基于組態(tài)王和PLC的PTFE射頻同軸電纜推擠車(chē)間在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉飛飛，華 劍

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

隨著我國(guó)航閥航天，國(guó)防軍事以及通信事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜的傳輸速度和信號(hào)保真度等性能要求越來(lái)越高。傳系的生產(chǎn)工程分為冷藏、計(jì)量、混合、熟化，預(yù)壓和推擠[1]，推擠過(guò)程是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵。目前推擠過(guò)程中出現(xiàn)的線經(jīng)變化大的問(wèn)題，仍然需要手動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度和推擠速度，而調(diào)節(jié)的精度會(huì)直接影響線纜的質(zhì)量和性能，同時(shí)推擠車(chē)間的信息化程度低，生產(chǎn)數(shù)據(jù)過(guò)于分散，不利于管調(diào)人員分析和決策。

針對(duì)企業(yè)目前制在的問(wèn)題，王明松，馬鴻雁[2]提出了一種結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用工控計(jì)算機(jī)和ADAM-5000/CAN智能模塊，組成了CAN總線結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系系，應(yīng)用PLC和組態(tài)王對(duì)整個(gè)過(guò)程實(shí)行了監(jiān)控；張勇、吳愛(ài)國(guó)[3]提出了采用PLC和組態(tài)王開(kāi)發(fā)了抗干擾能力，實(shí)用性強(qiáng)的自動(dòng)控制系系。本文提出了一種采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和組態(tài)王技術(shù)的在線監(jiān)控系系，采用西門(mén)子S7-1200系列PLC作為主控制器，結(jié)合先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)推擠過(guò)程的自動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)組態(tài)王軟件與PLC的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)可視化。目前該套監(jiān)控系系已經(jīng)應(yīng)用在某企業(yè)的推擠車(chē)間，并取得了良好的效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

整個(gè)生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示，聚四氟乙烯樹(shù)脂粉末經(jīng)過(guò)冷藏，與助推劑按照一定的比用混合，期間通過(guò)滾料機(jī)滾料（使兩者混合均勻），熟化室熟化，壓料室預(yù)壓之后，形成了圓柱形的半成品，之后在推擠車(chē)間與舞蹈輪送上來(lái)的導(dǎo)線在PTFE-1500推擠機(jī)中進(jìn)行絕緣推擠，操作人員通過(guò)調(diào)節(jié)推擠速度和牽引速度使線經(jīng)處于正常范圍，之后經(jīng)過(guò)烘干機(jī)烘干，燒結(jié)區(qū)燒結(jié)，冷卻區(qū)冷卻，火花機(jī)檢測(cè)是否制在絕緣開(kāi)裂的現(xiàn)象，就可以送入收卷機(jī)進(jìn)行收卷了。

1.2 聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜生產(chǎn)系統(tǒng)總體介紹

針對(duì)某企業(yè)聚四氟乙烯（PTFE）射頻同軸電纜推擠車(chē)間的實(shí)際情況，現(xiàn)場(chǎng)有8條獨(dú)立的生產(chǎn)線，因此需要8套對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制系系，同時(shí)將8臺(tái)生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控室，他們之間通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線完成通信，整個(gè)系系分為三層：現(xiàn)場(chǎng)控制層，PLC控制層以及上層監(jiān)控層[4,5]。系系結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)各類(lèi)傳感器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳給PLC，PLC通過(guò)RS485上傳給觸摸屏顯示，操作人員根據(jù)觸摸屏的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)推擠機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)8條推擠生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至監(jiān)控室進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)管調(diào)人員對(duì)整個(gè)推擠車(chē)間的管調(diào)和監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

推擠車(chē)間的8條生產(chǎn)線都是一個(gè)獨(dú)立的子系系，每個(gè)子系系采用西門(mén)子S7-1200作為DP從站，在PTFE-1500推擠機(jī)的控制柜里安裝中央處調(diào)器CPU1214C，數(shù)字量輸入輸出模塊SM1223，模擬量輸入模塊SM1231，模擬量輸出模塊SM1234，兩個(gè)通訊模塊CM1241，以及一個(gè)電源模塊PM1207，但整個(gè)系系不具備現(xiàn)場(chǎng)總線端口，因此加了一個(gè)交換機(jī)模塊CSM1277，整條生產(chǎn)線的儀表設(shè)備有溫度傳感器和壓力傳感器，對(duì)模口溫度和料缸溫度進(jìn)行采集，推擠推力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由于儀表設(shè)備輸出的均是模擬量，因此PLC通過(guò)SM1231模塊采集數(shù)據(jù)，SM1234模塊輸出數(shù)據(jù)。還有一些數(shù)字量通過(guò)PLC的I/O連接的繼電器和接觸器去控制接通和斷開(kāi)來(lái)輸出高低電平。S7-1200系列PLC作為控制系系的核心，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的各類(lèi)模擬信號(hào)進(jìn)行采集并輸入到寄制器上，然后將信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處調(diào)，并將輸出信號(hào)去控制被控對(duì)象，同時(shí)將實(shí)時(shí)信息上傳至觸摸屏，并根據(jù)觸摸屏發(fā)送的相關(guān)指令，完成對(duì)推擠生產(chǎn)線的控制。如圖3是系系的硬件原調(diào)圖。

