关键字: 工业控制, OPC, 现场总线
1 引言
在当今计算机网络技术飞速发展的推动下,工业自动化系统己在逐渐完成由集中式向分布式的转换。由于在多服务器与工作站的分布式系统中,通常是通过局域网来形成系统的数据通信。这样,就可利用增加服务器或工作站作为新的结点接入网络来实现系统完善和增强功能。OPC技术是面向对象技术的最新发展,将它应用于FCS系统的设计中,可以实现开放式FCS系统。FCS系统是一种重要的过程控制系统,实现FCS系统的开放性和互操作性是工业自动化软件的发展方向。利用VB高级编程语言、西门子公司强大的编程组态软件STEP 7及SIMATIC NET软件,开发了基于OPC技术的玻纤物流线控制系统。
2 PROFIBUS总线的应用
PROFIBUS现场总线技术与其它的现场总线技术相比,具有它自身独特的优势。针对工业现场的实际情况,为了降低系统成本和简化实现,PROFIBUS-DP将其系统中的站点分为三种类型:一类DP主站（DPM 1）、二类DP主站（DPM2）及DP从站。当然,这三类站点只是从逻辑功能上来进行划分的,实际上一个物理设备可以同时实现这三种功能,这时它既是主站也是从站。PROFIBUS-DP提供如下的一些基本的服务功能:
1. 读取主站诊断信息。 2. 参数的上下载。 3. 激活总线参数。
4. 读取从站诊断信息。 5. I/O数据交互。 6. 设置从站参数。
7. 检验从站组态信息。 8. 向从站发布控制命令。 9. 读从站组态数据。
10. 读取从站I/O数据通过。 11. 设置从站地址数据。
PROFIBUS-DP采用两种传输技: RS485与光纤。其数据传输速率可调,也可以满足低速要求,也可以满足高速要求,其最高速率达到12Mbps,比其它主要的现场总线速率都要高。
RS485是一种技术成熟、廉价的数据传输技术。它采用双绞线作为传输介质,其传输距离与传输速率有关。在远距离传输或者电磁干扰严重的应用场合,可以采用光纤传输技术。应用中继器可以扩展总线段的范围,应用光纤连接模块可以构成电缆与光纤混合的网络。同时,通过这些网络连接模块。
3 控制系统总体结构设计
3.1 系统概述
物流系统就是指按准确的时间,将准确的物料,以准确的质量要求,运放到准确的地点所组成的一个整体,所以物流系统具有很强的时空性,技术性和经济性,是左右现代企业生产经营的重要因素。根据规划设计,整个玻纤物流传输系统分成五个工作单元,分别为拉丝下料单元、烘干炉分配单元、立体库存放单元、出库络纱区分配单元和空车处理单元。系统的控制软件部分要完成从玻纤原丝到玻纤产品的自动、半自动连续输送控制,并解决分类储存及按需分配等相关问题,同时还要对生产线的运行状况进行实时控制、显示报警等相关信息。
整个物流线需要很高的输送能力。要保证物流线的高输送能力,除了需要输送设备的低故障率外,更需要性能优良、稳定可靠的自动化控制系统来完成对整个物流过程的控制和管理。 根据系统需求及实际应用经验,玻纤物流线自动化控制系统技术方案的思路是采用西门子公司系列PLC自动化产品组成集散控制系统,实现高水平的自动化控制和管理,从而达到低能耗、可靠稳定运行的目标。在系统配置上充分考虑了系统软、硬件资源的可扩展性,以便在日后需要扩充时,在不影响现有设备运行的隋况下,即可将系统扩大升级。
3.2物流线工作流程
整个物流传输自动线由5个工作单元组成,分别是拉丝下料单元、烘干炉分配单元、立体库存放单元、出库络纱区分配单元、空车处理单元。其工作流程如图1所示:
图1系统工作流程
3.3系统组成
系统主要由研华上位工控机、西门子S7-400工作站、S7-300智能从站及CP5611采集卡等部分构成,见图2。
图2 控制系统结构图
整个控制系统基于现场总线Profibus-DP模式: 在结构上将计算机控制系统抽象为一个包括由基础设备层、过程控制层和上位信息管理层组成的三层模型;基础设备层包括机械手和积放式输送线以及立体库的控制PLC、小车的ID识别装置和大量传感器装置组成;过程控制层采用了西门子57-400 PLC,下挂Profibus-DP网,并通过DP/PA链接器将总线仪控设备接入上位控制工控机,将实时通用数据集成到上位机的服务器。上位信息管理层将控制过程、信息管理、通信网络融为一体,实现数据共享,有关人员登陆到上位机服务器就可以根据各自权限控制到生产现场的设备的运行情况,真正实现了集中管理,分散控制的目的。
基础设备层: 现场设备以网络节点的形式挂接在现场总线网络上,由带有功能块的现场总线设备完成对生产过程的控制。随着系统所采用现场设备的增多,功能的不断增强,设备层所能提供的现场数据也越来越多。
过渡控制层: 用以监视和控制生产过程的系统使用情况,将采集的现场数据传送到信息管理层。过渡控制层配合并协调各现场设备的工作,为实现先进控制和过程操作优化提供支撑环境,使得系统具有更高的控制水平和管理层上位信息管理层。
