基于OPC技術(shù)的軋管設(shè)備工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通訊改造

陳維琨，吳鳳英

（1.中環(huán)天儀股份有限公司，天津300384；2.天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津300384）

1 引言

目前的鋼管生產(chǎn)廠對(duì)無(wú)縫鋼管的質(zhì)量要求越來(lái)越高，要求采用適當(dāng)?shù)墓に囘^(guò)程控制來(lái)滿足應(yīng)用，HCCS系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱HCCS），是利用伺服閥控制連軋機(jī)的軋輥液壓缸位置來(lái)控制軋機(jī)的輥縫和壓力，進(jìn)而在線控制鋼管的壁厚。某無(wú)縫軋管機(jī)組HCCS 需要和PQF（三輥可調(diào)式連軋管機(jī)組）PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，HCCS和PQF PLC之間采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通訊，正常生產(chǎn)過(guò)程中，工藝人員通過(guò)HMI 對(duì)輥縫進(jìn)行調(diào)整軋出特定的壁厚和長(zhǎng)度。設(shè)定值通過(guò)TCP/IP 和ProfibusDP 網(wǎng)傳輸?shù)紿CCS 系統(tǒng)，HCCS 系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整后再反饋到HMI 完成調(diào)整。工藝操作畫(huà)面（HMI）會(huì)顯示HCCS的軋制力、伺服缸的位置、輥縫等信息方便工藝調(diào)整。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較多，電磁環(huán)境惡劣，如果要保證整個(gè)通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要保證底層的通訊網(wǎng)絡(luò)非常穩(wěn)定和成熟。目前HCCS和PQF PLC之間收發(fā)數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，這對(duì)正常的生產(chǎn)造成了較大的影響。

經(jīng)過(guò)對(duì)HCCS 和PQF PLC 之間數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)PQF PLC側(cè)的數(shù)據(jù)包地址經(jīng)常顯示為無(wú)效，造成數(shù)據(jù)包地址無(wú)效的原因是由于傳輸?shù)膱?bào)文的大小發(fā)生了錯(cuò)誤（原數(shù)據(jù)包被含信息量更大的數(shù)據(jù)包所替代）。造成這種錯(cuò)誤的情況較多，主要有：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載或網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包沖突；網(wǎng)卡的問(wèn)題；軟件版本問(wèn)題以及網(wǎng)卡緩存飽和等。目前有兩種方案可以對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行解決：一是，從PLC 內(nèi)部對(duì)整個(gè)邏輯語(yǔ)言進(jìn)行修改；二是，選用ANSALDO 公司的STS 軟件，在HCCS 和PQF中間建立服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，通過(guò)OPC 技術(shù)進(jìn)行通訊改造。

經(jīng)過(guò)分析，方案1在現(xiàn)有條件下難以實(shí)現(xiàn)，容易造成兼容性和穩(wěn)定性方面的問(wèn)題。方案2選用安裝STS 軟件的服務(wù)器作為中間網(wǎng)關(guān)，通過(guò)STS通訊軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文信息的重新建立；分拆報(bào)文從中選出包含正確接收緩存信息的報(bào)文數(shù)據(jù)；拋棄無(wú)法建立正確報(bào)文數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤報(bào)文。通過(guò)解決錯(cuò)誤報(bào)文的問(wèn)題從而解決HCCS 和PQF PLC 通訊過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的緩存錯(cuò)誤問(wèn)題。因此通過(guò)對(duì)比分析，考慮穩(wěn)定和可靠性原則，確定采用方案2進(jìn)行通訊改造。

2 OPC技術(shù)

OPC 是用于工業(yè)控制領(lǐng)域的OLE（object linking and embedding）。按照OPC 基金會(huì)的定義，OPC 是一套技術(shù)規(guī)范和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為基于Windows 操作平臺(tái)的工業(yè)應(yīng)用程序提供高效的信息集成和交互功能的組件對(duì)象模型接口標(biāo)準(zhǔn)，以微軟的分布式組件對(duì)象模型COM/DCOM/COM+技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器模式，提供自動(dòng)化控制、設(shè)備管理和設(shè)備之間的軟件應(yīng)用互操作性和設(shè)備的互換性。OPC 的作用是為服務(wù)器和客戶的鏈接提供統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范。OPC 的服務(wù)器是數(shù)據(jù)的供應(yīng)方，負(fù)責(zé)為OPC 客戶提供數(shù)據(jù);OPC 客戶是數(shù)據(jù)的使用方，處理OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)［1-2］。