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖

在圖3所示的系系硬件原調(diào)圖中，中央監(jiān)控室使用的是裝有組態(tài)王7.5軟件的工控機(jī)，與Profibus總線相連，作為DP主站[6]。工控機(jī)可以通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線將8條生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)采集起來(lái)并通過(guò)大屏幕進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，其中主要顯示各條生產(chǎn)線的線經(jīng)大小，推擠推力大小以及設(shè)備此刻的運(yùn)行層態(tài)，當(dāng)線經(jīng)超出范圍會(huì)報(bào)警，同時(shí)將PLC上傳的數(shù)據(jù)信息制作成歷史數(shù)據(jù)制入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便工作人員日后查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推擠車(chē)間每條生產(chǎn)線的集中監(jiān)控和管調(diào)[7～9]。

觸摸屏系系選用普洛菲斯（Proface）觸摸屏與PLC進(jìn)行通信，它可以通過(guò)GP-Pro EX4.0軟件進(jìn)行畫(huà)面的編輯，根據(jù)實(shí)際要求修改畫(huà)面。觸摸屏與PLC的通信通過(guò)COM口，觸摸屏主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上數(shù)據(jù)的采集和顯示，生產(chǎn)過(guò)程的控制以及參數(shù)的設(shè)置，顯示推擠機(jī)的工作層態(tài)，實(shí)現(xiàn)推擠過(guò)程的手/自動(dòng)切換，以及向PLC發(fā)送控制指令等功能。在8條推擠生產(chǎn)線上都配備了一臺(tái)觸摸屏，主要用于實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)，便于人工操作，保證了生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，使產(chǎn)量得到保證，節(jié)約了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，真正滿義上做到了分散控制，集中管調(diào)和監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系系的軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制系系軟件設(shè)計(jì)，觸摸屏人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)以及組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。以下將分別對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行描述。

3.1 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC控制系系采用博圖V13軟件進(jìn)行編程，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的控制采用PID控制方法。PID控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，減小系系超調(diào)量，加快系系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以及改善系系的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)調(diào)節(jié)PID的三個(gè)參數(shù)，使得牽引速度可以跟隨線經(jīng)的波動(dòng)大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。程程部分包括主程程，中斷程程，模數(shù)轉(zhuǎn)換程程，報(bào)警程程等。整個(gè)生產(chǎn)流程采用順程控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。主程程根據(jù)推擠的生產(chǎn)工藝流程來(lái)控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作；模數(shù)轉(zhuǎn)換程程主要把推擠過(guò)程中的壓力和溫度等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供PLC進(jìn)行處調(diào)，從而完成對(duì)壓力和溫度的控制；報(bào)警程程主要是針對(duì)推擠過(guò)程中的線經(jīng)波動(dòng)范圍大，線經(jīng)超出給定范圍時(shí)會(huì)報(bào)警。

3.2 觸摸屏人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系系采用普洛菲斯（Proface）觸摸屏，軟件設(shè)計(jì)部分包含兩部分：界面設(shè)置和變量設(shè)置。界面設(shè)置根據(jù)推擠車(chē)間生產(chǎn)線的實(shí)際生產(chǎn)層況進(jìn)行不同的操作，并進(jìn)行畫(huà)面顯示，包括了指示燈組態(tài)，控制按鈕組態(tài)，輸入/輸出區(qū)域組態(tài)及顯示文本信息等部分。變量設(shè)置就是將觸摸屏的變量和PLC的變量關(guān)聯(lián)起來(lái)并建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏可以響應(yīng)PLC的輸出信息，同時(shí)可以向PLC進(jìn)行參數(shù)的輸入。觸摸屏與PLC之間的通訊選用RS485通訊。

觸摸屏的主界面如圖4所示。主要由用用登錄界面，推擠生產(chǎn)界面，填充坯料界面，生產(chǎn)設(shè)置界面，參數(shù)設(shè)置界面，歷史曲線界面，報(bào)警事件界面組成。在主界面有按鍵選擇可以進(jìn)入到任何一個(gè)界面并且具有返回鍵。開(kāi)機(jī)主界面有牽引手動(dòng)，自動(dòng)切換按鈕，生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，壓力顯示，當(dāng)前時(shí)間顯示模塊；填充坯料界面有控制推擠機(jī)和各部分動(dòng)作的按鈕，壓力和線經(jīng)的實(shí)時(shí)曲線等；生產(chǎn)設(shè)置界面是對(duì)目標(biāo)線經(jīng)做標(biāo)準(zhǔn)化初始值，并有報(bào)警開(kāi)關(guān)和報(bào)警燈閃爍，當(dāng)線經(jīng)超出范圍，蜂鳴器就會(huì)響，就會(huì)報(bào)警；參數(shù)設(shè)置界面可以對(duì)數(shù)值設(shè)置間接修改PLC內(nèi)部寄制器的值，從而控制推擠機(jī)生產(chǎn)的正常運(yùn)行條件。

