S7通信在卷煙梗絲線控制系統(tǒng)改進中的應(yīng)用

李鈺靚，劉春桂

(1.浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠，杭州 310008; 2.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

S7通信在卷煙梗絲線控制系統(tǒng)改進中的應(yīng)用

李鈺靚1，劉春桂2

(1.浙江中煙工業(yè)有限責任公司杭州卷煙廠，杭州 310008; 2.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

針對現(xiàn)代煙廠要求控制系統(tǒng)能集中管理、分散控制生產(chǎn)線的要求，對煙廠梗絲線控制系統(tǒng)進行了改進。改進后的系統(tǒng)采用西門子S7通信協(xié)議，通過PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)將所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的PLC連接到同一個控制系統(tǒng)中，形成了主主通信控制系統(tǒng)。操作員通過Win CC或任一主站(采用西門子S7－300/400系列PLC)即可查看整條梗絲線的生產(chǎn)情況。Win CC臨界報警功能有利于操作人員提前做出規(guī)避操作。改進后的系統(tǒng)操作靈活，管理便捷，節(jié)約了人力資源。

S7通信;主主通信;PLC;Win CC;主從通信

目前，由于設(shè)備供應(yīng)商熱衷于給設(shè)備單獨配置PLC打包出售，使得國內(nèi)煙廠各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)由彼此獨立的控制系統(tǒng)控制。在這種生產(chǎn)模式下，各個控制系統(tǒng)的PLC分散獨立，無法集中管理、統(tǒng)一調(diào)度，操作員需要到生產(chǎn)現(xiàn)場對PLC逐個進行參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，耗時長，勞動強度高，系統(tǒng)控制精度得不到保證。最終導(dǎo)致卷煙品質(zhì)不佳，嚴重制約了卷煙品牌的市場競爭力。針對這一問題，本文提出將基于PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的西門子S7通信技術(shù)運用到杭州煙廠梗絲線上，將原有各控制系統(tǒng)的PLC連接成主主通信控制系統(tǒng)。操作員可在總控室內(nèi)通過新增的上位機Win CC對生產(chǎn)過程進行實時動態(tài)監(jiān)控并及時修改參數(shù)。

1 整體設(shè)計方案

1.1 方案選擇

杭州煙廠要求技改后的控制系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)集中管理、分散控制，而且還要最大程度地利用現(xiàn)有設(shè)備，減少企業(yè)設(shè)備投資。目前，主從通信廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但主從通信中僅允許有一個主站。若采用主從通信對杭州煙廠梗絲線進行技改，則各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的PLC控制器均被閑置，不僅無法保證各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)控制精度，而且不能充分利用現(xiàn)有設(shè)備，造成資源浪費，不能滿足企業(yè)的技改要求。

經(jīng)查閱相關(guān)技術(shù)資料后，決定采用主主通信，以實現(xiàn)集中管理、分散控制的技改要求。目前，在技術(shù)較成熟的MPI(multipoint interface)通信協(xié)議和S7通信協(xié)議下均可實現(xiàn)主主通信。MPI通信協(xié)議適用于對通信速率要求不高、通信數(shù)據(jù)量不大、少數(shù)站點間通信的網(wǎng)絡(luò)，多用于連接上位機和少量PLC的近距離通信，最大通信距離為50 m。梗絲線工藝流程復(fù)雜，需要的站點數(shù)較多，控制精度對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和吞吐量要求頗高。由于通信距離越短需要增加的中繼器越多，增加了企業(yè)的設(shè)備投資，因此MPI通信協(xié)議不是最佳選擇。

S7通信是S7系列PLC基于MPI，PROFIBUS，ETHERNET網(wǎng)絡(luò)的一種優(yōu)化的通信協(xié)議［1－4］，主要用于S7－400/400，S7－300/400系列PLC之間的主主通信，非常適合S7 PLC與HMI的通信，例如與監(jiān)控軟件Win CC的通信［5－6］。本方案選擇基于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的S7通信。PROFIBUS總線應(yīng)用廣泛，性價比高，DP接口易于集成;傳輸距離設(shè)為200 m，減少了中繼器的使用數(shù)量，節(jié)約了企業(yè)的投資成本;數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5 Mbit/s，數(shù)據(jù)吞吐能力強，實時性較好;通過DP接口連接所有PLC，充分利用了原有設(shè)備，硬件成本低。