3 通訊的實(shí)現(xiàn)

3.1 軟、硬件配置

軟件配置為：SIMATIC Step 7 V5.4，SIMATIC NET PC SOFTWARE V6.2 SP1，STS SOFTWARE 其中SIMATIC Step 7 V5.4 和SIMATIC NET PC SOFTWARE V6.2 SP1 用于對(duì)西門(mén)子PLC 進(jìn)行編程并組態(tài)OPC Server 創(chuàng)建OPC tag文件格式，添加數(shù)據(jù)塊中的報(bào)文數(shù)據(jù)。STS SOFTWARE 中可以通過(guò)配置MemSTS，配置交換數(shù)據(jù)的報(bào)文報(bào)頭、通訊地址，及其每個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容。并且每個(gè)數(shù)據(jù)包都有自己固定的區(qū)域，字長(zhǎng)必須和報(bào)文的長(zhǎng)度匹配。

硬件配置為：SIEMENS 工控機(jī)，SIEMENS PLC 400（CPU416 3DP），以太網(wǎng)通訊模塊，數(shù)字量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，存儲(chǔ)卡，編程線纜，自適應(yīng)以太網(wǎng)卡，網(wǎng)線等。

我們可以先在西門(mén)子工控機(jī)上建立OPC 服務(wù)器，通過(guò)以太網(wǎng)，OPC 服務(wù)器中的數(shù)據(jù)就可以與西門(mén)子PLC中的數(shù)據(jù)建立起互為映像的關(guān)系。

圖1所示系統(tǒng)改造前HCCS和PQF PLC之間的通訊，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到工業(yè)交換機(jī)采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通訊。改造后，在PQF PLC 和HCCS 中間增加OPC STS 服務(wù)器，OPC STS 服務(wù)器作為工業(yè)網(wǎng)關(guān)，PQF PLC 和HCCS 進(jìn)行通訊時(shí)必須先經(jīng)過(guò)OPC STS 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)。PQF PLC 和STS 服務(wù)器之間采用OPC 技術(shù)進(jìn)行通訊，STS 服務(wù)器向HCCS 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)則仍采用TCP/IP協(xié)議。

圖1 HCCS和PQF PLC通訊改造簡(jiǎn)圖Fig.1 HCCS and PQF PLC communication transformation diagram

3.2 配置PQF PLC 上OPC SERVER服務(wù)

這里要建立的OPC Server 與PLC 的連接是以SIMATIC NET為基礎(chǔ)的。SIMATIC NET是西門(mén)子在工業(yè)控制層面上提供的一個(gè)開(kāi)放的，多元的通訊系統(tǒng)。首先，新建NetPro工程。第2步，配置PLC IP地址。第3步，組態(tài)OPC服務(wù)進(jìn)入Station Configurator，第1個(gè)插槽添加OPC Server，第2 個(gè)添加IE General；在STEP7 中組態(tài)OPC 服務(wù)器插入SIMATIC PC STATION，改名字與Station Configurator 中一致。第4 步，組態(tài)網(wǎng)卡此處IP為OPC 服務(wù)器IP 地址。第5步，建立連接，進(jìn)入NetPor，若前面設(shè)置的以太網(wǎng)名字不同則會(huì)出現(xiàn)2 條Industrial Ethernet，導(dǎo)致編譯不通。在OPC Server 處建立連接。第6步，進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)入Scout，點(diǎn)擊Local Server（s）中的OPC.SimaticNet，若能進(jìn)入DB塊，則說(shuō)明通訊正常［3-4］。

3.3 配置服務(wù)器端STS

首先安裝STS 服務(wù)軟件，安裝后進(jìn)入STSConsole，新建項(xiàng)目并在配置屬性中添加BAS目標(biāo)工作站以及添加IP 地址等和PQF PLC 端建立通訊。通訊建立后對(duì)PQF PLC進(jìn)行連接測(cè)試，主要步驟為：第1步，開(kāi)始菜單中運(yùn)行窗口里執(zhí)行cmd 命令，在彈出的DOS 窗口中輸入ping 192.168.5.30；第2 步，雙擊打開(kāi)桌面上的start sts快捷方式，然后雙擊桌面上的STSConsole；第3步，進(jìn)入到STSConsole 界面里點(diǎn)擊open project并打開(kāi)相應(yīng)的項(xiàng)目點(diǎn)擊下拉菜單選擇STS-GATEWAY 再點(diǎn)擊旁邊的連接圖標(biāo)（軟件啟動(dòng)完畢）查看狀態(tài)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

