關(guān)鍵詞：profibus;現(xiàn)場(chǎng)總線;分層結(jié)構(gòu);組態(tài)軟件
0 前言
MINI-MPM連扎鋼管機(jī)組，其產(chǎn)品精度高、表面質(zhì)量好，許多鋼鐵廠都將其引進(jìn)。要保證其最終產(chǎn)品同樣具有高質(zhì)量，則要求所有后步工序有與之相適應(yīng)的先進(jìn)工藝與裝備水平。為了優(yōu)化控制熱處理線先進(jìn)設(shè)備，使先進(jìn)工藝得到可靠保證，則需使整條處理線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并采取先進(jìn)的技術(shù)措施和可靠的技術(shù)裝備，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)有冗余度并穩(wěn)定。本自動(dòng)化生產(chǎn)線運(yùn)用數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、采用分層設(shè)計(jì)思想，分為基礎(chǔ)自動(dòng)化和生產(chǎn)過程自動(dòng)化兩部分：基礎(chǔ)自動(dòng)化負(fù)責(zé)各生產(chǎn)區(qū)域的工藝設(shè)備的控制;生產(chǎn)過程自動(dòng)化負(fù)責(zé)整條生產(chǎn)線的串線，生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)，生產(chǎn)過程監(jiān)控和物料跟蹤，各區(qū)域基礎(chǔ)自動(dòng)化之間的通訊和連鎖任務(wù)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 生產(chǎn)線熱處理過程
鋼管在經(jīng)過MINI-MPM機(jī)組加工以后，熱處理過程框圖如下
需要實(shí)現(xiàn)的工藝流程分為：
?。?） 上料區(qū)工藝流程;
?。?） 淬火-回火區(qū)工藝流程;
?。?） ?；?回火區(qū)工藝流程;
?。?） 定徑-矯直區(qū)工藝流程;
（5） 冷卻區(qū)工藝流程;
?。?） 彎曲度檢查-吸灰區(qū)工藝流程;
（7） 無損探傷區(qū)工藝流程;
?。?） 修磨切廢區(qū)工藝流程;
?。?） 視力檢查及稱重收集區(qū)工藝流程;
1.2 分層設(shè)計(jì)思想
整個(gè)熱處理自動(dòng)化生產(chǎn)線采用層次結(jié)構(gòu)，分為基礎(chǔ)自動(dòng)化部分和過程自動(dòng)化部分。
基礎(chǔ)自動(dòng)化部分按照已劃分的區(qū)域由PLC實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制。根據(jù)熱處理過程可以把設(shè)計(jì)范圍集中在以下四個(gè)區(qū)域：
?。?） 1#，2#冷床區(qū);
?。?） 3#，4#冷床區(qū);
?。?） 5#，6#冷床區(qū);
?。?）修磨切廢區(qū)及視力檢查和稱重收集區(qū);
每一區(qū)域分別設(shè)一套PLC控制系統(tǒng)，完成現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)點(diǎn)智能控制，PLC采用S7-300系列中的CPU318-2DP。由于整個(gè)處理工藝的占地面積比較大，控制回路多，為了避免鋪設(shè)大量的控制線路，所以采用西門子的ET200模塊將一部分I/O放置在距離中心控制室較遠(yuǎn)而控制點(diǎn)又比較集中的地方，利用PROFIBUS—DP通信協(xié)議形成遠(yuǎn)程I/O。
生產(chǎn)過程自動(dòng)化部分通過以太網(wǎng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線各個(gè)區(qū)域控制系統(tǒng)串線，以及各個(gè)控制系統(tǒng)之間的通訊;完成數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計(jì)處理，物料跟蹤，對(duì)過程控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和計(jì)算;通過人機(jī)接口進(jìn)行操作指導(dǎo)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄，報(bào)警及運(yùn)行狀態(tài)顯示。系統(tǒng)上位機(jī)采用工業(yè)用計(jì)算機(jī)，組態(tài)軟件為西門子的wincc5.0，通過CP5611通訊卡與下位機(jī)通訊。
1.3 系統(tǒng)框圖
2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)
profibus是近年來國(guó)際上較為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)傳輸速率快（傳輸速率可達(dá)12M波特），很多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛地應(yīng)用。Profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，它的標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性強(qiáng)。此外它的三種模塊（FMS,DP和PA）可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對(duì)象和通信速率方面的要求，具有良好的開放性。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線主站以主從方式與從站通訊，各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)。
基于profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的成熟和開放性，以及實(shí)際應(yīng)用后的經(jīng)濟(jì)效果，在本自動(dòng)化控制系統(tǒng)中采用其為底層控制總線。
3 系統(tǒng)控制功能劃分
3.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化部分
1）控制設(shè)計(jì)范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備。
2）所有電氣設(shè)備控制與聯(lián)鎖程序由PLC完成。
3）PLC之間的聯(lián)鎖由I/O連線和網(wǎng)絡(luò)雙重模式實(shí)現(xiàn)。
4）安全聯(lián)鎖分區(qū)域、分級(jí)別實(shí)現(xiàn)。
5）具有手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)三種操作方式。
3.2 過部分 1基2 過程自動(dòng)化部分
1）基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)之間聯(lián)鎖
根據(jù)工藝要求和設(shè)備情況設(shè)計(jì)各設(shè)備之間的聯(lián)鎖信號(hào)，通過I/O信號(hào)和PLC之間聯(lián)網(wǎng)兩種方式實(shí)現(xiàn)。
2）工作區(qū)域控制分區(qū)
統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)，將部分設(shè)備的生產(chǎn)供貨與控制分離，將這些設(shè)備的控制權(quán)交給與其工藝連接密切的單體設(shè)備制造商。
3）控制方式的定義與切換
根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的總要求，設(shè)置了自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)三種控制方式。
