西门子基于PC 自动化产品在纺织生产线上的应用方案

OPC: 用于过程控制的对象链接和嵌入。
　　本文论述的这条纺织生产线是青岛宏大纺织机械有限责任公司新近研制开发的产品。该公司是中国纺机行业的著名企业，梳棉机，落筒机，清梳联等是其主要产品。近年来，随着纺织行业的发展，该公司不断开发具备高新技术，能与国外知名产品相媲美的新产品。
　　而该生产线正是青岛宏大纺织机械有限责任公司这一、二年来的重点项目，目前正处于优化调试阶段，将于今年底面市，因此本文在论及该生产线时，略去了各设备的名称及其主要工艺，主要描述西门子产品在该项目上所体现的特点，以及作者使用中的体会。
该生产线由五种不同类型的设备组成，分别称之为A、B、C、D、E。工艺流程如图一：

　　其中A 为主要设备，该设备停止运行则整个生产线停止生产。而B、C、D、E 等设备则可以根据纺织厂不同的产品工艺要求独立地运行或停止，而且B、C、D 设备可以一台运行，也可以两台相同设备同时运行。E 设备则可以有更多数量同时运行。在电气控制上要求将生产线的生产状况实时反映到车间级及厂级管理层，并将生产数据存档。同时要求整个生产线上所有设备的运行状态必须传送到一个操作员站及一个工程师站上实时显示，所有设备的工艺参数设置由操作员站完成。另外，由于生产线上各设备分散距离较远，考虑到设备手动调试时的可操作性，要求设备的手动调试必须就近连接操作面板，一旦手动调试停止，即拆除连接的操作面板。
在选择控制系统时，最初有两种设计方案：
第一种设计方案如图二：

　　A 设备选用S7-400 系列PLC，CPU 为CPU412-2DP；C 设备，D 设备选用S7-300系列PLC，CPU 分别为CPU314，CPU315-2DP；B 设备和E 设备选用S7-200 系列PLC，CPU 为CPU224 并带EM277 PROFIBUS 扩展板，将B 设备和E 设备分别作为D 设备的智能PROFIBUS
从站。A 设备上的S7-400 系统中配置一块CP443-1 工业以太网通讯卡，与工程师站联接，并与车间级及厂级管理层联网。A、C、D 设备及操作员站TP37 用MPI联网，各设备互相之间的逻辑互锁及数据交换通过MPI 网络实现。C 设备，D 设备将生产状况及运行状态传送给A 设备，由A 设备通过以太网传送给工程师站及管理层网络。
　　同时，B 设备，E 设备通过PROFIBUS 网络将信息传送给D 设备，通过D 设备传送给A 设备，并向上一级传送。系统中配置的TP37 触摸屏作为操作员站，为各设备设置参数，并显示部分运行数据。对于A、C、D 设备的手动调试利用一个TP170B 通过MPI 网络就近联接各PLC 来完成。
第二种设计方案如图三：

