基于RS485總線的面粉廠集散控制系統(tǒng)

1．1 生產(chǎn)工藝

面粉廠的加工工藝較簡單，簡單地說就是加入麥子磨成粉。然而作為一條自動生產(chǎn)線從加入麥子磨成粉再裝成袋，也不是一件容易的事。首先麥子經(jīng)過管道處理后定量的由漏斗稱向磨機(jī)加入麥子，磨機(jī)加工出面粉，通過不同位置的管道分離出3種面粉及膚皮，他們分別稱為1號粉f1，2號粉f2，3號粉f3和膚皮br及被加工的麥子量b1。3種面粉和膚皮在其各自管道的出口處經(jīng)各自的漏斗稱流出，而后經(jīng)過各自的傳輸帶傳輸?shù)桨b工序由包裝機(jī)自動裝袋封口。

1．2 原系統(tǒng)概況

廠里有3個(gè)車間，一個(gè)車間是一條面粉加工生產(chǎn)線，實(shí)際上就是一臺磨機(jī)及其龐大的管道輔助設(shè)備。這3條生產(chǎn)線完全一樣，都是由意大利20世紀(jì)80年代進(jìn)口的。3個(gè)車間各自獨(dú)立地生產(chǎn)。3條生產(chǎn)線的測控部分都是由早期的單板機(jī)（z80）組成，沒有任何顯示功能，只有打印功能（超小型微打）。目前，我國面粉加工生產(chǎn)工藝已很成熟，自動化程度已很高，而該廠的設(shè)備是早期進(jìn)口的設(shè)備，機(jī)械部分是很成熟的，電氣測控及生產(chǎn)管理部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)不適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)極待改造。

2 技術(shù)要求
　　
廠方?jīng)Q定將3條生產(chǎn)線全部改造，所有機(jī)械部分不動，徹底改造電氣測控部分。改造后的系統(tǒng)要求如下：

（1）實(shí)現(xiàn)管控一體化

做到各車間獨(dú)立生產(chǎn)，全廠集中指導(dǎo)，總控室能對各車間實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)情況，并能對各車間進(jìn)行調(diào)度、下達(dá)任務(wù)等。

（2）實(shí)時(shí)記錄如下數(shù)據(jù)

記錄被加工的麥子重量b1，相應(yīng)的各種面粉、膚皮及耗電量，即f1，f2，f3，br及w。
　　
同時(shí)計(jì)算出f1，f2，f3的出粉率，即計(jì)算出f1／b1％，f2／b1％，f3／b1％。
　　
同時(shí)還要計(jì)算出一、二、三、四班的總出粉率以及對應(yīng)的耗電量。

實(shí)時(shí)顯示各車間生產(chǎn)情況。

3　系統(tǒng)選型及硬件配置

3．1　系統(tǒng)選型
　　
目前控制領(lǐng)域最熱的就是現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，利用該技術(shù)，車間級即現(xiàn)場級完全可以設(shè)計(jì)成開放式、數(shù)字化及多點(diǎn)通信的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。但是具體情況要具體分析，對要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不但考慮系統(tǒng)投運(yùn)后的先進(jìn)性，還要考慮系統(tǒng)的性能價(jià)格比及其生產(chǎn)上的實(shí)用性。對該廠我們考慮如下問題：
　　
（1）該廠原設(shè)備是由意大利引進(jìn)的生產(chǎn)線，限于當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)現(xiàn)狀，當(dāng)時(shí)的確是先進(jìn)的，然而十多年的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了。因此，我們決定拆除原單板機(jī)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)。這就存在一個(gè)問題：該系統(tǒng)所有的電力控制及測控信號線都是暗縛，若采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就得重新穿線，造成一定的難度和浪費(fèi)。
　　
（2）該系統(tǒng)所有的采集點(diǎn)都是開關(guān)量，大部分的檢測元件是漏斗稱的一個(gè)開關(guān)，漏斗滿開關(guān)就接觸一次，計(jì)一次數(shù)，就是用開關(guān)計(jì)數(shù)稱重的，總的采樣點(diǎn)不多，沒必要采用智能儀表。

