摘 要：介紹了一種為了聯網工廠設備而構建的群控系統，詳細敘述該方案如何用以太網聯接起西門子公司SIMATIC產品和上位計算機以實現可遠程監控的全自動生產線。經過仔細考慮過各車間整個生產工序后，設計實施出裁制壓片機、貼膠機、卷繞機、注液機、封口機車間的監控網絡并且具有故障自動診斷功能。運行結果表明，該系統完全達到了設計規定的性能指標和要求，且運行可靠。 關鍵詞：可編程控制器 以太網聯接 現場總線 組態軟件 1. 前 言 　　隨著國內二次電池企業的成長和國際市場競爭，傳統以手工操作設備、單機半自動設備生產為主的企業容易出現產品檔次效益下滑的局面。為保持業內競爭力，必須改善和穩定生產工藝，提升產品性能更高，以適合國內電池企業規模化生產的要求。電子商務時代里應用計算機網絡技術去整合現有的生產、經營、設計、制造、管理，及時地為企業的“三層決策”系統（戰術層、戰略層、決策層）提供準確而有效的數據信息，以便迅速反應，加強競爭力。而在容易受人為因素影響品質的工藝環節里開始采用網絡自動化設備來實現整體控制。 　　可編程控制器（PLC）編程靈活又可聯網控制，在工業領域里得到了廣泛應用。PLC用于現場設備的直接控制，計算機對PLC的編程監控管理，提高了生產效率。應用以太網TCP/IP可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。企業內網Intranet外延接入Internet，向下聯接以過程自動化為主的現場總線（Fieldbus）。現場總線是面向工廠底層以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的測控系統。本文以組建車間設備群網絡為例，全面闡述了以太網聯接控制PLC的實現方法。 2. 生產現狀 　　車間中各機器設備均采用PLC電控，制程順序如圖1所示。 [align=center] 圖1 生產工序[/align] 3. 外部信息網 　　通用分組無線業務（GPRS）平臺提供高速無線IP或X.25服務，實際帶寬大約40～100Kbit/s，包括諸如數據庫系統、信息傳遞、人機界面、實時應用程序等基礎服務。異地監控中心主站通過專線方式直接接入中國移動基站。可以使用點對多點連接，也可以由企業本地代理服務器借助ADSL、LAN等公網連接。遠程終端站用3G手機、PDA、手提電腦完成人機交互工作，采集數據和判斷設備狀態是否正常。將車間系統的有關數據通過防火墻發給異地的局域網，使授權用戶可以了解廠房生產和設備狀況，甚至在辦公室對全廠設備進行操作。使用路由器劃分整個廠級的100M甚至1000M的自適應網絡，使用交換機連接各個虛擬網段,文件服務器與本部門的cisco2950交換機接口。這樣，采用Cisco虛擬專用網VPN技術實施經濟安全的企業遠程接入,邏輯子網由交換機端口任意組合，沒有物理上的相關性，不用路由器就解決了廣播報文的訪問控制問題。 4. 工廠內Ethernet/IP 控制網 　　4.1 工業以太網體系 　　以太網協議可提供辦公室通信以及高水準的自動化操作，SIMATIC NET工業以太網是基于國際標準IEEE 802.3的載波監聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）開放式網絡模組。組網規模最大多達1024站，距離可達1.5km的電氣網絡或200km的光纖網絡，網絡使用TCP/IP協議的計算機傳輸數據。西門子的通訊處理模塊，可以在任何點進行設備啟動和故障檢查或者構造冗余網絡，且允許用戶在Socket接口上編制自己的協議。遠程訪問路由器用于在局域網與廣域網間實現遠程通信。本地交換機Carat5008TX型對惡劣工業現場環境有較強的適應能力，它提供冗余網絡拓撲自愈恢復功能，支持熱備份功能并有過壓,過流和雷電保護。由于要將實時在線生產和檢測的重要數據上傳到網上，供合法用戶瀏覽，因而選用了SQL Server數據庫，采用ODBC（Open Database Connectivity）的互聯模式。主PLC 通過Profibus網采集現場 PLC 的I / O 的信號，信息交換中心對這些信號經過匯總和分析，判斷出全車間各生產線各部分的當前運行狀態，并把這些運行狀態存入相應數據區并周期刷新。IPC（工控機）工程師站和管理層通過訪問，得到車間生產設備當前運行狀態信息并可加以調控。 　　