摘要：
為積極推進企業管控一體化建設的進程，運用分布式的設計思想，采用SIEMENS公司的S7－300型PLC及其相應的功能I/O模塊、基本型MicroMaster420變頻器、基于PC的SoftPLC的解決方案－WinAC為湖北大興橡膠廠研制一套分布式的橡膠硫化機組群控系統。該系統具有運行可靠、維護方便、可擴充性強等特點，具有一定的推廣和參考價值。
關鍵詞：
PLC WinAC 分布式控制 管控一體化
1、開發背景與意義
在飛速發展的市場經濟與信息的今天，企業內外部信息的交換已不再局限于通常意義上的對生產現場狀態的監視和控制，它需要把現場信息和管理信息結合起來，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更為廣泛的綜合管理系統，管控一體化就是建立起企業這樣全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺。湖北大興橡膠制品廠是一大型的橡膠制品廠，每年生產上萬噸橡膠制品，由于生產工藝控制不善，原材料浪費較大，一直無法實現利潤的增長，為提高該廠管理水平和企業信息自動化水平，助進企業節能將耗，采用SIEMENS公司的S7－300型 PLC及其相應的I/O功能模塊以及WinAC套件將生產車間的現場控制信息和設備的工藝運行參數和設備本身的健康指標等信息無縫地連接到企業MIS系統中，實現了企業的管控一體化的改建。
2、分布式控制模式的系統構建
只有基于Web的技術才能真正實現管控一體化，管控一體化技術離不開Internet、Intranet以及Infranet技術，如何將生產車間的現場控制信息、設備的工藝運行參數和設備本身的健康指標等信息集成到企業管理信息中去，是本系統設計的一大重點。橡膠硫化機組群控結構設計遵循“多功能、靈活性”的要求，將整個網絡分為三層：設備層、班組層以及車間MIS層。
要實現企業管控一體化，就必須有一種能在工業現場環境下運行、性能可靠、造價及維護費用低廉的通信系統，形成企業底層網絡Infranet，以完成現場設備之間的數字通信，進一步實現與管理層網絡之間的信息交換。目前，計算機網絡的飛速發展，測控系統的研究重點已集中在遠距離可靠數據通信方式的研究上，以往國內傳統的工業測控系統通信方式：BITBUS和RS－485，其效率較低，靈活性差，尤其是錯誤處理能力不強，遠不能滿足長距離、大范圍內測控系統通信的需要。而基于現場總線技術的現場總線控制系統(FCS)已成為數字化企業網絡化的基礎。FCS不需要一個中央控制單元來集中控制和操作，而是通過智能現場設備來完成控制和通信任務，可較好地解決實時控制和現場信號的網絡通信。PROFIBUS作為德國國家標準和歐洲國家標準的現場總線標準，是一種開放式通訊系統工業標準，PROFIBUS是目前國際上唯一的具備較成熟的安全方案的現場總線技術，具有非常靈活的模塊配置性能，數據傳輸速度最高可達12Mbps/100m，故本系統采用PROFIBUS系列中廣泛應用于現場設備的PROFIBUS-DP總線。
橡膠硫化機組監控系統采用分布式計算機監控管理方式，各個現地控制單元可以獨立按照硫化工藝控制參數與運行、并將采集到的溫度、各種運行狀態量以及電機的運行健康狀態等信息通過PROFIBUS總線上傳到班組服務器，以備工作人員監視，監控操作人員可通過PROFIBUS將必要的控制參數下傳到各個現地控制單元，調整控制和工藝參數。同時，為備現地操作，每個現地監控單元均有手動/自動按鈕，實現現地和遠控兩種操作，以提高整個系統的可靠性、安全性以及運行的經濟性。為便于與整個橡膠加工廠的監控系統進行系統互聯，實現企業管控一體化，班組服務器還通過Ethernet經廠數據交換機與廠MIS系統互聯。
橡膠硫化機組群控分布式結構圖見圖1所示。由上位工控機和基于PROFIBUS的現場智能節點及其I/O功能模塊構成典型的現場總線控制系統。PROFIBUS DP現場總線的主控模塊選用了SIEMENS的基于WindowsNT的軟PLC解決方案――WinAC。這樣系統上位機，既作為PLC的軟控制器,承擔遠程控制功能，又作為監控、管理計算機，同時還可進行新工藝組態，實現一機多用。
圖1：橡膠硫化機組群控分布式結構圖
Infranet層由以SIEMENS的S7－300系列PLC功能模塊為主的4個控制單元組成，每個控制單元的輸入輸出模塊通道都設有冗余，便于功能擴展和維護，同時具有手動/自動兩種操作模式，便于脫離上位機獨立操作。上位機和各控制單元之間通過PROFIBUS DP總線實現數據傳送，由于系統設計為一分布式的監控系統，每個現地控制單元均可獨立于上位機運行，將危險分散，維護方便，提高可靠性，符合橡膠廠分布式控制和模塊化設計思想，且在工藝成熟后的生產擴大化過程中,可直接套用本控制系統的軟硬件方案,縮短工業擴大化周期,提高企業的競爭力。現地單元選用的控制模塊和作用見表1所示。班組服務器的SoftPLC采用SIMATIC WinAC。
