現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　全自動(dòng)計(jì)量配料控制系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用已屢見不鮮，如:冶金，有色金屬，化工，水泥建材，食品等行業(yè)。它是成品生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，特別是有連續(xù)供料要求的行業(yè)，其配比的過程控制直接影響了成品的質(zhì)量，它是企業(yè)取得最佳經(jīng)濟(jì)效益的先決條件。雖然行業(yè)各自不同的工藝特點(diǎn)對(duì)配料控制要求也不同，但其高可靠性，先進(jìn)性，開放性，免維護(hù)性，可擴(kuò)展性是各行業(yè)所追求的一致目標(biāo)。隨著it技術(shù)的普及應(yīng)用，工廠自動(dòng)化將直接進(jìn)入e時(shí)代，其中計(jì)量自動(dòng)化scada 也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

　　2 系統(tǒng)功能

　　基于以上目標(biāo)，我們?yōu)槟承袠I(yè)龍頭企業(yè)設(shè)計(jì)、制造了一套全自動(dòng)的多品種混合配料計(jì)量、預(yù)計(jì)量、輸送、金屬檢測、包裝計(jì)量、分選計(jì)量等功能的機(jī)電一體化生產(chǎn)線。其中動(dòng)態(tài)計(jì)量秤，通過二級(jí)現(xiàn)場總線，會(huì)同plc，hmi/ipc無縫地組成三位一體的閉環(huán)動(dòng)態(tài)配料系統(tǒng)，其中工控機(jī)經(jīng)hub及以太網(wǎng)連入工廠erp/mis。整個(gè)配料過程嚴(yán)格按照所選擇的配方比和流程進(jìn)行，并有多級(jí)報(bào)警記錄，完成不同原料混勻給料及物流控制，實(shí)現(xiàn)了管控一體化，優(yōu)化了過程控制的性能和效率。它將是一種目前基于fcs配料計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)的先進(jìn)解決方案，符合開方性的計(jì)量自動(dòng)化發(fā)展趨勢。

　　本系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)工藝流程

　　3 系統(tǒng)配置

　　本系統(tǒng)下位機(jī)采用了三菱電機(jī)的melsec-a2sh系列plc為主控器，并配以got-f940觸摸屏為下位人機(jī)介面(hmi)，計(jì)量控制由12臺(tái)上海大和衡器(shanghai yamato)的cfw定量給料機(jī)(constant feed weigher)組成。它們之間通過cc- link現(xiàn)場總線聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制，來確保系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。上位機(jī)部分選擇研華ipc610工控機(jī)作為監(jiān)控站，配以 microsoft windows nt 4.0 for workstation操作系統(tǒng)和世界著名的監(jiān)控軟件citectscada 5.30為 scada系統(tǒng)的軟件平臺(tái)環(huán)境，系統(tǒng)軟件具有豐富的流程操作、監(jiān)控、通訊、報(bào)警、管理、趨勢、報(bào)表記錄和冗余等功能，并具有較強(qiáng)的診斷能力。系統(tǒng)的硬件和軟件是控制系統(tǒng)的有機(jī)體，以上配置確保了系統(tǒng)完整性、一致性、兼容性和成套性，適應(yīng)在工業(yè)環(huán)境下能長期穩(wěn)定運(yùn)行，并具有電、磁、震抗干擾的能力，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行要求。

　　系統(tǒng)具有如下功能特點(diǎn):

　　·監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及工藝流程;

　　·瀏覽各實(shí)時(shí)/歷史趨勢畫面;

　　·處理反映各種過程報(bào)警和歷史報(bào)警;

　　·瀏覽查詢/打印實(shí)時(shí)/歷史生產(chǎn)報(bào)表;

　　·修改管理生產(chǎn)過程參數(shù)和狀態(tài);

　　·為企業(yè)決策者提供工廠底層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);