（3）各車間之間不需通信聯(lián)系。
　　
（4）由廠方提出的系統(tǒng)要求看，要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬要求不高的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　
（5）目前現(xiàn)場總線系統(tǒng)價(jià)格還很高，廠方資金有限。
　　
由上述諸方面的考慮決定采用以rs485為總線的兩級集散控制系統(tǒng)。因?yàn)閞s485總線相對于現(xiàn)場總線而言，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、軟件支持豐富、安裝方便等特點(diǎn)，并且在系統(tǒng)集成上，市場上有多種智能儀表、智能模塊、轉(zhuǎn)換模塊、遠(yuǎn)程模塊等可供選擇，并且絕大多數(shù)現(xiàn)場儀表都有rs485總線接口，采用該總線可以很容易地開發(fā)一些對實(shí)時(shí)性要求不太高的中小型測控系統(tǒng)。

3．2　硬件配置
　　
本系統(tǒng)是以rs485為總線的兩級集散控制系統(tǒng)。

上位機(jī)選用研祥公司生產(chǎn)的工業(yè)控制機(jī)ipc，本機(jī)采用pentium p55c主機(jī)板，還配有硬盤、顯示器、打印機(jī)等。下位機(jī)原打算選用智能儀表或單片機(jī)，考慮到二者的價(jià)格和工業(yè)控制機(jī)ipc價(jià)格差不多，而且ipc技術(shù)資源豐富，開發(fā)、使用、維護(hù)都方便，因此下位機(jī)也選用了ipc，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1看到，因上下位機(jī)ipc只有com接口（即rs232接口），而不具有rs485接口，為了采用rs485總線協(xié)議，上下位機(jī)都必須采用rs232／rs485轉(zhuǎn)換接口板，以便上下位機(jī)通信，圖1中adan4520就是完成此功能的轉(zhuǎn)換接口板。

下位機(jī)采集的信息，通過rs485總線傳遞給上位機(jī)。這里rs485以半雙工方式工作的，最大傳輸距離可達(dá)1 200 m，波特率在1 200～38 400 b／s間可任意配置，rs485總線采用一對有補(bǔ)償?shù)碾p絞線，即data＋和data－，僅2根連線，容易握手。以平衡差分方式傳輸信息具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，轉(zhuǎn)換還采用了光電隔離器，以防止主機(jī)靜電干擾，在總線末端還接有匹配電阻，吸收總線上的反射信號，以保證信號不受干擾正確傳輸。

圖1中pcl730是di／do采樣板。因本系統(tǒng)全是開關(guān)量，就連耗電量也是以開關(guān)量次數(shù)計(jì)量的（電度表是原有的，采用光電碼盤計(jì)量），所以只選用di／do這一塊開關(guān)量采樣板。

4　軟件設(shè)計(jì)
　　
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以windows 98為平臺，采用delphi和c＋＋語言設(shè)計(jì)，下面僅介紹上下位機(jī)通信、界面和打印等主要程序的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。

4．1 通信軟件
　　
通信軟件必須符合rs485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。因此上位機(jī)ipc與下位機(jī)ipc嚴(yán)格實(shí)行主從廣播結(jié)構(gòu)形式的通信方式，上位機(jī)為主，下位機(jī)為從。從機(jī)不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機(jī)控制，從機(jī)之間不能直接通信，若要通信可通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上本系統(tǒng)中不需此項(xiàng)功能。數(shù)據(jù)通信波特率定為9 600 b／s，每個(gè)從機(jī)都有惟一的地址號，此地址號是用來區(qū)別各從機(jī)的。
　　
幀格式定為8 b數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，數(shù)據(jù)包格式如下所示：

ipc機(jī)通過rs485網(wǎng)絡(luò)廣播自己要求的下位機(jī)地址，所有下位機(jī)都收聽廣播，記下廣播地址。各下位機(jī)把收到的地址與自己的地址進(jìn)行比較，地址相同的下位機(jī)為被選中的下位機(jī)，其余下位機(jī)均未被選中，暫時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上被隔離。網(wǎng)上只剩下主機(jī)和被選中的從機(jī)，這時(shí)二者按主從方式雙機(jī)進(jìn)行過程通信。