表1 現地單元選用的控制模塊及其作用
為了使控制系統更加可靠，同時為了提高三相異步電機的執行效率，采用了基本型MicroMaster420變頻器。該變頻器特別適合大力矩電機的拖動，我們曾采用臺灣一家著名的變頻器生產公司的變頻器，系統運行時故障不斷，尤其是其保護能力較差，導致故障頻繁，后改用了MicroMaster420變頻器后，系統運行一直比較穩定。采用三相（380V）交流輸入，9.7kW；其獨特的自我保護能力如下：
· 過載能力為150％額定負載電流，持續時間60秒；
· 過電壓、欠電壓保護；
· 變頻器過溫保護；
· 接地故障保護，短路保護；
· I2t電動機過熱保護；
· 采用PTC通過數字端接入的電機過熱保護；
· 采用PIN編號實現參數連鎖；
· 閉鎖電機保護，防止失速保護。
整個監控系統的特性為：
· 所有S7－300現地控制單元與班組服務器的SoftPLC－WinAC采用Profibus－DP進行數據通信；使系統網絡拓撲圖結構清晰，易于維護；
· 由于系統采用了網絡及現場總線傳遞過程數據，多種信息的交換僅依靠網纜或屏蔽雙絞線即可完成，這樣就大量減少了系統施工時的布線工作量，也為今后系統的維護及故障查找提供了方便。
· 過程參數的數字化傳遞，避免了模擬量傳輸所帶來的漂移、抗干擾等問題，大大提高了系統的穩定性。
· 若今后機組工藝、設備發生變更，只需要在總線上增添或摘除相應節點，并對軟件作少量修改即可。所以這種柔性的系統連接方式具有一定的適應性，可以最大程度地保護用戶的投資。
3、基于WinAC和OPC的控制系統軟件設計
圖2：WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關系
為了實現WinAC的功能，在班組服務器上安裝一塊Profibus DP接口模塊CP5611，WinAC控制引擎通過Profibus DP接口模塊CP5611與分布式控制器進行數據通信，完成數據采集、分析控制、 PC與PLC之間的通信等任務。
3.1 SIMATIC WinAC
SIMATIC WinAC的功能不僅實現了在PC上實現PLC的功能，同時它將PLC與PC間實現完美的集成，將控制、數據采集、通訊、人機界面及其它技術完整地結合一起，集成于一臺PC 機上。SIMATIC WINAC與S7 系列處理器完全兼容，其編程采用統一的SIMATIC 編程工具，程序既可以用于WINAC 也可用于S7 系列處理器。僅從其兼容性和通用性而言，對熟知SIMATIC 技術的人來講，無需重新學習便能充分掌握并應用。更何況其親切友好的操作界面，更使人倍感親切。另外基于PC 的自動化與標準辦公系統可共享標準PC 技術、Windows NT 操作系統和TCP/IP 通訊標準，因而是控制系統與高端管理系統的理想接口。基于PC 的自動化是復雜控制和在空間上分散的自動化系統的最優化系統。
3.2 系統軟件設計思路與特點
系統軟件的設計采用基于面向對象的設計方法，控制功能采用軟PLC解決方案WinAC,均集中在班組服務器中進行，完全由計算機來實現數據采集控制和管理，其特點如下:
· WinAC將控制、數據采集、通訊、人機界面及其它技術完整地集成在一臺PC機上,能滿足中試裝置硬件精煉、功能完善的要求 ；
· WinAC與SIMATICS7系列PLC控制器完全兼容，其編程采用統一的SIMATIC編程工具，編制的程序既可使用于WinAC，也可用于S7系列PLC控制器，有利于系統的更新和擴充；
· WinAC提供了ActiveX控件，使得Windows下的標準應用程序可更非常簡便地獲取過程數據。更為重要的是：WinAC還提供了用于診斷、顯示及運算的ActiveX控件；
· 系統上位監控軟件采用Microsoft公司的Visual C＋＋，而WinAC作為系統的OPC服務器，為基于WindowsNT的監控軟件提供實時數據。這些功能極大地擴大了使用的靈活性，為系統的功能擴展帶來了很大的空間。WinAC中的WinLC即為軟件PLC控制程序，在WinLC中參數設定好后，就可像使用常規PLC的CPU模塊一樣使用。WinAC的控制程序采用SIEMENS S7系列可編程序控制器的標準編程工具STEP7編制，然后下載到WinAC中。PLC程序設計中，結合STEP7的特點，利用其中的ＦＢ、ＦＣ，采用模塊化程序設計，對常用的程序段用ＦＢ或ＦＣ實現，使程序清晰易懂，便于調試。由于STEP7不是面向對象的程序設計語言，在具體編程時借鑒面向對象的程序設計思想，便可實現面向對象的程序設計中的數據和代碼的分開，簡化了設計程序的工作量。