4）工作區(qū)域急停保護(hù)
緊急停車是自動(dòng)化生產(chǎn)線上必備的裝置，一般是在遇到故障和其他緊急情況下動(dòng)作。
根據(jù)生產(chǎn)線的實(shí)際情況，緊急停車的作用區(qū)域是可以劃定的，并不意味著一旦有急停按鈕按下就必須全線停車。
5）工藝參數(shù)的下達(dá)
由于一條生產(chǎn)線上可以實(shí)現(xiàn)多種工藝路線，不同的工藝路線要求設(shè)備的運(yùn)行、連鎖、保護(hù)等參數(shù)不同。這些參數(shù)單體設(shè)備無法預(yù)先得知，只能靠過程級(jí)系統(tǒng)在調(diào)整生產(chǎn)工藝時(shí)統(tǒng)一設(shè)定。
6）生產(chǎn)計(jì)劃的下達(dá)
向各單體設(shè)備下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，如：批號(hào)、爐號(hào)、直徑、長(zhǎng)度、壁厚、數(shù)量等。
7）設(shè)備設(shè)定參數(shù)上傳
各種生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)下傳到各單體設(shè)備后，各單體設(shè)備將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算、處理，確定設(shè)備的設(shè)定參數(shù)，并將設(shè)備的設(shè)定參數(shù)上傳到二級(jí)系統(tǒng)。
8）設(shè)備運(yùn)行參數(shù)上傳
在生產(chǎn)進(jìn)行當(dāng)中，對(duì)主要的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，如溫度、壓力、速度、探傷等。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析,可以確定產(chǎn)品質(zhì)量，了解設(shè)備的運(yùn)行狀況。
9）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控
在上位機(jī)上對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，顯示和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。
10）系統(tǒng)報(bào)警協(xié)調(diào)與處理
規(guī)劃報(bào)警種類，如：緊急停車，設(shè)備事故，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)超過警戒線等。設(shè)定報(bào)警級(jí)別，如：一級(jí)報(bào)警，全線停車;二級(jí)報(bào)警，區(qū)域停車;三級(jí)報(bào)警，給出警示，經(jīng)確認(rèn)后可繼續(xù)運(yùn)行。四級(jí)報(bào)警，僅僅給出警示。限定報(bào)警區(qū)域，不同報(bào)警信息作用在不同的操作及控制區(qū)域。
11）物料跟蹤數(shù)據(jù)傳遞
物料跟蹤數(shù)據(jù)的傳遞是跨區(qū)域的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互過程，將本節(jié)拍的數(shù)據(jù)下傳到生產(chǎn)線上的各個(gè)設(shè)備中和將各個(gè)設(shè)備中的跟蹤數(shù)據(jù)上傳到二級(jí)系統(tǒng)中。
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)所提出的系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)分為上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。
1）下位機(jī)編程軟件
本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300的配套編程工具STEP 7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文擋處理。用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。FB、FC是用戶子程序。DB是用戶定義的用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存取區(qū)，本系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。
2）上位機(jī)監(jiān)控軟件
wincc是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理（SCADA）系統(tǒng)，它是結(jié)合西門子公司在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能的產(chǎn)物。其特性之一是全面開放，各系統(tǒng)集成商可用wincc作為系統(tǒng)擴(kuò)展的基礎(chǔ)，通過開放接口開發(fā)自己的應(yīng)用軟件。Wincc提供了各種PLC的驅(qū)動(dòng)軟件，因此使PLC與上位計(jì)算機(jī)的連接變得非常容易，用戶在與wincc連接時(shí)直接使用在step7中配置的變量表，可以大幅降低工程時(shí)間 。
S7-300與wincc之間通信的實(shí)現(xiàn)步驟：
首先啟動(dòng)wincc，建立一個(gè)新的wincc項(xiàng)目，然后在標(biāo)簽管理（Tag Management）中選擇添加PLC驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)置節(jié)點(diǎn)名、節(jié)點(diǎn)地址等參數(shù)（節(jié)點(diǎn)地址必須與PLC中設(shè)置的相同）。其次，在組態(tài)完的S7-300下設(shè)置標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽有三個(gè)設(shè)置項(xiàng)，即標(biāo)簽名，數(shù)據(jù)類型，標(biāo)簽地址。其中最重要的是標(biāo)簽地址，它定義了此標(biāo)簽與S7-300中某一確定地址，如某一輸入位、輸出位或中間位等一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。設(shè)置標(biāo)簽地址可以直接利用在STEP7中配置的變量表，如設(shè)置標(biāo)簽地址為Q0.0，表示S7-300中輸出地址是Q0.0，通過此方法將S7-300與wincc之間需要通信的數(shù)據(jù)一一作成標(biāo)簽，即相當(dāng)與完成了S7-300與wincc之間的聯(lián)接。然后在圖形編輯器中，用基本元件或圖形庫對(duì)象制作生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫面，并將變量標(biāo)簽與每個(gè)對(duì)象連接，也就相當(dāng)與畫面中各個(gè)對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的profibus現(xiàn)場(chǎng)控制總線，使整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化程度可以充分得以實(shí)現(xiàn)。采用西門子配套的組態(tài)軟件wincc，生成人機(jī)對(duì)話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程。
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（轉(zhuǎn)載）
