引言
瓦楞紙板作為目前使用普遍的包裝材料，廣泛用于電器產(chǎn)品、日常用品等包裝。在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)自動化水平相對落后和工業(yè)、經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展的我國，橫切機和堆疊機等機組組成連續(xù)生產(chǎn)工藝過程。目前國內(nèi)瓦楞紙板生產(chǎn)化處于相對落后狀態(tài)。
1 導(dǎo)語
DCS分散控制系統(tǒng)(又稱集散控制、分布式控制系統(tǒng))，是在單回路微機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其綜合了計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT顯示技術(shù)和過程控制技術(shù)，采用分層分級的結(jié)構(gòu)形式和分散控制、集中操作、分級管理、分而自治的設(shè)計原則，解決了過去計算機控制危險集中、常規(guī)模擬儀表功能單一、過于分散和人機聯(lián)系不方便的缺點。DCS的安全可靠性、通用靈活性、優(yōu)良的控制和綜合管理能力，使其在工業(yè)控制領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。
瓦楞紙板作為目前使用普遍的包裝材料，廣泛用于電器產(chǎn)品、日常用品等包裝。在現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)自動化水平相對落后和工業(yè)、經(jīng)濟建設(shè)高速發(fā)展的我國，橫切機和堆疊機等機組組成連續(xù)生產(chǎn)工藝過程。目前國內(nèi)瓦楞紙板生產(chǎn)化處于相對落后狀態(tài)。
本監(jiān)控系統(tǒng)采用以可編程控制器PLC為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)，將PLC作為現(xiàn)場采集控制站，利用Ethernet和Profitbus進行數(shù)據(jù)通信，完成了對廣東肇慶嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線的工況顯示、生產(chǎn)操作、訂單管理和出貨管理，最終實現(xiàn)了企業(yè)管理—控制一體化。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖1所示的分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。它分為3級結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場級、控制級和管理級。
第一級為現(xiàn)場級。由安裝在現(xiàn)場的3個PLC子站輔與其它測量控制設(shè)備(如編碼器、紅外測量儀、變頻器等)進行各種數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)線的現(xiàn)場控制。為現(xiàn)場采集控制器完成現(xiàn)場信號的輸入輸出，根據(jù)給定的工作程序進行數(shù)據(jù)處理、控制輸出，并且將處理結(jié)果送操作站。PLC站采用德國VIPA公司的產(chǎn)品，包括一個CPU站和兩個I/0站，其配備如下:
V200CPU站：主要包括CPU 288L、FM250、SM221和SM222等模塊。主要用于粘合機和橫切機各種狀態(tài)信號的采集和控制信號的輸出。
V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和FM250等模塊;主要用于過膠機和1號瓦楞機狀態(tài)信號的采集和控制信號的輸出。
V200站2：主要包括SM222、SM232和FM250等模塊;主要用于2、3號瓦楞機狀態(tài)信號的采集和控制信號的輸出。
第二級為控制級，配備5臺工業(yè)PC機。其中包括1臺主操作站，1臺過膠機操作站和3臺瓦楞機操作站。主操作站設(shè)置在車間控制室內(nèi)，其它各操作站設(shè)置在生產(chǎn)線的相應(yīng)部分，完成現(xiàn)場級檢測、控制、保護功能的管理。由一臺HUB將各操作站組成局域網(wǎng)。各操作站功能獨立，又能互為備用。它對第一級現(xiàn)場采集的所有數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲，完成所有控制指令的收集和發(fā)布，以各種方式(如流程圖、趨勢圖等)表達整個生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。對系統(tǒng)功能的組態(tài)、流程圖的制作、保護值整定、控制模型修改等工作也是在這一級的操作站上完成的。