STS 服務(wù)器與PQF PLC 之間采用OPC 技術(shù)進(jìn)行通訊，而與HCCS之間則采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

STS服務(wù)器內(nèi)的軟件對(duì)于發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)報(bào)文實(shí)行一種觸發(fā)機(jī)制，這種機(jī)制允許STS服務(wù)器可以發(fā)送外部的數(shù)據(jù)并且能檢測(cè)到即將接收到的數(shù)據(jù)。PQL PLC 向STS 服務(wù)器發(fā)送的所有數(shù)據(jù)報(bào)文定義成字節(jié)隊(duì)列進(jìn)行發(fā)送。這種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換方式來(lái)自于PLC內(nèi)部智能模塊部分，下面將對(duì)TCP/IP 協(xié)議的工作原理以及HCCS 和PQF PLC 間通過(guò)STS 服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換進(jìn)行一下描述。

4.1 TCP/IP協(xié)議工作原理

TCP/IP 協(xié)議采用7 層模型，它的工作原理主要為以下8個(gè)步驟：

1）在源主機(jī)上，應(yīng)用層將一串應(yīng)用數(shù)據(jù)流傳送給傳輸層；

2）傳輸層將應(yīng)用層的數(shù)據(jù)流截成分組，并加上TCP報(bào)頭形成TCP段，送交網(wǎng)絡(luò)層；

3）在網(wǎng)絡(luò)層給TCP段加上包括源、目的主機(jī)IP地址的IP報(bào)頭，生成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包，并將IP數(shù)據(jù)包送交鏈路層；

4）鏈路層在其MAC幀的數(shù)據(jù)部分裝上IP數(shù)據(jù)包，再加上源、目的主機(jī)的MAC 地址和幀頭，并根據(jù)其目的MAC地址，將MAC幀發(fā)往目的主機(jī)或IP路由器；

5）在目的主機(jī)，鏈路層將MAC 幀的幀頭去掉，并將IP數(shù)據(jù)包送交網(wǎng)絡(luò)層；

6）網(wǎng)絡(luò)層檢查IP報(bào)頭，如果報(bào)頭中校驗(yàn)和與計(jì)算結(jié)果不一致，則丟棄該IP 數(shù)據(jù)包；若校驗(yàn)和與計(jì)算結(jié)果一致，則去掉IP 報(bào)頭，將TCP 段送交傳輸層；

7）傳輸層檢查順序號(hào)，判斷是否是正確的TCP 分組，然后檢查T(mén)CP 報(bào)頭數(shù)據(jù)。若正確，則向源主機(jī)發(fā)確認(rèn)信息；若不正確或丟包，則向源主機(jī)要求重發(fā)信息；

8）在目的主機(jī)，傳輸層去掉TCP 報(bào)頭，將排好順序的分組組成應(yīng)用數(shù)據(jù)流送給應(yīng)用程序。這樣目的主機(jī)接收到的來(lái)自源主機(jī)的字節(jié)流，就像是直接接收來(lái)自源主機(jī)的字節(jié)流一樣［5］。

4.2 PQF PLC 向HCCS發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)

如圖2 所示，當(dāng)PLC 準(zhǔn)備好來(lái)自內(nèi)部DB（數(shù)據(jù)塊）的緩存數(shù)據(jù)（字節(jié)隊(duì)列）后，PQF PLC 向STS 服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)the_SendReq 設(shè)為“1”，STS服務(wù)器的觸發(fā)器觸發(fā)并啟動(dòng)匹配的腳本信息（HCCS_OUT.CS）并復(fù)制從PQF PLC接收到的緩存數(shù)據(jù)，將復(fù)制后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在STS服務(wù)器內(nèi)的BAS（基礎(chǔ)自動(dòng)化）輸入輸出區(qū)，下一步STS服務(wù)器向PQF PLC回復(fù)已收到緩存數(shù)據(jù)the_SendReq設(shè)為“0”。STS服務(wù)器內(nèi)部將已準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)the_DataRdy 設(shè)為“1”并將復(fù)制好的PLC緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列和封裝，將正確的數(shù)據(jù)報(bào)頭信息（正確的HCCS地址）添加到數(shù)據(jù)報(bào)里轉(zhuǎn)發(fā)給HCCS。最后STS服務(wù)器內(nèi)部的觸發(fā)器進(jìn)行重新的復(fù)位操作。