上层应用程序不仅参与和控制现场设备通信的每一个步骤,还需要协调和管理系统中其他现场设备的通信过程,检测并消除多个通信过程相互冲突的情况发生。
3.4系统功能化设计
在此计算机控制系统中,上层的管理功能块通过通讯功能块访问现场设备来获取现场数据,从而使得系统上层的控制和信息、管理与底层的现场设备通信紧密地结合在一起,如图3所示。
图3通讯示意图
采用独立的现场通信功能块,使系统的上层管理功能块向现场通信功能块发送数据请求,获取所需的现场数据;现场通信功能块接收请求,完成现场数据采集任务,并将现场数据发回给管理功能块。这样现场设备的通信任务由专门的设备通信程序完成,系统的管理层不直接访问系统底层的硬件设备。因此对上层管理功能块而言,不再存在着现场设备兼容性问题,并且系统底层现场设备的通信协议和通信方式的改变,甚至底层现场设备的更新、网络结构的变化都不会对管理功能块造成影响。
从计算机控制系统的基础设备层、过程控制层和上位信息、管理层三个层次的模型中可以看出,在通讯功能块中存在着两个主要通信过程:设备层与数据层之间的通信,数据层和应用层之间的通信,这两个通信过程既紧密联系又相互独立。设备层与数据层之间的通信主要任务是采集现场设备的数据,控制和管理现场设备。通讯功能块在完成此层间的通信功能时,其实现方式与现场设备和通信设备的通信方式、网络的拓扑结构密切相关。数据层和应用层之间的通信,主要任务是完成对数据的处理、加工,向管理程序提供统一的数据平台,实现应用程序之间的数据传递和共享。这一层的通讯功能块的开发需要综合考虑系统所采用的编程技术、操作系统、数据库等各个方面的情况。
3.5 通讯功能块的开放性
在许多计算机控制系统中,现场设备的更新升级频繁,系统功能任务变动较大。因此保持通讯功能决的开放性、模块化的体系结构是开发通讯功能块的基本要求。通讯功能块的开放性体现在:
1. 通讯功能块应尽可能不受系统硬件变化的影响。
2. 通讯功能块内部的各个模块应相互独立。
3. 通讯功能块与上层管理模块相互独立。
但是在通讯功能块的实际开发中,通信模块许多功能的实现可以是基于系统的具体硬件环境和系统的具体应用要求,并不要求所开发的通讯功能块的开放性和通用性能适应所有的系统和满足系统的各种需要。这样做可以省略掉通讯功能块中某些用户并不需要的功能。使软件结构简单,开发较为容易、快速,并能满足用户具体和特殊的要求。
4 中央控制系统功能分析
中央控制系统作为整个自动化控制系统的决策级管理机构,其配置是否合理、可靠、直观等因素直接关系到物流自动化控制系统的可靠运行。该系统主要包括控制机工作站和数据服务器两大部分。
数据库作为物流线控制系统的数据存储部分,数据库的性能直接影响到整个控制系统的性能,在设计物流线控制系统数据库时,我们主要从以下几个方面出发,来满足物流线控制对数据的存储、读取需求。
1. 能够满足数据存储需求。
2. 数据便于最终用户访问数据的可用性,也就是便于最终用户访问。
3. 具有良好的数据库安全机制。
4. 数据库整体性能合理。
5. 尽可能少地存储冗余数据数据。
本文作者创新点
本文首先对整个玻纤物流输送线的工作流程进行了详细的阐述,然后在此基础上提出了基于OPC技术的开放式玻纤物流线控制系统的框架结构。在功能上,集控制与管理与一体;在实现技术上,设计了基于OPC技术的通讯功能模块,并详细的阐述了采用OPC技术的通讯模块的原因及其优越性能。本文还特别分析了PRFIBUS-DP现场总线的应用,从实践上验证这种总线的优异性能。最后对整个控制系统的功能进行了详细介绍。
参考文献:
[1] 高建平,基于OPC技一术的电厂实时数据管理系统[J],工业控制计算机,2002 （5）: 67-69
[2] S.Vitturi. On the use of Ethernet at low level of factory communication systems [M]. Computer standards & interfaces, 2003, 9（5）: 53-56
[3] 李建辉,蔡伟波,吴修国. 基于OPC技术的工业控制系统研究与设计[J]. 微计算机信息, 2007, 8-3: 16-18
[4] 贺志国,陈大泽,匡纲要.基于COM技术的通用标图组件的设计与实现[J]. 微计算机应用研究,2005 （6）: 147-149
[5] Ash Rofail等著,邱仲潘等译.COM与COM+从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2000:233-243
[6] David S.Platt著.Understanding COM+. Microsoft Corporation, 1999
