無(wú)法互鎖或無(wú)法通訊時(shí),也會(huì)啟動(dòng)軟件看門(mén)狗。I-7188以及I-8000模塊的硬/軟件看門(mén)狗的設(shè)計(jì)非常巧妙,使用方便,可大幅增加系統(tǒng)安全性。這是泓格公司產(chǎn)品與其他公司類(lèi)似產(chǎn)品不同之處,而正因?yàn)檫@一獨(dú)特的性能,便可僅用一組雙絞線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和長(zhǎng)距離的發(fā)送和接收,各節(jié)點(diǎn)并行連接,模塊與模塊、模塊與網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分為SCADA軟件與Web程序,整個(gè)系統(tǒng)中較為復(fù)雜的部分就是控制、通信模塊I-7188的程序編寫(xiě)部分,因?yàn)镮-7188模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)其它所有I-87K4系列模塊的正常工作,以及與控制中心通訊,工作負(fù)荷比較大,所以必須考慮周到,反復(fù)調(diào)試,才能獲得較為滿(mǎn)意的結(jié)果。SCADA主要是I-7188現(xiàn)地單元控制模塊的控制程序,采用TC2.0編寫(xiě),調(diào)用了I-8000相應(yīng)的庫(kù)函數(shù),主要有初始化模塊、定時(shí)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、邏輯輸出模塊(電機(jī)順序控制)等,共分為:系統(tǒng)配置階段、測(cè)試執(zhí)行階段(完成當(dāng)前測(cè)試任務(wù)的數(shù)據(jù)采集工作)、數(shù)據(jù)處理階段以及數(shù)據(jù)輸出階段。主程序首先初始化系統(tǒng),包括對(duì)各串口的初始化及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的初始化,并安裝用戶(hù)時(shí)鐘中斷。然后便是功能模塊的運(yùn)行,主要完成各個(gè)工作節(jié)拍之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題,上位機(jī)主要是Windows2000與I-7188EAD之間的通信程序。這一部分我們采用了組態(tài)軟件MSCG完成,并利用了泓格公司提供的I-7188的OPC服務(wù)器,進(jìn)一步簡(jiǎn)化了編程工作,主要的程序框圖見(jiàn)圖2所示。
4 應(yīng)用體會(huì) 目前該系統(tǒng)完成了六臺(tái)塑膠機(jī)的監(jiān)控以及上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控一線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),自2002年正式投入運(yùn)行以來(lái),一直運(yùn)行良好,現(xiàn)我們正在進(jìn)行3臺(tái)小型成纜機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,
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