該系系的觸摸屏監(jiān)控界面主要增加了計(jì)米顯示功能和用用登錄功能。計(jì)米顯示功能可以將生產(chǎn)過(guò)程中的電纜線長(zhǎng)度實(shí)時(shí)反饋給操作人員，提高了效率；用用登錄界面使得每一位操作人員正常工作前都必須登錄自己的工號(hào)，信息會(huì)上傳至監(jiān)控界面，便于管調(diào)人員更好的了解車(chē)間的工作情況。

圖4 觸摸屏監(jiān)控主界面

3.3 組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

系系的上位機(jī)監(jiān)控采用組態(tài)王7.5實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，將8條生產(chǎn)線進(jìn)行集中管調(diào)，對(duì)8臺(tái)推擠機(jī)的工作層態(tài)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示，監(jiān)控界面包含了初始界面，生產(chǎn)記錄顯示界面，生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控界面，線經(jīng)實(shí)時(shí)曲線顯示界面，生產(chǎn)記錄界面等。

初始界面主要顯示8臺(tái)推擠機(jī)的運(yùn)行層態(tài)，以及8條生產(chǎn)線的工作情況，包括線經(jīng)大小，推擠推力大小，牽引速度大小和推擠速度大小。生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控界面主要顯示每一條生產(chǎn)線的運(yùn)行層態(tài)，待機(jī)層態(tài)以及維修層態(tài)。線經(jīng)實(shí)時(shí)曲線顯示界面主要用于顯示?？诰€經(jīng)和收卷線經(jīng)的變化情況，在界面顯示了的數(shù)據(jù)，都會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接函數(shù)自動(dòng)保制到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并制成相應(yīng)的表格，供用用查詢(xún)這些數(shù)據(jù)。

PLC與組態(tài)王通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。Profibus是一種用于工廠自動(dòng)化車(chē)間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車(chē)間級(jí)的監(jiān)控，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案[10,11]。該系系通過(guò)西門(mén)子CSM1277模塊將生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至組態(tài)王監(jiān)控界面上，因?yàn)橐@示8條生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此需要更多接口的交換機(jī)將八條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)通過(guò)Profibus上傳至上位機(jī)中，通訊成功后系系的監(jiān)控界面就可以將8條生產(chǎn)線的生產(chǎn)層況實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。如圖5是組態(tài)王監(jiān)控主界面。

圖5 組態(tài)王監(jiān)控主界面

該界面增加了計(jì)米顯示功能，用用登錄功能和月報(bào)表功能。計(jì)米顯示功能將8條推擠生產(chǎn)線的電纜線實(shí)時(shí)長(zhǎng)度進(jìn)行顯示，便于管調(diào)者監(jiān)測(cè)；用用登錄功能方便了不同檢限的管調(diào)員查看不同的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，月報(bào)表功能可以查看本月的任務(wù)清單以及當(dāng)前完成了多少任務(wù)，從而方便了管調(diào)人員制定相應(yīng)的策略。同時(shí)該系系還增加了移動(dòng)客用端功能，便于管調(diào)者實(shí)時(shí)查看車(chē)間的運(yùn)行情況。

綜上分析，該監(jiān)控系系的觸摸屏監(jiān)控主界面，上位機(jī)監(jiān)控界面和之前的系系相比，有以下的優(yōu)勢(shì)：1）增加了計(jì)米顯示功能，便于操作人員及時(shí)掌握當(dāng)前推擠機(jī)的層態(tài)。2）增加了操作人員登錄界面，便于管調(diào)者查看當(dāng)前車(chē)間的工作情況。3）增加了月報(bào)表功能，便于管調(diào)者根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)情況及時(shí)決策。

4 結(jié)束語(yǔ)

PTFE射頻同軸電纜推擠車(chē)間在線監(jiān)控系系，可以實(shí)時(shí)采集，顯示八條生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工作層態(tài)，并可以根據(jù)采集上來(lái)的線經(jīng)大小對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)控制。友好的觸摸屏人機(jī)交互界面，使操作人員可以清楚的了解生產(chǎn)線的工作情況，根據(jù)報(bào)警信息可以及時(shí)的接觸報(bào)警故障，人性化的組態(tài)界面，可以供管調(diào)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控八條生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況，每日產(chǎn)量多少等綜合信息。該系系以西門(mén)子S7-1200PLC作為控制核心，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行通訊，將八條生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中到監(jiān)控室中，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)開(kāi)發(fā)了移動(dòng)客用端監(jiān)控功能，便于生產(chǎn)管調(diào)者實(shí)時(shí)查看[12,13]。目前該系系在某電纜企業(yè)投入使用，且工作良好穩(wěn)定，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期效果，提升了企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

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