第三級為管理級，配備了多臺普通PC機、打印機，以及一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中PC機作為管理終端設(shè)置在相應(yīng)的管理部門，打印機負責(zé)定期打印生產(chǎn)情況報表備檔，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)接收、存儲從監(jiān)督控制級送來的各種實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。各部門的管理人員可以隨時通過管理終端機觀察生產(chǎn)線的運行狀態(tài)和定單執(zhí)行等情況。管理級同時可接受管理部門管理數(shù)據(jù)的輸入，完成訂單管理，出貨管理等功能。
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2.2 通信網(wǎng)絡(luò)
由于在分散控制系統(tǒng)中廣泛采用了多處理機的結(jié)構(gòu)，所以處理機之間的數(shù)據(jù)通信變得極其重要?，F(xiàn)場總線技術(shù)作為自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展方向。 Profitbus是唯一的全集成H1(過程)和H2(工廠自動化)現(xiàn)場總線解決方案，是一種不依賴于廠家的開發(fā)式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它可廣泛應(yīng)用于制造加工、過程和建筑自動化領(lǐng)域。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場級3個PLC站之間利用Profitbus進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了紙板生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和控制信號的傳遞。
Ethernet以太網(wǎng)最初是由Xeroex在20世紀(jì)70年代開發(fā)的—種連網(wǎng)傳輸方法，后來由Xeroex、數(shù)字設(shè)備公司(DEC)和 Intel改進。這種靈活的技術(shù)可以運行在各種網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上，并在合理的開銷下提供很好的容量。到目前為止，以太網(wǎng)是用于局域網(wǎng)的最流行的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。在該監(jiān)控系統(tǒng)中，控制級操作站之間和管理級終端機之間采用Ethernet進行數(shù)據(jù)通信。實現(xiàn)了各操作站間的相互冗余備用以及管理數(shù)據(jù)的存取。
DCS各級之間的通信一直以來是工程技術(shù)人員關(guān)注的技術(shù)熱點之一。該系統(tǒng)采用VIPA公司PC-CPU 288L自帶的Ethernet端口很好的解決了現(xiàn)場級到控制級之間的通信問題。實現(xiàn)了現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)向上輸送和控制級信號的向下傳遞。由于控制級和管理級同時采用Ethernet，因此它們之間直接用集線器(HUB)相連，進行相互通信。
該監(jiān)控系統(tǒng)中，將以太網(wǎng)(Ethernet)與現(xiàn)場總線相結(jié)合實現(xiàn)了PLC站之間、操作站之間、管理終端之間以及現(xiàn)場級、控制級、管理級之間的數(shù)據(jù)通信。
3 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用CONTROL LAB軟件包，其層次結(jié)構(gòu)如圖2。
圖2 監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)圖
現(xiàn)場級V200 CPU站采用了快速可預(yù)測實時內(nèi)核，其周期性工作的時間穩(wěn)定性(Jitter-Time)可達2微秒(300MHZ CPU)。 PLC和硬件模塊及現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)交換均在實時任務(wù)中進行，保證了這類數(shù)據(jù)交換在操作系統(tǒng)中的延時不超過幾個微秒?？刂迫蝿?wù)作為實時任務(wù)執(zhí)行，其最短工期可達0.01毫秒。
PLC監(jiān)控程序采用圖形化組態(tài)工具ControlChart編制，該工具是一種基于IEC1131-3流程圖形語言的開發(fā)式控制軟件，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工程師在控制級操作站上即可利用現(xiàn)成模塊進行自由組合、在線觀察和調(diào)試，極大地縮短了控制系統(tǒng)的調(diào)試時間。瓦楞紙板流水線的控制任務(wù)主要進行線上各機組運行速度協(xié)調(diào)。速度調(diào)節(jié)中粘合機作為主機，過膠機、修邊機、橫切機和堆疊機與主機同步運行。該監(jiān)控系統(tǒng)速度控制流程圖如圖3所示。
圖3 生產(chǎn)線速度控制流程圖