1.2.1 CPU的S7連接資源

CPU的通信資源指CPU的連接數(shù)量指標。S7－300PLC分為動態(tài)連接和靜態(tài)連接，同HMI和編程器之間的通信均需占用靜態(tài)連接數(shù)。一個S7連接要占用一個靜態(tài)連接，因為S7－300PLC靜態(tài)連接資源較少，所以S7－300PLC系統(tǒng)間不能直接建立S7連接。由于梗絲線各生產(chǎn)環(huán)節(jié)主控制器均為S7－300PLC，故本方案在總控室內(nèi)新增一個S7－400PLC，并將它們連接成S7單邊通信，只能在S7－400PLC側(cè)建立單邊連接。S7－400PLC作為Client，S7－300PLC作為Server，S7－400PLC調(diào)用“PUT”，“GET”命令訪問Server的數(shù)據(jù)，這種方式稱為S7單邊通信。

1.2.2 S7 單邊通信功能塊

在S7單邊通信中，S7－400PLC通過PUT/GET功能塊訪問Server端的數(shù)據(jù)并得到對方確認。S7－400PLC通過GET功能塊將S7－300PLC側(cè)DB1～DB4中的數(shù)據(jù)讀到本側(cè)DB1～DB4數(shù)據(jù)區(qū)中，便于操作員分析現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù);S7－400PLC通過PUT功能塊將本側(cè)DB5～DB8中的數(shù)據(jù)寫入S7－300PLC側(cè)DB5～DB8數(shù)據(jù)區(qū)中，對S7－300PLC發(fā)出生產(chǎn)調(diào)節(jié)控制指令。在S7－400PLC側(cè)僅需編寫少量通信程序即可滿足通信需求，實現(xiàn)集中管理、分散控制的技改要求。

1.3 具體方案

本方案使用PROFIBUS－DP總線將所有S7－300PLC、總控室內(nèi)新增的1個S7－400PLC以及Win CC的DP接口連接起來，然后采用西門子Step7v5.4軟件進行系統(tǒng)硬件組態(tài)連接，形成主主通信控制系統(tǒng)。同時根據(jù)生產(chǎn)指標要求，編寫針對性的PID子程序取代PLC通用的PID模塊以提高各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制精度。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主主通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本方案的S7－300/400PLC均作為主站控制器使用，其中S7－400PLC控制級別最高，不僅可以讀取任一S7－300PLC主站的生產(chǎn)信息，還可根據(jù)生產(chǎn)需要直接修改任一S7－300PLC的參數(shù)設(shè)置。S7－400PLC通過PROFIBUS－DP總線與上位機Win CC進行信息交換，所有S7－300PLC的控制級別相同，可以讀取彼此的生產(chǎn)信息，修改各自的控制參數(shù)，但不能修改其他S7－300PLC的參數(shù)。

違法信訪行為的產(chǎn)生反映出我國民眾法治意識和思維的淡薄。徐賁認為：只有在大多數(shù)公民愿意和習(xí)慣說理，有說理的要求、能力和習(xí)慣的社會里，說理才會真正成為一種價值規(guī)范和生活方式。信訪評議團制度為廣大人民群眾提供了說事明理的平臺，通過第三方介入機制，以法律規(guī)范約束訪民行為，其效果遠好于政府強制力。評議過程是一次生動的法律課，通過參與、旁聽評議，引導(dǎo)人民群眾在法治軌道上反映訴求，有助于形成辦事依法、遇事找法、解決問題用法、化解矛盾靠法的信訪法治環(huán)境。

2 硬件設(shè)計

本方案在控制系統(tǒng)原有基礎(chǔ)上，將梗絲線中所有主從系統(tǒng)控制主站S7－300系列PLC的CPU升級為315－2DP，并仍作為各自主從系統(tǒng)的控制主站。S7－300PLC通過遠程分布I/O系統(tǒng)ET200S與生產(chǎn)設(shè)備的模擬輸入輸出模塊相連接，將采集到的模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，提高了信號傳輸過程中的可靠性，抗干擾能力得到增強。通過PROFIBUS－DP總線接口使所有S7－300/400系列PLC主站和上位機Win CC連接形成主主通信。