4.2 系統集成 　　盡管有了高可靠性的工業以太網交換機和冗余的環網，但如果電纜質量不好，同樣不能滿足要求。Belden有縱向軸粘連線的DataTuff電纜可以確保不會產生過度的傳輸損耗。根據實際傳輸距離、網絡傳輸速度等要求，選配了10BASE-5型粗纜，其最大傳輸距離500米 。屏蔽通訊電纜連接PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通訊端口，實現IPC與PLC之間的通訊。工業以太網連接，自頂而下， 上部分為車間級數據部分;下部分為下位機PLC子網部分。整體采用100M快速到桌面的主干以太網，而智能冗余型工業以太網交換機連接廠級網絡，分立的機械車間通過Carat5008TX交換機或者網管型SCALANCE X-200接口與辦公樓網絡的Cisco3660路由器相聯。工程師管理站、數據庫服務器通過接口端共享資源。系統組成框圖與網絡布線見圖2。 [align=center] 圖2 工業Ethernet/IP系統集成[/align] 　　根據設備運作的復雜程度，配置如下： 注液組主控器A選用S7-400系列PLC㈠CPU 為CPU443-2DP;貼膠組主控器B選用S7-200系列PLC㈡CPU 為CPU243-1;卷繞組主控器C選用S7-200 PLC㈢;封口組主控器D選用S7-200 PLC㈣;裁片組主控器E選用S7-400 PLC㈤，CPU 為CPU443。借助EM277模塊擴展PROFIBUS智能從站。插入主控PLC中的以太網通訊卡給車間級/廠級聯網提供了便利。底層設備通過PROFIBUS-DP 網絡將信息通過級聯向上一級傳送生產狀況及運行狀態，由上級主控器通過以太網傳送給工程師站及管理層網絡。系統中配置的TP170 觸摸屏作為操作員站，為各設備設置參數并顯示部分運行數據。這樣對于B、C、D、E 設備的手動調試仍然可以利用它使用MPI網絡協議就近聯接各層PLC 來完成。 5. PROFIBUS現場網絡 　　5.1 網絡模式 　　SIEMENS 的PROFIBUS網絡支持PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-DP三種類型。PROFIBUS-DP是一種高速、經濟的設備級網絡，主要用于現場控制器與分散I/O之間的通信，可滿足系統快速響應的時間要求。PROFIBUS-DP數據鏈路層的媒體訪問控制部分采用受控訪問的令牌總線和主從方式。其中令牌總線中令牌在總線上的各主站間傳遞，持有令牌的主站獲得總線控制權，該主站依照關系表與從站或其他主站進行通信。主從方式的數據鏈路協議中一個主站控制著多個從站，主站與每一個從站建立一條邏輯鏈路;主站發出命令，從站給出響應，從站可以連續發送多個幀。數據鏈路中幀的傳輸過程分為三個階段：數據鏈路建立、幀傳輸和數據鏈路釋放。主從結構的一條DP網可包含一個主站和最多127個從站, 理論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。網絡傳輸速率達到12Mbit/S 時其傳輸距離最長為100米。 　　5.2 PLC通訊設計 　　PLC有3種控制模式：就地手動方式、PLC遠程手動控制方式、全自動控制方式。前兩種方式一般只在設備調試或維修時使用，系統主要以全自動操作方式為主。在這種方式下，各類設備的開、停，各種工序的切換，都由PLC按照預先編制的程序自動控制。基本測量參數包括現場的各式氣缸、電機、電磁閥、進料出料等開關信號和注液速度、溫度等模擬信號，通過組態界面顯示、設定、保存關鍵設備的參數。車間IPC工程師站編程輸入時，主體工作就是按程序結構框圖實現元件的順序動作，和進行程序優化。如：初始化和復位;沖突觸發的互鎖;電機啟動延時;維修的手動控制;循環的計數;氣缸和步進電機到位信號。 　　應用編程軟件Step7 Micro/Win32完成機器的控制程序的設計工作。該編程軟件具有梯形圖、語句表和功能邏輯塊圖3種輸入方式相互轉化的能力，本課題采取語句表（STL）和梯形圖（LAD）在PC機上混合編程的方式，提高了編程效率。 操作單元通過Profibus接口用S7協議與S7-200和S7-400進行通訊。根據現場控制要求，選擇了西門子公司的S7-400系列的PLC和S7-200系列PLC6ES7214-1BD20-0XB0型。S7-200接入工業以太網還要配備上CP243-1或互聯網模塊CP-243-1 IT，同樣S7-400也需配備CP443模塊。