　　本配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。

　　圖2 配料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)配置

　　3.1 下位機(jī)結(jié)構(gòu)及組成

　　在本工程中所采用的12臺(tái)cfw主要是來完成原料流量控制，其核心為cfc-200儀表，它集調(diào)節(jié)與演算為一體的多功能計(jì)量控制器，其中 cpu為摩托羅拉68k系列，它集大和衡器出眾的儀表設(shè)計(jì)技術(shù)，具備足夠的抗干擾性能、多樣化接口、自診斷功能、自整定pi調(diào)節(jié)功能等特長，并配以上海大和c3級(jí)電阻應(yīng)變式荷重傳感器(loadcell)、安川電機(jī)的電流矢量型變頻器616g5和德國sew高性能變頻電機(jī)，組成一個(gè)完整的機(jī)電一體化產(chǎn)品，確保了計(jì)量和控制的準(zhǔn)確性，其系統(tǒng)精度達(dá)到±0.2%。

　　下位機(jī)選用三菱melsec-a plc共2臺(tái)組成雙機(jī)冗余結(jié)構(gòu)，它具有先進(jìn)、高速、可靠、大容量的特點(diǎn)，其中plc1為主控，plc2為后備冗余，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，便可實(shí)行主備plc間的無擾切換，也可作為將來工程擴(kuò)充用。由于12臺(tái)cfw分布較分散，故選擇cc-link總線與plc相連。下位hmi為got940 lcd觸摸屏，以確保工藝數(shù)據(jù)正確和及時(shí)在上位pc監(jiān)控站和觸摸屏上得到雙重響應(yīng)和顯示，即使上位發(fā)生故障或失效，也不影響整個(gè)流程控制。觸摸屏的監(jiān)控畫面雖沒上位hmi豐富，但也基本覆蓋整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控和操作。

　　3.2 cc-link概況

　　cc-link是三菱電機(jī)公司以高性能、低成本、多廠商支持為目標(biāo)于1996年推出的第二代開放式現(xiàn)場總線，是 control & communication link(控制與通信鏈路)的簡稱，2000年11月，cc-link協(xié)會(huì)成立，專門負(fù)責(zé) cc-link在全球的普及和發(fā)展。

　　開放式現(xiàn)場總線cc-link具有性能卓越、應(yīng)用廣泛、使用簡單、節(jié)省成本等突出的優(yōu)勢。cc-link采用雙絞線為連接介質(zhì)的主從結(jié)構(gòu)，最多支持64個(gè)從站，采用廣播論詢方式，最高可達(dá)到10mbps速度。plc或計(jì)算機(jī)作為cc-link主站，配以aj65sbt-rpt中繼器最遠(yuǎn)距離可達(dá)13.2km。網(wǎng)絡(luò)總線最大的循環(huán)數(shù)據(jù)容量為2048個(gè)點(diǎn)，512個(gè)字;最大瞬時(shí)傳送數(shù)據(jù)量為960字節(jié)。cc-link具有預(yù)約站功能、自動(dòng)刷新功能、即插即用功能和主站熱備、子站脫離、站上線回復(fù)、監(jiān)控測試等完備的ras機(jī)能。cc-link在使用上，硬件開關(guān)設(shè)置、接線(3芯屏蔽線)和系統(tǒng)組態(tài)(參數(shù)設(shè)定即可)都非常方便和簡單。

　　目前cc-link支持多達(dá)360種設(shè)備，如:遠(yuǎn)程i/o、傳感器、稱重控制器、調(diào)節(jié)器、電磁閥、變頻器、觸摸屏等等。并得到220多家廠商支持，如:松下電工、大和衡器、橫河、西門子、digital、nec等等,cc-link也是目前唯一能與歐美現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)抗衡的亞洲產(chǎn)品。

　　上海大和的定量給料機(jī)(cfw)是作為遠(yuǎn)程設(shè)備從站形式連接cc-link現(xiàn)場總線的。

　　3.3 組態(tài)及編程

　　plc編程以三菱gx developer7.0為工具平臺(tái), 采用符號(hào)化的梯形圖編寫，并充分考慮系統(tǒng)資源，多用宏應(yīng)用，減少掃描時(shí)間，提高實(shí)時(shí)控制性。melsec-a plc為cc-link主站，由主站模塊a1sj61bt11控制從站(cfc-200控制器)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)刷新，在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)時(shí)，可將初始化程序通過plc來完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)的設(shè)定，寫入主站的eeprom中，在運(yùn)行程序中，主從站之間的數(shù)據(jù)交換是自動(dòng)鏈接更新的，主 cpu只需用from/to指令即可從緩沖存儲(chǔ)器中存取從設(shè)備信息。