考慮到梗絲線控制系統(tǒng)的兼容性及日后擴展升級的需要，本方案器件選型均采用西門子公司的系列產(chǎn)品，以便于系統(tǒng)集成。主要器件選型如表1所示。

表1 主主通信主要器件選型

3 軟件設(shè)計

3.1 S7－300/400PLC間S7通信的建立

通過集成DP接口將S7－300PLC與S7－400PLC連接成S7單邊通信。S7－300PLC受自身連接資源限制，僅可作為通信服務(wù)器;在S7－400PLC側(cè)建立單邊連接，其作為客戶器。S7－400PLC可通過PUT/GET功能塊訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)信息。網(wǎng)絡(luò)配置如圖2所示。

S7單邊通信連接過程如下:

1)新建項目

右擊圖標并選中“打開”，在打開的SIMATIC管理器中新建一個名為“HZGSX”的項目，并選擇項目的保存路徑。單擊“確定”按鈕，創(chuàng)建一個項目，如圖3所示。

圖2 S7－300/400PLC S7通信配置

2)硬件組態(tài)

雙擊“HZGSX”項目后，在菜單欄中選中“插入”選項，即可插入一個S7－400站點。根據(jù)設(shè)計方案和硬件安裝順序依次插入機架、CPU、電源，如圖4所示。在插入CPU時彈出的組態(tài)PROFIBUS界面中新建一條PROFIBUS(1)，并設(shè)置站地址、傳輸速率和行規(guī)為“Standard”。由于S7－300主站組態(tài)過程類似于S7－400主站，故不重復(fù)介紹。

圖3 創(chuàng)建一個項目的界面

圖4 S7－400站硬件組態(tài)

3)建立S7連接

單擊硬件組態(tài)畫面“Configure Network”按鈕，在打開的“NetPro”界面設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，并將連接方式設(shè)置為S7 connection。檢查無誤，最后編譯存盤，S7－400側(cè)即建立了一條S7連接。網(wǎng)絡(luò)連接如圖5所示。

圖5 建立網(wǎng)絡(luò)連接

4)下載和調(diào)試

將程序和模塊信息載入PLC的CPU中，然后才可進行程序的調(diào)試。將CPU工作模式設(shè)置為STOP模式，選中項目窗口內(nèi)要下載的工作站，選中菜單欄“PLC”下菜單中的“下載”選項，下載完成。也可通過單擊“PLC”選項中的“Monitor/Modify Variables”來查看調(diào)試成功與否。

根據(jù)生產(chǎn)實際需要，本方案建立了S7單邊通信方式，通過調(diào)用S7－400PLC側(cè)OB1中的通信功能塊來訪問S7－300PLC的數(shù)據(jù)。S7－400PLC側(cè)僅需要一對通信數(shù)據(jù)區(qū)即可滿足通信要求。少量的通信數(shù)據(jù)要求使得S7－400PLC主站與各S7－300PLC主站之間的通信變得簡單、高效、快捷。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)控

監(jiān)控顯示選用西門子的Win CC V 6.0取代原有的模擬屏。S7通信也適合西門子S7系列的PLC與HMI通信。在梗絲線控制系統(tǒng)中選用西門子的Win CC作為實時動態(tài)監(jiān)控界面，不僅使得S7－400PLC主站與監(jiān)控設(shè)備之間的S7通信變得更加流暢，還能提供全面詳細的實時動態(tài)信息給操作員。杭州煙廠梗絲線Win CC監(jiān)控顯示主頁畫面如圖6所示。

圖6 杭州煙廠梗絲線Win CC監(jiān)控顯示主頁畫面

由圖6可以看出，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)已連接，梗絲線在正常運行狀態(tài)時，Win CC動態(tài)顯示了整條梗絲線工藝流程的生產(chǎn)信息，信息全面、詳細、清晰直觀，報警功能使得安全性得到進一步提高。Win CC中設(shè)置了操作員窗口，便于操作員針對可能出現(xiàn)的臨界情況快速做出參數(shù)調(diào)整，極大地方便了操作員集中管理整條生產(chǎn)線。

