基于MODBUS現(xiàn)場總線的滾塑設(shè)備控制系統(tǒng)

　　隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，塑料制品在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)展塑料制品工業(yè)是社會發(fā)展的急需，同時塑料制品有其成型好、重量輕、強度大、力學(xué)性能高、價格低等優(yōu)點，越來越多地得到用戶的青睞。滾塑生產(chǎn)是塑料制品的主要生產(chǎn)方式之一。軍事國防產(chǎn)品如戰(zhàn)備箱組、野戰(zhàn)簡易辦公設(shè)備等塑料制品要求高強度、強彈性且適合空降。所以大部分的軍用塑料制品都必須采用滾塑方式來制造。同時滾塑方式生產(chǎn)的產(chǎn)品回收粉碎后可實現(xiàn)再生產(chǎn)，重復(fù)利用而不影響其質(zhì)量，可以節(jié)約能源。

　　現(xiàn)行的滾塑生產(chǎn)方式無論是在生產(chǎn)規(guī)模還是在生產(chǎn)工藝上已不能滿足時代所需。引進設(shè)備雖然在性能上優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)備，但在實際生產(chǎn)中仍存在不少問題：進口設(shè)備價格昂貴，受資金影響，不能批量進口，故從生產(chǎn)規(guī)模上不能滿足生產(chǎn)要求；操作繁瑣，進口設(shè)備操作界面及各種標(biāo)識均屬英文，由于工人外語水平較低，一旦操作不當(dāng)，產(chǎn)品將成為廢品，造成浪費；維修周期長，由于外商技術(shù)壟斷，設(shè)備發(fā)生故障需外方專家到現(xiàn)場親自維修，耽誤生產(chǎn)；現(xiàn)有設(shè)備閑置，造成不必要的資源浪費?，F(xiàn)場總線、PID等現(xiàn)代化數(shù)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已趨于成熟，并被廣泛用于數(shù)控機床制造業(yè)，因此采用數(shù)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)有滾塑設(shè)備進行革新和改造是非?？尚械?，具有科學(xué)性。采用現(xiàn)代化數(shù)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)有滾塑設(shè)備進行革新和改造，其優(yōu)點：可提高滾塑設(shè)備智能化程度，以滿足滾塑生產(chǎn)工藝的需要；可降低生產(chǎn)資金投入，最大限度地利用現(xiàn)有資源，減少資源浪費，并能滿足滾塑生產(chǎn)規(guī)模的需要，符合我國國情；革新和改造后的設(shè)備可控性強、操作方便，避免因操作不當(dāng)造成不應(yīng)有的損失。

　　現(xiàn)場總線是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的可以在數(shù)字化控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行通信的控制系統(tǒng)。MODBUS現(xiàn)場總線是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，它是一種通信協(xié)議。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。MODBUS現(xiàn)場總線可以分為2種模式：MODBUS ASCⅡ和MODBUS RTU。本控制系統(tǒng)采用MODBUS RTU協(xié)議將工控機、PLC、變頻器組成一個數(shù)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)滾塑設(shè)備的智能化控制，提升了設(shè)備的現(xiàn)代化程度。

1 滾塑設(shè)備的控制要求

　　滾塑設(shè)備的發(fā)展大致可以分為3個階段：第一，全人工操作階段?，F(xiàn)場設(shè)有1個加熱室、2個冷卻室和2個行車(見圖1)。工作時依靠2個行車上裝載工件在加熱室和冷卻室之間行進，缺點是行車的定位不準(zhǔn)確，操作繁瑣、極易撞車，生產(chǎn)效率低(由于只有2個行車)；第二，自動化階段?，F(xiàn)場設(shè)有1個加熱室和1個冷卻室，固定在同一個轉(zhuǎn)軸上的3個臂(見圖2)，控制系統(tǒng)采用PLC配合觸摸屏實現(xiàn)控制和修改參數(shù)。缺點是3個轉(zhuǎn)臂只能同時旋轉(zhuǎn)，雖然實現(xiàn)了自動化，且節(jié)省了現(xiàn)場空間，但仍然存在生產(chǎn)效率低的缺陷，因為2個臂同時處于加熱室和冷卻室，只能對剩余的一個臂進行其他操作；第三，智能化控制階段(類似于二代)?，F(xiàn)場設(shè)有1個加熱室和1個冷卻室，3個臂雖然同軸，但可以獨立地旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個臂自動工作時，其余的2個臂都可以獨立的處于某個位置進行其他操作。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，其具體控制要求為：

　　(1)以PLC作為中心控制單元，要求性能可靠，且具有良好的可擴展性能，I／O點數(shù)上要留有余量；

　　(2)上位機、PLC、變頻器組成一個系統(tǒng)，利用MODBUS RTU協(xié)議實現(xiàn)3者的通信，可實時地修改、監(jiān)控變頻器的頻率(經(jīng)過PLC的內(nèi)部運算，達到修改和監(jiān)控電機轉(zhuǎn)速的目的)；