圖2 PQF PLC 向HCCS發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)Fig.2 PQF PLC send data to the HCCS

4.3 HCCS向PQF PLC發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)

如圖3 所示，STS 服務(wù)器和HCCS 之間仍然采用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行通訊。當(dāng)HCCS 向STS 服務(wù)器通過(guò)TCP/IP 通道發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)報(bào)后，STS 中的觸發(fā)器自動(dòng)將該數(shù)據(jù)the_DataRdy 設(shè)置為“1”（該觸發(fā)執(zhí)行時(shí)間為500 ms）。STS 觸發(fā)器運(yùn)行匹配的腳本信息（HCCSinput.cs）并復(fù)制來(lái)自TCP 通道的緩存數(shù)據(jù)將其存儲(chǔ)在STS 服務(wù)器內(nèi)部的HCCS 輸入輸出區(qū)，將the_DataRdy 設(shè)置為“0”重建報(bào)文信息并自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)（通過(guò)OPC客戶端）給PQF PLC 中匹配的DB（數(shù)據(jù)塊），然后向PQF PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)the_Recvd 觸發(fā)為“1”。最后來(lái)自PQF PLC 邏輯內(nèi)部的觸發(fā)器重新復(fù)位，并將數(shù)據(jù)the_Recvd觸發(fā)為“0”。

圖3 HCCS向PQF PLC發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)Fig.3 HCCS send data to the PQF PLC

STS 內(nèi)部的輸入輸出區(qū)如圖4 所示，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在相應(yīng)的內(nèi)部區(qū)域，在HCCS 輸入輸出區(qū)內(nèi)包含著B(niǎo)AS_HCCS_WD以及BAS_HCCS_RRPD等字節(jié)信息，而B(niǎo)AS輸入輸出區(qū)內(nèi)則包含著相對(duì)應(yīng)的T26281以及T26282等代碼。

圖4 STS內(nèi)部的輸入輸出區(qū)Fig.4 STS inner I/O area

5 實(shí)際應(yīng)用情況

本系統(tǒng)通過(guò)OPC 技術(shù)采用STS 監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示通訊數(shù)據(jù)，并且通過(guò)STS軟件的觸發(fā)機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行處理分析，存入相對(duì)應(yīng)的輸入輸出區(qū)域內(nèi)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的重組轉(zhuǎn)發(fā)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了軋管生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)HCCS 和PQF PLC 通訊過(guò)程中數(shù)據(jù)的檢測(cè)、監(jiān)控、重組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控HCCS 和PQF PLC 之間數(shù)據(jù)通訊的連接狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)的完整性；

2）STS軟件實(shí)時(shí)將連接的日志文件存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于有效掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；

3）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、便于維護(hù)，通過(guò)對(duì)通訊數(shù)據(jù)的監(jiān)控可以避免停機(jī)故障和重大質(zhì)量事故的發(fā)生。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)OPC 技術(shù)以及STS 服務(wù)器軟件在HCCS和PQF PLC雙方建立網(wǎng)絡(luò)連接后，在滿足通訊協(xié)議的基準(zhǔn)下，通過(guò)監(jiān)控軟件能直觀地監(jiān)控通訊的數(shù)據(jù)，將雙方通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的內(nèi)容直觀地體現(xiàn)出來(lái)，能較迅速地發(fā)現(xiàn)、解決通訊問(wèn)題。OPC技術(shù)提高了數(shù)據(jù)交換過(guò)程中的穩(wěn)定性，STS軟件特有的對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)的檢測(cè)、監(jiān)控、重組轉(zhuǎn)發(fā)等功能則提高了雙方通訊的穩(wěn)定性和可靠性，該系統(tǒng)的成功實(shí)施為其他冶金行業(yè)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)改造提供了較高的參考價(jià)值。

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