3.3 WinAC、OPC以及Visual C＋＋的關系
三者之間的關系見圖2所示。
圖3： OPC 數據層次圖
在整個系統中，PC與現場總線和分布式I/O的優點表現為簡化了系統的體系網絡結構和設備設計、提高了系統的通訊效率、降低了硬件和備件投資，易于調試和維護，同時充分利用PC 中CPU超強功能，WinAC控制器在數據處理、 用戶算法和多回路調節的控制任務中的特點，基于PC的一體化設計大大提高了控制器、人機界面和網絡部件的數據交換速度。同時，與傳統的PLC解決方案相比， SIMATIC基于PC的自動化有明顯的性能價格優勢。
3.4 OPC服務器
WinAC內嵌了實時OPC服務器，使用WinAC_OPC服務器，用戶的OPC客戶機應用程序（如人機界面軟件、數據存取等）可以完全存取WinAC控制引擎中的數據，利于客戶與Visual C＋＋編程工具的無縫連接，主要是WinAC借助兵使用了Microsoft_DCOM（分布式組件）技術，這正是WinAC獨特之處，為客戶編程提供了極大的方便。OPC是OLE for Process Control的縮寫，即把OLE應用于工業控制領域。OPC服務器由三類對象組成，相當于三種層次上的接口：服務器（Server）、組（Group）和數據項（Item）。OPC客戶對設備寄存器的操作都是通過其數據項來完成的，通過定義數據項，OPC規范盡可能的隱藏了設備的特殊信息，也使OPC服務器的通用性大大增強。OPC數據項并不提供對外接口，客戶不能直接對之進行操作，所有操作都是通過組對象進行的。
應用程序作為OPC接口中的Client方，硬件驅動程序作為OPC接口中的Server方。每一個OPC Client應用程序都可以接若干個OPC Server，每一個硬件驅動程序可以為若干個應用程序提供數據。OPC Server、 OPC Group、OPC Item層次之間的接口關系如圖3所示：
作為OPC客戶程序，它可以從其他OPC服務器程序中訪問數據。與DDE類似，當實時數據庫作為客戶端訪問OPC服務器程序時，是將OPC服務器程序當作一個I/O設備。數據庫中的點參數通過I/O數據連接與OPC服務器程序進行數據交換。
利用WinAC的OPC技術，在本系統設計中的主要實現：
· 記錄實時過程的歷史數據，用于過程存檔、歷史數據查詢、事故分析、系統建模等。
· 連接各種現場的自控設備，配以監控界面，實現自動監控。
· 通過數據庫網絡通訊功能構建分布式應用系統，
· 運行在控制系統的上位機中，在數據庫上運行先進控制軟件、優化控制軟件和其它用戶應用程序，在客戶機上運行各種界面監控軟件，實現可擴展的先進控制或優化控制的目標。
· 連接現場控制系統和設備，實現車間級、分廠級及總廠級實時數據綜合利用和管理。
· 配合關系數據庫管理系統，構建生產指揮調度系統及其它管控一體化系統。
· 通過數據的Web功能，利用Internet/Intranet資源，在瀏覽器上訪問生產過程數據。
· 完全的開放功能，以實時數據庫為平臺進行再次開發。
實際上，OPC服務器本身就是一個可執行程序，該程序以設定的速率不斷地同物理設備進行數據交互。OPC客戶和OPC服務器進行數據交互采用異步方式。主要是當有大量客戶和大量數據交互時，異步方式能提供高效的性能，盡量避免阻塞客戶數據請求，并最大可能地節省CPU和網絡資源。
4、結束語
本控制系統采用PLC、Profibus－DP和軟PLC等技術簡化了硬件結構，便于調試、維護、運輸、安裝,適應性強。WinAC 是基于PC 的自動化的完美解決方案。SIMATIC WinAC 技術滿足了快速實時的要求；簡化了通訊接口，降低了編程工作量；并且可以在線調試，使編程調試簡單方便，大大加快了系統的開發進度；同時降低了成本，節省了安裝空間。SIMENS公司不僅為企業的管控一體化提供了堅實可靠的硬件平臺，更為重要的是，她為企業實現B to B的電子商務方式，使企業能及時組織生產、降低庫存、回避風險，實現Just-In-Time管理模式提供了更為全面的、完整的系統解決方案，這是其他工控產品廠家所不及的。
作者簡介：博士/高工，主要從事生產過程計算機控制、現場總線應用等方面的研究工作。
工作單位：湖北武漢：華中科技大學水電與數字化工程學院
單位地址：湖北武漢武昌珞瑜路1037號。
郵編：430074
Mobile：13871377873
Email：daohu_wu@163.com
附：現場控制系統照片