4 調(diào)試運行驗證

將西門子S7通信技術(shù)運用于杭州煙廠梗絲線控制系統(tǒng)中，形成了多主站的主主通信控制模式。S7－400PLC與各S7－300PLC進行信息交換，并將信息傳給上位機Win CC。操作員在總控室通過上位機Win CC即可查看生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的動態(tài)生產(chǎn)信息并根據(jù)需要做出相應(yīng)的調(diào)整，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)由相應(yīng)的S7－300PLC主站進行調(diào)節(jié)控制。圖7～10為部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)的調(diào)試運行圖。其中，圖7表示加料流量趨勢，圖8表示膨化回風(fēng)溫度趨勢，圖9表示加香前溫度趨勢，圖10表示1#水分儀水分趨勢＆壓梗機堵料報警。

圖7 加料流量趨勢

圖8 膨化回風(fēng)溫度趨勢

圖9 加香前溫度趨勢

圖101 #水分儀水分趨勢＆壓梗機堵料報警

由圖7～10可以看出:西門子S7通信技術(shù)應(yīng)用到杭州煙廠梗絲線控制系統(tǒng)技改的效果較好，主主通信的優(yōu)勢使得操作員在總控室內(nèi)就可對梗絲線的整個生產(chǎn)過程進行實時動態(tài)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)臨界情況，操作員可第一時間做出調(diào)整，極大地縮短了故障排查時間，提高了工作效率，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。其中，圖10顯示了壓梗機堵料報警，報警方式簡潔、清晰、醒目。

5 結(jié)束語

針對杭州煙廠梗絲線控制系統(tǒng)的改進需求，本方案在充分利用原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，靈活運用西門子S7通信技術(shù)，解決了原控制系統(tǒng)的不足。通過PROFIBUS－DP總線接口，將新增的1個S7－400PLC與梗絲線原有的多個S7－300PLC連接成主主通信，上位機Win CC取代了落后的模擬屏顯示器。生產(chǎn)實踐證明本方案切實可行。改進后的系統(tǒng)便于操作員集中管理、分散控制整條生產(chǎn)線，控制精度更高，更加穩(wěn)定和安全。本方案同時也為其他企業(yè)技改提供了參考依據(jù)。

［1］劉伯松，劉燁，李炳林，等.基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的雙向S7通信仿真［J］.吉林:長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，33 (3):323－327.

［2］李鵬翔.基于S7－400的PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)及應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2013(2):67－69.

［3］胡陽蘭，劉國宏.PROFIBUS－S7網(wǎng)絡(luò)通訊在五機五流連鑄機自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.重型機械，2010 (5):281－283.

［4］余輝，萬瑋，李培，等.PROFIBUS總線在煙廠控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計算機，2013，26(5):84，87.

［5］汪鈞，沈俊杰，施華.基于WinCC在煙草行業(yè)中的應(yīng)用研究［J］.機械與電子，2006(1):45－47.

［6］金劍，金釗.基于Win CC的煙箱標簽打印系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2010，18(8):1940－1942.

(責任編輯 楊黎麗)

Application of S7 Communication in the Improvement on the Control System of Cigarette Cut Stem Production Line

LI Yu－liang1，LIU Chun－gui2
(1.Zhejiang Zhongyan Industrial Co.，Ltd.Hangzhou Cigarette Factory，Hangzhou 310008，China; 2.College of Electric Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China)

Modern cigarette factory requires its control systems to be able to centralized management，decentralized control production lines.In response to this requirement，the control system of tobacco factory cut stem production line is updated.The improved system uses Siemens S7 communication protocol，PLC of all production processes were connected to the same control system via PROFIBUSDP network，forming master－master communication control system.The operator can view the entire cut stem production through Win CC or any master(Siemens S7－300/400 series PLC).Win CC Critical alarm function can help the operator to make evasive action in advance.The improved system can be operated flexibly，managed easily，and it saves human resources.

S7 communication;master－master communications;PLC;WinCC;master－slave communication

TP23

A

1674－8425(2014)05－0093－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.018

2013－09－18

李鈺靚(1983—)，男，浙江杭州人，碩士，工程師，主要從事工控設(shè)備管理工作;劉春桂(1986—)，男，江蘇海安人，碩士研究生，主要從事先進傳感與檢測技術(shù)研究。

李鈺靚，劉春桂.S7通信在卷煙梗絲線控制系統(tǒng)改進中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014 (5):93－97.

format:LI Yu－liang，LIU Chun－gui.Application of S7 Communication in the Improvement on the Control System of Cigarette Cut Stem Production Line［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):93－97.