安裝了STEP 7-Micro/WIN之后，計算機上將會有一個標準的瀏覽器用來訪問CP的主頁。除了編程軟件配備TCP/IP協議，“通信”對話框中應為每個子網模塊指定IP地址。CP243 用于最多8個S7-200 PLC連接PC的數據交換，該模塊采用半雙工或全雙工通信，使用RJ-45接口，傳輸速率為 10Mbit/s或100Mbit/s。對CP243-1 CPU進行配置成功后，更換板卡也不用再重新配置。 通過網絡可以實現遠端編程和監控服務，例如上傳、下載程序和監視系統的狀態。使用標準S7-OPC接口，加裝軟件包SOFTNET-S7,計算機的應用程序就能通過網路存取S7-200的數據，這樣可以實現數據可視化、存檔或作進一步處理，例如使用VB、VC應用程序、WinCC進行處理。 　　S7-200支持多種通信協議，各種協議同時運行不會干擾。例如點對點PPI、多點接口MPI和PROFIBUS。協議基于OSI通過一個令牌環網來實現。通信幀由起始和結束字符、源和目的站地址、幀長度和數據完整性偶校驗組成。主站向網絡中從站發出請求，從站只能作出響應。一個網的127個地址最多可定義32個主站，各設備的地址不能重疊。運行 STEP 7-Micro/WIN的計算機的默認地址為0，OP的地址為1， 主PLC的地址為2。上/下位機通訊程序中定義格式如圖3示出。F為幀標志字段（8位），A為從站地址字段。控制字段C表示幀類型、編號、命令和控制信息，它將HDLC幀分為三種類型：信息幀（I）、監控幀（S）和無編號幀（U）。信息幀用于應用數據（Useful Data）的傳輸并捎帶應答;監控幀用于監視鏈路上的正常操作，對鏈路狀態做出各種響應（如認可幀、請求重傳或暫停等）;無編號幀（不含信息字段）用于傳輸各種元編號命令和響應，例如建立鏈路模式，釋放鏈路及報告特殊情況等。信息字段由FKW+PZD的應用數據構成，FKW用于讀寫參數值，如寫入控制字或讀出狀態字等，一般為4Byte長，而PZD用于存放控制器的具體控制值，設置站點或狀態字的參數，一般為2～10B長。 [align=center] 圖3 上/下位機幀通訊格式[/align] 　　PLC作為一個節點連接在工控網上，方便地實現PLC與IPC的通訊。以下概述一下組態步驟：首先新建一工程，然后依次建立4個中型PLC網絡，主控制設備稱PLC1、PLC2、PLC3、PLC4，下一步設置設備IP地址，格式為aaa.bbb.ccc.ddd:ppppp:t; aaa.bbb.ccc.ddd為地址，ppppp為端口號（范圍256-65535），t為連接超時時間（單位s），都是十進制數。例如PLC1的IP地址為:192.168.1.1,端口號為:1000，連接超時時間3秒。PLC2、PLC3、PLC4控制設備建立和PLC1大同小異。所有PLC、IPC的IP地址、端口號都不能重復。在建立通訊連接的基礎上，再進行定義數據變量，設計畫面，開發數據庫等開發步驟。 　　5.3 電控構造 　　企業共計貼膠、裁片、注液、卷繞、封口五個PLC車間接受聯網改進，每個車間現場設備最多能容納127臺機次，分布形態為小于6臺/分支。但是用PROFIBUS-DP網絡方式最多只能直接連接8個S7-200PLC，故而解決辦法是將S7-200PLC作為PROFIBUS-DP從站同時又設置成下級網絡的控制主站，其余的PLC通過點對點通訊協議PPI網絡分別與S7-200連接，通過這個層間的主機完成數據交換。控制過程中通過網絡讀寫指令來實現各級主站到IPC的通訊。S7-200PLC是可以獨立編程和完成設備控制的，Prifibus-DP子網將控制信號高速地傳送到線上的ET-200，使相應繼電器動作。PROFIBUS-DP應用的擴展見圖4。 　　PROFIBUS-DP擴展模塊EM277經串行I/O總線連接到S7-200上。 S7-200邏輯連接數4個， 0、1端口分別為編程器和操作員面板留用。所有主站必須工作在相同的波特率下，可設定傳輸率為187.5Kbit/s。EM277可當成一個DP主站的從站外， 還能當成MPI從站，與同一網絡中的SIMATIC編程器或S7-400 / S7-200 CPU等其它主站進行通信。 [align=center] 圖4 PROFIBUS設備層[/align] 　　S7-400配置分為軟件和硬件兩部分。軟件部分通過STEP7編程軟件對CPU414-2DP進行配置。