　　整个控制系统由PROFIBUS 网络组成。A 设备选用S7-400 系列PLC，CPU 为CPU412-2DP，作PROFIBUS 主站，其自身的I/0 由ET200M 组成；C 设备，D 设备，选用ET200M 远程I/0 方式作A 设备的PROFIBUS 从站；B 设备和E 设备选用S7-200系列PLC，并配EM277，直接作为A 设备的智能从站。A 设备与工程师站的联接及与管理层联网方式同方案一，操作员站同样选用TP37。A、C、D 设备的手动调试利用一个TP170B 就近联接完成。
　　对于第一种设计方案，各设备的控制系统独立性较强，可单独运行或停止，调试方便，但问题也是显而易见的：
　　1. 数据传送问题
　　因为B、C、D、E 各设备的信息都必须通过A 设备传送到工程师站及管理层网络，因此B、C、D、E 设备的数据传送到工程师站的实时性较差。TP37 作为操作员站，同时要与A、C、D 三种设备通讯，同样需要较长的数据更新周期。
　　2. 通讯能力问题
　　因为C，D 设备选用的是S7-300 系列PLC 中的CPU314，CPU315-2DP，它们的S7 固定连接数量受到限制，如C 设备，它必须同时与一个A 设备，两个D 设备，一个TP37 及一个TP170B 连接，这个连接数超过了它的S7 固定连接数量。虽然可以通过A设备再与D 设备连接，或建立动态连接等方法来解决问题，但显然不方便。而且A、C、D 设备之间的逻辑连锁控制，如通过上述两种方法解决，实时性很差，在工艺上也是不允许的。
　　3. 互换性较差
　　用这种方案时，A 设备，两台C 设备，两台D 设备，都有不同的MPI 地址。生产厂在提供设备给纺织厂时，必须对相同设备的CPU 下载不同的配置，相同设备之间无法互换，给设备安装及销售管理增加麻烦。
　　第二种方案则解决了第一种方案所遇到的技术问题。因为C、D 设备是A 设备的分布式I/0 站，所有生产信息及运行状态都在CPU412-2DP 中，这些设备的信息同时传送到工程师站及管理层网络上。TP37 也只和一个CPU 通讯，数据更新快，也不存在各设备之间通讯能力的问题。同时，C、D 设备在PROFIBUS 网上的从站地址可以直接在接口模板IM153 上设置，因此，C 设备之间或D 设备之间可以完全互换，设备安装维修更方便。虽然在这种方案中，C、D 设备必须依赖A 设备的运行才能运行，但因为本来生产工艺上，当A 设备停止时，C、D 设备就不能运行，因此，C、D 设备的独立运行没有必要，如果仅为设备调试方便，相对而言意义不大。
　　但是，第二种设计方案也有不是之处。A、B、C、D、E 各设备的信息都必须通过一块CP443-1 以太网卡传送到工程师站及管理层网络，存在一个数据通讯的瓶颈问题，数据交换的实时性及速度都受到限制。另外，鉴于TP37 的能力，操作员站只能用于参数设置及少量数据显示用，而无法完成数据统计、存档、报表生成等进一步的数据处理功能，并且图形的动态显示效果也不理想。而西门子WinAC 产品的特点正好解决了这些问题。
　　WinAC 不仅仅是一个可编程序控制器，它将自动化控制和人机界面集成在一个PC 平台上，在进行自动化控制的同时，完成大量的数据通讯，数据处理及可视化处理。基于上述原因，对第二种设计方案进行了改进。首先，考虑到生产线运行的安全性及稳定性，用WinAC 产品中的插槽型PLC Slot 412 代替原来的S7-400PLC 的CPU412-2DP，配合使用电源扩展板，并外接24 伏直流电源，使控制系统可独立于PC 机的操作系统，保证系统运行的高可靠性。其次选用西门子嵌入式触摸面板工业PC 机IL70 作为PC 平台，其集成的TCP/IP 以太网口直接与工程师站及管理层联网，另外在IL70 上运行WinCC 人机界面软件，使操作员站能完成更强大的功能。
　　最终的设计方案如图四：