ZJL、DJL、DDCL和SJCL分別對應(yīng)紙漿量(瓦楞機)、堆積量、訂單產(chǎn)量和實際產(chǎn)量，根據(jù)以上量的測量數(shù)值對粘合機和瓦楞機速度進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
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在控制級和管理級軟件基于WINDOWS NT平臺，采用易學(xué)易用的Visual Basic6.0進行編程，其中采用ActiveX、OPC、 TCP/IP等國際通用技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以極方便的與其他軟件系統(tǒng)進行自由通訊和進行功能擴展。控制級操作站檢測畫面主要有總操作圖、瓦楞機監(jiān)測圖、粘合機檢測圖、過膠機監(jiān)測圖、修邊機監(jiān)測圖和橫切機監(jiān)測圖。管理級終端包括訂單管理畫面和出貨管理畫面等。
4 系統(tǒng)功能
在軟硬件基礎(chǔ)上實現(xiàn)的瓦楞紙板生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)功能分為監(jiān)控和管理功能。監(jiān)控主要是工況顯示和生產(chǎn)操作，管理主要是訂單管理和出貨管理。
4.1 工況顯示
在控制級的操作站以及管理級的終端機中顯示現(xiàn)場采集來的生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要包括：生產(chǎn)中的紙板品種，尺寸規(guī)格;現(xiàn)時各機組生產(chǎn)速度、電機電流;瓦楞機原紙堆積量;粘合機出紙量、各段溫度;現(xiàn)時的實切張數(shù)，訂單的總張數(shù)，還欠實際張數(shù);成品，不良產(chǎn)品的數(shù)量(不良品人工輸入)原紙剩余長度等。顯示方式包括數(shù)字、柱狀圖和趨勢圖等。在此基礎(chǔ)上進行速度、電流、溫度、堆積量等過限報警。
圖4 監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖
4.2 生產(chǎn)操作
根據(jù)現(xiàn)場采集的信號，監(jiān)控軟件可以自動對生產(chǎn)線進行相應(yīng)的控制，主要有：
(1)正常情況下，以粘合機作為主機進行全線單一速度的控制，其它機組能根據(jù)自身的工藝要求適應(yīng)性的同步加速或同步減速。
(2)自動偵測瓦楞機紙板堆積量并能自動調(diào)節(jié)相應(yīng)機組的生產(chǎn)速度，當(dāng)堆積量超過上限時，自動增大粘合機以及其它相關(guān)機組的速度。在緊急情況下，可以對生產(chǎn)線進行緊急減速。
(3)根據(jù)管理人員輸入的產(chǎn)品規(guī)格，在訂單執(zhí)行初期自動調(diào)節(jié)修邊機、橫切截的刀線，并能夠在生產(chǎn)過程中自動調(diào)整。
(4)由訂單的總張數(shù)和尺寸，自動運算出所需生產(chǎn)的總米數(shù)，各主要機臺便能因自身的實際機組距離，生產(chǎn)出相應(yīng)長度的楞紙。
同時監(jiān)控軟件設(shè)置了自動和手動兩種控制方式，工作人員可以在手動方式下根據(jù)情況對生產(chǎn)線進行相應(yīng)的控制。
4.3 訂單管理
訂單管理是在生產(chǎn)操作功能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，其主要功能有：
(1)管理人員可以在辦公室終端機輸入當(dāng)日之訂單，包括接單日期，訂單號，客戶類別，紙質(zhì)，紙寬，交貨日期等數(shù)據(jù)。根據(jù)紙質(zhì)，紙寬打印各月份接單統(tǒng)計表。
(2)根據(jù)訂單所要求的紙質(zhì)，交貨日期以及生產(chǎn)線狀態(tài)，監(jiān)控程序可以自動執(zhí)行新訂單。同時工作人員也可以根據(jù)情況，手動讓系統(tǒng)執(zhí)行新訂單。
(3)實時記錄訂單的完成情況，根據(jù)訂單完成情況，定期打印訂單生產(chǎn)情況報表。 同時在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中設(shè)置了用戶權(quán)限，因此可保證定單數(shù)據(jù)的安全。
4.4 出貨管理
出貨管理主要將已安排生產(chǎn)的訂單以挑選方式排出作為出貨定單。管理人員輸入出貨單之運費價格、車號、裝車時間、裝貨規(guī)格品種、數(shù)量等，并列出當(dāng)日或當(dāng)日貨運明細表。同時包括退貨單的輸入、更正和刪除等。
5 結(jié)束語
嘉隆瓦楞紙板生產(chǎn)線DCS采用3級結(jié)構(gòu)，采用Ethernet與現(xiàn)場總線相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)通信，大量采用冗余技術(shù)，實踐表明，該系統(tǒng)開放性和容錯能力高，系統(tǒng)重新定義容易，可擴展性和可維護性好。采用以實時內(nèi)核為基礎(chǔ)的系統(tǒng)軟件，進行系統(tǒng)的功能定義和采集控制算法程序的編寫，系統(tǒng)的穩(wěn)定性相對較好。
（轉(zhuǎn)載）