SIMATIC STEP 7 工程軟件集成了組態和遠端診斷功能。包括配置S7-200通信子網的速率,子站數量及站地址等。設置完成后,各接入的信號在CPU中的對應地址將會自動生成。硬件配置時將各ET200M的接口模塊IM153上的地址撥碼開關設置成與軟件相同 。 　　IPC計算機采用的監控軟件為PROTOOL/PRO V5.1。通過西門子CP5611網卡以TCP/IP協議聯機至工業以太網絡，同下位PLC設備群進行數據通訊，包括采集和指令傳送。基于Browser/Server框架和Web Client和Terminal Server Client軟件，進行遠程實時生產過程監控和在線檢測設備狀態。系統可以實時地監測并分辨當前各生產設備所處的正常、停機、故障等各種狀態，并在相應工控機的相應畫面上，以不同的符號、圖形、閃爍和顏色變化等形式顯示出來，以圖表或報表的形式打印和分析，幫助實現車間的測、控、管。有故障情況的PLC即刻進入中斷服務程序。制作上位機監控程序的方法也有很多種，可用VB，VC等調用MSCOMM控件或利用Windows API函數進行上下位機串口通訊。監控軟件能將主站PLC的已存儲數據按時間趨勢存放在數據文件里供調用、展示給管理人員，以便分析異常和改進工藝。Windows動態數據交換功能還能把數據庫的數據傳送到Office Excel和Office Access文件，從而實現報表打印和數據查詢功能。 　　采購西門子TP170B（型號6AV6 545-0BB15-2AX0）藍色觸摸屏，使用RS485/RS232接口電纜與PLC連接，安裝上SIMATIC ProTool/Lite組態軟件。可移動的TP170B 操作面板可直聯到PROFIBUS 網上，調試人員直接在設備邊上進行調試。主站為帶有網卡的PLC設備,從站是分布式的ET200M和S7-200子站,它們通過標準屏蔽雙絞線連接，距離過長則使用中繼器。掛接到Prifibus-DP現場總線的附加設備和子網主站的S7-200之間的通訊是S7協議。當需要查看重要的物理參數時，信號被對應的一次儀表傳感器或變送器檢測出來并變換為4-20mA電流信號，經過屏蔽電纜送到各個子系統的PLC內，PLC通過各種接口模塊采樣。控制信號由PLC發出后送到執行機構，控制執行機構的動作。對觸摸屏的整個組態工作主要包括“機組啟動”、“口令保護”、“系統定義”、“參數設置”、“系統控制”的操作界面，以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵等。對重要數值設定實行權限，防止非法操縱。假如要求擴展功能更齊全更可靠，將其置換為工業組態軟件。例如：Intouch、Fix、Citech、WinCC、Controx（開物）、Force control（力控）、組態王。工控組態軟件的功能包括數據庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報表生成、順序控制功能、連續調節功能。系統開發人員只需通過可視化的組態方式，就可完成監控程序設計，降低了監控程序開發的難度。組態軟件具有良好的擴展性、兼容性，軟件結構開放，可接受各種形式的數據格式，使用變得更簡單。 6. 結語 　　利用現代PLC提供的網絡支持功能，構建工控機IPC與PLC的聯網控制，解決了整個系統實時集中監控和各種數據在線綜合管理的問題，數字化的操作提高了控制過程的信息化水平。在制造企業裝調運行過程中，情況良好，減輕了人員的操作強度，實現了生產過程的自動控制。實際應用證明該遠端網絡控制系統具有良好的可操控性和可擴展性，波特率達到設計要求，實時準確性和運行穩定性良好，既降低管理成本又體現出經濟效益的提升。 　　本文作者創新觀點: 設計應用高性能PLC 1：n模式逐級擴展控制眾多底層設備，組成現場總線與公司局域網內的計算機聯接，通過電信平臺遠程管控車間機器，解決工廠在線管理的問題。指明了一種現代企業的工業以太網方案。 參考文獻 　　[1] 陳慶文，田作華. 基于Profibus的溫室控制信息管理系統. 北京：微計算機信息, 2005, 7-3: 109～110 　　[2] 張憲光主編.組態控制技術. 北京：電子工業出版社，2003 　　[3] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用. 北京，清華大學出版社,1999.6