基于PROFIBUS總線(xiàn)的渦輪增壓器生產(chǎn)線(xiàn)數據采集系統介紹

1 引言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。因其具有數字化、開(kāi)放性、分散性以及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性等特點(diǎn)而獲得了非常廣泛的應用。目前，已逐漸成熟并對工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS總線(xiàn)是最為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。PROFIBUS是德國于90年代初制訂的國家工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準,代號DIN19245。它是一種國際化的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)標準,即EN50170歐洲現場(chǎng)總線(xiàn)標準。該標準為供應商和用戶(hù)的投資提供了最佳的保護并確保供應商的獨立自主性。PROFIBUS具體規定了串行現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)和功能特性,它可使分散式數字化控制器從現場(chǎng)底層到車(chē)間及網(wǎng)絡(luò )化。PROFIBUS分為主設備(主站)和從設備(從站)。主站決定總線(xiàn)上的數據通信。當主站得到總線(xiàn)控制權時(shí),不用外界請求就可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門(mén)、驅動(dòng)器和測量變送器。它們沒(méi)有總線(xiàn)控制權,僅對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時(shí)向它發(fā)送信息。

　　2 方案分析

　　渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機，通過(guò)廢氣壓縮進(jìn)入空氣來(lái)增加進(jìn)氣量。當發(fā)動(dòng)機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發(fā)動(dòng)機的轉速，就可以增加發(fā)動(dòng)機的輸出功率。由于渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運轉的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對增壓器的裝配技術(shù)要求很高。其中對壓氣端間隙、渦端間隙、軸向間隙、整體動(dòng)平衡、整機檢漏和放氣閥開(kāi)啟壓力和位移幾個(gè)參數的誤差要求控制在十幾個(gè)甚至幾個(gè)絲之內。如用傳統的電氣儀表難以達到精度要求，同時(shí)抗干擾能力差;而且讓工人手工記錄并判斷是否在誤差范圍之內，將大大降低工作效率。這正給Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)提供了用武之地。Profibus 將底層檢測設備組成網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現多點(diǎn)數字通信，同時(shí)和上位機組成網(wǎng)絡(luò )，為上位機提供數據支持;上位機將誤差范圍作為各個(gè)工位的工藝參數下載到各個(gè)工位，同時(shí)將數據放入指定的數據庫中，供各種查詢(xún)和技術(shù)分析之用。下面是某增壓器廠(chǎng)的裝配線(xiàn)數據采集系統。

　　3 系統結構

　　根據現場(chǎng)情況,我們采用西門(mén)子公司S7-400型承擔信號采集工作,又根據現場(chǎng)將要采集的信號位置分散的特點(diǎn),采用了西門(mén)子公司Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)中的遠程I/O即DP技術(shù)。各傳感器信號就近接入Profibus子站,這樣可以最大限度的減少現場(chǎng)接線(xiàn)工作,并且因為走線(xiàn)距離短,可以減少信號衰減和各種干擾對信號的影響。

　　系統的主干網(wǎng)絡(luò )采用Profibus網(wǎng)絡(luò ), Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )共有三種協(xié)議方式,分別為FMS,DP和PA。我們本次應用的為DP方式。DP網(wǎng)絡(luò )結構為主從結構,一條DP網(wǎng)可包含一個(gè)主站和最多126個(gè)從站, 網(wǎng)絡(luò )傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網(wǎng)絡(luò )傳輸速率達到12Mbit/S 時(shí)其傳輸距離最長(cháng)為100米。

　　3.1 系統網(wǎng)絡(luò )選型

　　考慮到上位機和上位機、上位機和主PLC、主PLC和從PLC進(jìn)行信息交換，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統由三層組成：

　　管理網(wǎng)絡(luò )(MIS)：采用基于TCP/IP的以太網(wǎng)，上位機和上位機之間的連接。

　　MPI網(wǎng)絡(luò )：采用通訊處理卡將主PLC和上位機相連。

　　DP網(wǎng)絡(luò )：這是最底層的網(wǎng)絡(luò )，將分散的數據采集站點(diǎn)連接起來(lái)，即主PLC和從PLC、觸摸屏之間的連接。

　　拓撲結構：現場(chǎng)的服務(wù)器是連接以太網(wǎng)和工控網(wǎng)的橋梁，它通過(guò)3COM交換機與以太網(wǎng)連接。

　　圖1 系統的網(wǎng)絡(luò )結構圖

　　整個(gè)監控系統的網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。
3.2 上位機

　　采用HP ML350服務(wù)器和研華工控機作上位機，通過(guò)CP5613通訊卡使服務(wù)器與CPU412-2 相連，這樣PC與現場(chǎng)總線(xiàn)就連接成能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò )系統。HP服務(wù)器監控軟件采用SIEMENS公司W(wǎng)INCC軟件，可實(shí)現生產(chǎn)任務(wù)的下達和結束、將生產(chǎn)數據存入指定的數據庫中、下線(xiàn)處理和設備故障清除。研華工控機采用自主開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)管理系統，主要完成產(chǎn)品清單、產(chǎn)品工藝、工單和工單工藝定制，并完成生產(chǎn)任務(wù)指令的下達，將工單工藝下載到TP270觸摸屏上，而且可以對生產(chǎn)數據進(jìn)行查詢(xún)，并生成相應的報表，Execel。

　　3.3 SIMATIC S7主站

　　作為DP主站，CPU位于控制中心。本系統選用CPU412-2模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)接口裝置，具有強大的處理能力(具有0.3ms處理1024語(yǔ)句的速度)。根據程序內容讀取總線(xiàn)上的所有I/O模塊的輸入輸出量并讀取CP340內字節數大于4的條碼放到相應的DB塊中。

　　3.4 從站(Slave A，B)

　　從站A包括2個(gè)EM277帶CPU226和1個(gè)IM153-2帶CP340。CPU226主要完成生產(chǎn)數據的采集并監制專(zhuān)機檢測設備的運行;CP340從條碼槍讀入條碼。

　　從站B包括12個(gè)西門(mén)子TP270-10觸摸屏。為數據采集、數據存入、下線(xiàn)處理和故障消息組態(tài)友好的人機交互界面，盡可能減少操作人員的軟故障,及時(shí)向操作工反映通訊故障。

　　4 軟件組態(tài)

　　STEP7組態(tài)：網(wǎng)絡(luò )配置分為軟件配置和硬件配置兩部分,軟件部分通過(guò)STEP7編程軟件對S7-400 CPU412-2DP進(jìn)行配置包括通訊速率,子站數量及站地址等。當軟件配置完成后,各接入的監控信號在CPU中的對應地址將會(huì )自動(dòng)生成。硬件配置主要是將ET200M子站的接口模塊IM153-2上的地址撥碼開(kāi)關(guān)設置成與軟件設置相同。因為是用CP340做從站讀入條碼槍的條碼,因此CP340必須選擇ASCII協(xié)議,還必須對此協(xié)議的起始終止位和奇偶較驗等參數進(jìn)行設置，并對CP340進(jìn)行驅動(dòng)程序下載。硬件組態(tài)如圖2所示。

　　圖2 硬件組態(tài)