　　(3)利用工控機作上位機，可方便的監(jiān)控、修改以下參數(shù)：3個臂的前進和后退速度；加熱室進門和出門的開關(guān)門速度；3個臂的加熱時間、預(yù)冷時間、風(fēng)冷卻時間、水冷卻時間和監(jiān)控和修改；3個臂所處位置的監(jiān)控；定時到進前的蜂鳴報警；故障的分級和報警；系統(tǒng)運行的歷史曲線的記錄；加熱室的溫度顯示及修改；轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速平衡的顯示。

2 控制系統(tǒng)硬件的選型

　　根據(jù)控制要求和對數(shù)字化設(shè)備的市場調(diào)研，控制系統(tǒng)的硬件選取如下：

　　(1)考慮到系統(tǒng)的可擴展性，PLC選用歐姆龍CJ1M系列模塊式主機。PLC結(jié)構(gòu)如下：CPU CJ1M12，3個32點的高密度輸入模塊(CJ1W ID231)，4個16點的輸入模塊(CJIW OC211)，1個帶RS 485口的通信模塊(SCU41)。輸入點和輸出點各預(yù)留15點，以備擴展；

　　(2)變頻器選用3G3MZ系列；

　　(3)工控機選用研華公司的系列產(chǎn)品，配置如下：CPU P4，內(nèi)存512 MB，硬盤80 GB，NEC系列17寸液晶顯示器，工業(yè)用鍵盤和鼠標(biāo)；

　　(4)接觸器、按鈕、接近開關(guān)、行程開關(guān)均選用歐姆龍公司的相關(guān)產(chǎn)品；

　　(5)組態(tài)軟件選用世紀(jì)長秋的世紀(jì)星監(jiān)控組態(tài)軟件，256點硬件加密系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

　　控制系統(tǒng)為主從站通信方式，將PLC作為主站，11臺變頻器作為從站。

　　(1)上位機與PLC之間用RS 232串行口，數(shù)據(jù)格式：

　　(2)PLC和變頻器之間利用PLC的SCU41通信模塊上RS 422／485口，利用歐姆龍公司提供的協(xié)議宏功能，可方便的實現(xiàn)二者之間的通信。PLC通信單元設(shè)置通信格式：

數(shù)據(jù)格式：

MODBUS RTU消息幀格式：

　　(3)變頻器本體設(shè)置

　　正反轉(zhuǎn)由外部轉(zhuǎn)入端子有效；

　　頻率信號設(shè)為來自RS 485的信號有效，通過上位機可以修改變頻器的頻率，以達到修改電機轉(zhuǎn)速的目的；

　　11臺變頻器分別設(shè)為1-11號從站。

　　(4)時間監(jiān)控、修改的實現(xiàn)

　　修改各時間時，以PLC的數(shù)據(jù)區(qū)(DM區(qū))作為間接尋址寄存器，在世紀(jì)星組態(tài)軟件上定義變量，方便地實現(xiàn)對各時間的監(jiān)控和修改。

　　(5)利用3G3MZ變頻器自動的模擬輸出比較控制，直接輸出給模擬儀表，顯示轉(zhuǎn)臂平衡。

4 故障的分級及處理

　　(1)故障信息的采集由以下幾種方式：

　　變頻器本體自帶的故障輸出；在規(guī)定的時間內(nèi)，轉(zhuǎn)臂不能正常地轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置；加熱室溫度超過設(shè)定值。

　　(2)根據(jù)采集的故障信息，PLC編程區(qū)分故障的級別。故障級別可以分為：警告、嚴重警告、致命錯誤。

　　(3)對出現(xiàn)故障時的處理方式：當(dāng)出現(xiàn)警告時，上位機相應(yīng)的故障顯示為黃色閃爍。點擊上位機的故障顯示區(qū)，可以查看故障信息，蜂鳴報警器發(fā)出間斷嗚叫告警。

　　當(dāng)出現(xiàn)嚴重警告時，上位機顯相應(yīng)的故障示為黃色，并停止相應(yīng)部分系統(tǒng)的工作。點擊上位機的故障顯示區(qū)，蜂鳴報警器發(fā)出間斷鳴劂告警的頻率較快；當(dāng)出現(xiàn)致使錯誤時，可能會損壞機器設(shè)備，上位機的故障顯示為紅色，整個設(shè)備除上位機外全部停機。蜂鳴報警器一直鳴叫；點擊故障顯示區(qū)可以將故障原因、處理方案顯示出來，以幫助技術(shù)人員做出處理。

　　(4)工作人員將故障排除后，按下復(fù)位按鈕重新啟動設(shè)備，可恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。

5 歷史數(shù)據(jù)記錄

　　利用世紀(jì)星歷史曲線記憶系統(tǒng)，將需要記憶的數(shù)據(jù)定義變量，設(shè)定為記憶并保存在相應(yīng)的區(qū)域中，實現(xiàn)設(shè)備運行中的各個重要參數(shù)的監(jiān)控記錄，對各班的產(chǎn)量做出實時統(tǒng)計。點擊上位機的相應(yīng)曲線可以查看某個變量的歷史曲線。將MODBUS現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到滾塑設(shè)備后，既可以提高設(shè)備的智能化程度，又提高了生產(chǎn)效率、節(jié)省了能源，將會為提高我國具有知識產(chǎn)權(quán)的機器制造業(yè)的國際競爭產(chǎn)生一定影響。