4．2　上位機(jī)程序
　　
上位機(jī)主要功能是實(shí)時(shí)接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并將按收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，以便顯示和打印。主要程序介紹如下：

（1）上位機(jī)界面
　　
上位機(jī)設(shè)計(jì)了2個(gè)界面：一個(gè)是封皮，一個(gè)是“全廠工況”界面。下面主要介紹“全廠工況”界面，該界面包括如下部分：

一張實(shí)時(shí)顯示表，該表3 s種刷新一次。表中記有每個(gè)車間的f1，f2，f3，b1，br及相應(yīng)的耗電量；各種面粉的出粉率；3個(gè)車間麥子的總加工量；3個(gè)車間各種面粉總的統(tǒng)計(jì)量；總的出粉率；各車間出粉袋數(shù)以及全廠總的出粉袋數(shù)；各車間發(fā)生事故次數(shù)。
　　
一個(gè)棒圖。為了一目了然，3個(gè)車間加工麥子的累積量，以及相應(yīng)的各種總面粉、膚皮、耗電量用棒圖表示，棒圖實(shí)時(shí)在變化。
　　
一個(gè)餅圖。總的出粉率則用餅圖表示，餅圖也實(shí)時(shí)在變化。

（2）打印程序
　　
上位機(jī)只隨機(jī)打印當(dāng)前麥子的總重量及相應(yīng)的各種面粉、膚皮和相應(yīng)的耗電量。這些數(shù)據(jù)僅供領(lǐng)導(dǎo)隨時(shí)查閱用。

（3）功能鍵
　　
在畫面的最下方設(shè)計(jì)有打印、修改、初始化、翻頁以及鍵鎖等功能鍵。

4．3　下位機(jī)程序

3臺下位機(jī)的程序完全相同，下位機(jī)也配置了相同的顯示器和打印機(jī)。主要程序有：

（1）顯示界面
　　
下位機(jī)設(shè)計(jì)了“車間工況”表作為主畫面，這個(gè)畫面實(shí)時(shí)顯示，3 s重刷新一次，表中主要有f1，f2，f3，b1，br及相應(yīng)的耗電量；此外還有各種面粉的出粉率。在表的下面設(shè)計(jì)了車間所用的功能鍵，如初始化、打印、修改、翻頁及鍵鎖等。
　　
除了主畫面外，還設(shè)計(jì)了封皮、初始化設(shè)置表、參數(shù)修改表、報(bào)警記錄表等。

（2）打印程序
　　
下位機(jī)打印程序較復(fù)雜，按廠方要求設(shè)計(jì)了1 h，8 h，24 h自動定時(shí)打印，還設(shè)計(jì)了隨機(jī)打印程序。

4．4　歷史數(shù)據(jù)庫
　　
為了記錄本車間的生產(chǎn)工況，利用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，3個(gè)車間各自建立了歷史數(shù)據(jù)庫，歷史數(shù)據(jù)庫內(nèi)記錄了每天的f1、f2，f3，b1，br及相應(yīng)的耗電量；各種面粉相應(yīng)的出粉率；還記錄了當(dāng)班事故發(fā)生的時(shí)間、次數(shù)等。本系統(tǒng)能記錄20年的生產(chǎn)情況。

5　結(jié)　語
　　
本系統(tǒng)上下位機(jī)能實(shí)時(shí)地顯視全廠及各車間工況狀態(tài)，給廠領(lǐng)導(dǎo)、總控室及車間工人提供了即時(shí)的直觀數(shù)據(jù)，便于廠方即時(shí)指導(dǎo)全廠生產(chǎn)，便于各車間操作工即時(shí)調(diào)正磨口，以使車間至全廠生產(chǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)。該系統(tǒng)花少量的錢組建了簡單的以rs485為總線的兩級集散控制系統(tǒng)，這是個(gè)簡單的工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)使各車間都減少了勞動力，并且操作簡單、維護(hù)方便，從各車間到總控室所有信息一目了然，便于管理指揮，真正做到了管控一體化。