　　WinAC Slot 412 作为系统的中央控制器是整个控制系统的PROFIBUS-DP 主站，完成设备A、C、D 的控制任务。C、D 设备使用ET200M 作为远程分布式I/0 站，直接连接到Slot 412 集成的DP 口上。B，E 设备使用CPU224，并配置EM277 PROFIBUS 扩展板作为Slot 412 的智能从站，将数据信息传送给Slot 412。电源扩展板上的外接24 伏直流电源及后备电池保证在PC 机断电情况下，Slot 412 仍能正常工作。
　　IL70 作为WinAC Slot 412 的运行平台，同时也作为操作员站，并通过集成的TCP/IP、网口与工程师站及管理层联网。IL70 上运行的WinCC 人机界面软件通过OPC 客户机方式从WinAC 的OPC 服务器端存取控制引擎中的数据。由于WinAC、WinCC 在一个PC
平台上，因此这种数据交换方式速度快，数据量大，实时性好。
　　WinCC 作为人机操作接口，完成整个控制系统的参数设置及实时数据显示，实现用户提出的复杂的动画显示功能，并对生产数据及各设备运行状态进行存档，生成报表，提供报警信息以及设备的维护信息。
　　工程师站是一台普通的PC 机，通过以太网与操作员站联接。工程师站上也运行一套WinCC 软件，通过DCOM 配置，同样以OPC 方式从WinAC 存取数据，并且某些权限比操作员站上的高。由于在操作员站上使用了WinCC 工业组态软件，使管理层从该生产线获取生产信息非常方便。WinCC 具备多种方式进行网上数据交换，如可以运用WinCC 的客户机/服务器方式，或WinCC 的Web 浏览器功能等等，为将来用户厂的联网生产管理提供多种选择。
　　一台移动式的TP170B 操作面板，通过C 或D 设备上的ET200M 接口模板IM153 上的PROFIBUS 三通接头直接联接到系统的PROFIBUS 网上，对网上的任何一台C 设备或D 设备进行手动操作，使调试人员能在设备边上直接进行手动调试。TP170B 上集成了生产线上所有A、C、D 各设备的手动调试画面，因此一台TP170B 可完成所有设备的手动调试工作。
　　对于系统控制软件，B、E 设备的控制程序由自身的CPU224 完成。A、C、D 设备控制程序由WinAC Slot 412 完成。其中A 设备中有两路高速计数要求，由两块FM350-1
高速计数模板完成。每个D 设备中有两路压力PID 调节，系统中一共有4 路PID 调节，鉴于Slot 412 的高速指令执行速度，用S7 软件PID 功能块就可以完全满足要求。
　　系统控制软件中的一个重要部分是完成用户的多种工艺选择要求。如图一所示，纺织厂根据自己产品的工艺要求可以随意组建生产线。如可以只购买A、B、C、D 各1 套设备及若干E 设备组成一条生产线；或购买A、B 及C 设备各1 套，D 设备2 套及若干E 设备组成一条生产线；或购买1 套A 设备，B、C、D 设备各2 套，在运行时可自由选择是否开1 套C 设备，或同时开2 套C 设备等等。而生产线的生产厂家为保证产品管理的统一性，要求只用一套控制软件来完成生产线各种可能的配置的控制任务。也就是对他们的所有纺织厂用户只提供一套控制软件，由用户自己在操作员站上设置生产线的实际配备。
　　这就出现了一个问题，即控制软件必须包括生产线最大可能配置所有设备的控制任务以及组态配置，但当某个设备在生产线上实际不存在时，又必须保证整个PROFIBUS网络运行不出现故障。
　　西门子STEP7 软件提供了一种方法可以通过用户程序，使PROFIBUS 从站自由地从网上断开而不影响主站的运行。首先，在控制程序中，必须编制组织块OB84、OB86、OB87、OB122，这些组织块在系统出现网络故障，或I/0
寻址故障时，由CPU 直接调用。如果控制程序没有包括这些组织块，当系统网络中有从站断开，CPU 会直接进入停止运行状态。因此，在Slot 412的控制程序中装入了OB84、OB86、OB87、OB122。
　　其次，STEP7 提供了一个系统标准块SFC12，利用SFC12，控制程序可以读取DP从站的状态，禁止DP 从站或激活DP 从站。当CPU 启动时，如果是冷启动或暖启动，系统配置中的所有DP 从站被自动激活。热启动时，DP 从站保持原有状态，即如果原来是激活状态则保持激活，原来是禁止状态则保持禁止。如前所述，生产线的控制程序及配置是唯一的，也就是配置是按照生产线可能的最大配置做的，如果实际的设备配置与控制软件中不同，下载后CPU 会出现故障。因此，在生产线按装完成第一次正常通电时，初始化程序将所有Slot 412 的PROFIBUS 从站通过调用SFC 12 禁止掉，等Slot 412 正常运行后，由操作员在操作员站上通过WinCC 人机界面软件做出实际需要的配置。控制程序确认这些配置后，再将存在的或选用的设备一一激活，以后当CPU 重新启动时就会保持这种配置状态，而无需再做激活或禁止工作。通过以上两个处理，控制系统能在任何不同的配置下正常工作。
　　目前，该项目调试正接近尾声，所有控制软件已基本调试完成，并达到了预期的目标。
　　通过这个项目可以发现，随着PC 机及网络技术在工业现场的快速发展，基于PC 的自动化产品解决了传统PLC 不足之处，它的大容量实时数据处理，大容量的系统资源，方便的网络联接，强大的可视化功能，快速的指令处理等能力，会使该类产品在工业自动化领域中得到越来越多的应用。