　　上下位機(jī)的通信選用modbus通訊協(xié)議(rs485方式)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是主從結(jié)構(gòu)，通信介質(zhì)為雙絞線，它是modicon公司早期所引用發(fā)展,是一種經(jīng)典開放的串行通信協(xié)議，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，是事實(shí)上的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。它支持21種功能代碼，并可與工廠中其它眾多廠商的不同產(chǎn)品進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)中采用的modbus協(xié)議是以rtu(binary) 格式封裝，采用crc錯(cuò)誤校驗(yàn),可以較高的通信效率傳送信息。它的衍生協(xié)議 modbus/tcp可應(yīng)用于ethernet設(shè)備間的通信，符合當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢。

　　3.4 監(jiān)控系統(tǒng)詳述

　　監(jiān)控系統(tǒng)是以citectscada 5.30 32位工控軟件為開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，citect是世界領(lǐng)先的scada產(chǎn)品,它是基于 windows nt平臺(tái)用于分布式控制系統(tǒng)的scada軟件，具有獨(dú)特的“可伸縮結(jié)構(gòu)”,它向用戶提供了極大的應(yīng)用靈活性和系統(tǒng)開方性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)今優(yōu)秀的自動(dòng)化軟件之一。

　　(1) citectscada

　　citectscada內(nèi)置一個(gè)cicode腳本的實(shí)時(shí)多任務(wù)程序語言，利用它所提供的豐富函數(shù)庫，可靈活地開發(fā)出復(fù)雜的應(yīng)用程序，這是它優(yōu)于其它scada軟件的特點(diǎn)之一。監(jiān)控系統(tǒng)采用樹型結(jié)構(gòu)，具有多種畫面調(diào)用手段，以方便操作使用。系統(tǒng)畫面分菜單主頁，配料總貌監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、配方管理、趨勢組記錄、報(bào)警組記錄、報(bào)表、操作日志、調(diào)試維護(hù)、幫助等畫面。為保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)提供多級(jí)用戶管理功能, 分為操作員、管理員和工程師三種權(quán)限，以保證系統(tǒng)的安全機(jī)制。在本配料監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)中，結(jié)合了實(shí)際工藝狀況和充分利用citectscada的特長，主要完成了配方設(shè)置、流程選擇和切換、流程聯(lián)鎖、流程起動(dòng)、順序停止、故障停止、流程報(bào)警、總量的定量控制、配料流量調(diào)節(jié)及產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)計(jì)算等功能。

　　(2) 系統(tǒng)界面

　　系統(tǒng)部分界面圖如圖3、圖4、圖5所示。

　　圖3 配料系統(tǒng)界面

　　圖4 配料總貌界面

　　圖5 配方管理界面

　　citectscada采取了c/s結(jié)構(gòu)方式，以輸入/輸出服務(wù)器(i/o server)形式經(jīng)以太網(wǎng)鏈路(tcp/ip協(xié)議)連入工廠 erp/mis，citect提供了dde/netdde，opc，odbc/sql，com/dcom,ctapi等通用方法實(shí)現(xiàn)基于windows應(yīng)用程序和i/o之間的數(shù)據(jù)交換。本配料系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)以odbc/sql方式訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器microsoft sql server 7.0。而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換,選用citectscada所提供的ctapi接口，它適合多種數(shù)據(jù)交換，使用更為靈活，它避免了各應(yīng)用程序的代碼冗余，提高了內(nèi)存的利用率，它以dll函數(shù)提供外部的應(yīng)用程序(vb，vc++等)接口，使用戶應(yīng)用程序可直接對(duì)citectscada的tag變量進(jìn)行操作，并支持通過 tcp/ip的遠(yuǎn)程ole api功能。