Pro fi bus DP總線和組態(tài)軟件在真空斷路器生產(chǎn)線中的應(yīng)用

龐艷君，原通文，朱光宇，張振超，毛子建

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

高壓真空斷路器是高壓配電系統(tǒng)中常用的電器元件，是利用“真空”滅弧的斷路器。其廣泛應(yīng)用于紡織、電力、機(jī)械、船舶、冶金、建筑等行業(yè)，尤其應(yīng)用于要求額定工作電流下的頻繁操作或者多次開(kāi)斷短路電流的場(chǎng)所。

現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，它是當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)場(chǎng)總線I/O的接線極為簡(jiǎn)單，只需一根電纜，從主機(jī)開(kāi)始，沿?cái)?shù)據(jù)鏈從一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線I/O連接到下一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線I/O。使用現(xiàn)場(chǎng)總線后，自控系統(tǒng)的配線、安裝、調(diào)試和維護(hù)等方面的費(fèi)用可以節(jié)約三分之二左右，現(xiàn)場(chǎng)總線I/O與PLC可以組成廉價(jià)的DCS系統(tǒng)。

本文主要介紹西門(mén)子公司的Pro fi bus-DP總線和杰控軟件技術(shù)在真空斷路器裝配和檢測(cè)生產(chǎn)線的自動(dòng)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，并提供了監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和上位機(jī)監(jiān)控界面的實(shí)現(xiàn)。兩者結(jié)合應(yīng)用有效提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)度、節(jié)約了采購(gòu)成本，并易于維修和后期擴(kuò)展。

1 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 Pro fi bus-DP總線簡(jiǎn)介

PROFBUS是一種國(guó)際性的開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它既可應(yīng)用月高速且對(duì)于時(shí)間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可應(yīng)用于的復(fù)雜通訊場(chǎng)合。PROFBUS-DP是為高速傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)而優(yōu)化的PROFBUS協(xié)議，主要用于中央控制單元與分散的I/O之間的通信，即車(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。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)中壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)線的工藝布局，整套系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)分為管理層和現(xiàn)場(chǎng)控制層，下層的功能獨(dú)立運(yùn)行不依賴(lài)于上層設(shè)備及通訊網(wǎng)絡(luò)。管理層網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)控制層采用Profibus-DP總線，具體實(shí)施上以Profibus-DP總線為主線，由一臺(tái)S7-300PLC作主控制系統(tǒng)，和五個(gè)ET200S站構(gòu)成一個(gè)主從結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中各部分功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1）S7-314-C2DP作為總線主站，以輪詢(xún)方式對(duì)下屬各個(gè)分站（ET200MS）進(jìn)周期性掃描讀寫(xiě)，并通過(guò)Pro fi bus-DP總線將指令傳輸至各個(gè)分站對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)。由此實(shí)現(xiàn)邏輯控制、數(shù)據(jù)處理。

2）分布式I/O

ET200S是高密度配置的模塊化I/O站，保護(hù)等級(jí)為IP20。主要用于S7-300可編程控制器的信號(hào)，功能和通訊模塊擴(kuò)展。本系統(tǒng)中共使用了五個(gè)ET200S分站，完成整個(gè)系統(tǒng)的輸入數(shù)字量數(shù)據(jù)采集、條碼掃描及輸出數(shù)字量的控制等。

3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分為輸入和輸出兩種類(lèi)型，輸入設(shè)備包括位移傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、斷路器專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)接口等；輸出設(shè)備主要是電機(jī)和分布在現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁閥及斷路器專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備等。

4）監(jiān)控上位機(jī)是一個(gè)集成的人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過(guò)它提供的圖形設(shè)計(jì)器、報(bào)警記錄、全局腳本、用戶(hù)管理等功能，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息和操作整合，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、狀態(tài)監(jiān)視等功能。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中需要特別關(guān)注的兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)

1）一般在車(chē)間，常見(jiàn)干擾源有變壓器、繼電器、變頻器、電機(jī)、局放儀器和一次耐壓測(cè)試儀等，這些設(shè)備都可以產(chǎn)生電磁干擾。通常抑制干擾的方法，主要包括屏蔽、隔離、濾波、接地和軟件處理等方法。PROFIBUS總線的數(shù)據(jù)傳輸速度，在9.6kbit/s～12Mbit/s之間可選。在本項(xiàng)目實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)慕档屯ㄐ潘俾剩梢杂行Ы档碗姶鸥蓴_的影響，提高現(xiàn)場(chǎng)總線的穩(wěn)定性。

2）關(guān)于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)少的網(wǎng)絡(luò)采用星型連接可以通訊，但是西門(mén)子不建議這么使用。因此PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)只能串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)和最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)上終端電阻必須設(shè)置為ON；其他節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置為OFF，這校才能保證整個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)正常穩(wěn)定工作。

2.17 我刊已全文入網(wǎng)“清華同方、萬(wàn)方、維普”等數(shù)據(jù)庫(kù)，凡向本刊投稿并錄用的稿件文章，將一律由編輯部統(tǒng)一納入數(shù)據(jù)庫(kù)，凡有異議者，請(qǐng)?jiān)趤?lái)稿中注明。本刊所付稿酬已包含刊物內(nèi)容上網(wǎng)服務(wù)報(bào)酬，不再另付。

2 上位機(jī)監(jiān)控軟件界面開(kāi)發(fā)

根據(jù)中壓開(kāi)關(guān)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)復(fù)雜程度及應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，要求實(shí)時(shí)穩(wěn)定性高，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，界面友好，因此決定采用工業(yè)組態(tài)軟件來(lái)開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 上位機(jī)組態(tài)軟件選擇

目前市面上的組態(tài)軟件，國(guó)外有InTouch、iFix、WinCC、CiTech等，國(guó)內(nèi)有KingVeiw、MCGS、力控、杰控等。綜合考慮各組態(tài)軟件的應(yīng)用范圍和性?xún)r(jià)比，決定采用杰控公司的FameView組態(tài)軟件。

想比較其他組態(tài)軟件，F(xiàn)ameView有如下優(yōu)勢(shì)：整體界面簡(jiǎn)潔、數(shù)據(jù)庫(kù)功能強(qiáng)大、集成通用VBScript腳本，用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單；獨(dú)特的設(shè)備數(shù)據(jù)表，作為通訊系統(tǒng)的緩存，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)批量處理；每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)都是獨(dú)立進(jìn)程，多個(gè)驅(qū)動(dòng)能穩(wěn)定地并行運(yùn)行。需特別指出的是和西門(mén)子PLC進(jìn)行通訊時(shí)，上位機(jī)無(wú)需要安裝Simatic Net軟件。

2.2 上位機(jī)組態(tài)開(kāi)發(fā)

根據(jù)控制系統(tǒng)要求，上位機(jī)監(jiān)控軟件主要包含數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄和歷史報(bào)表等畫(huà)面，主要功能包括：

1）數(shù)據(jù)采集：通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)接口采集檢測(cè)儀器、PLC等系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)管理過(guò)程中的質(zhì)檢數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)控軟件主界面

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)控功能提供圖形化界面，通過(guò)文字和顏色進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示，包括整線流程概況，總線運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，各工位當(dāng)前條碼，以及測(cè)試工位在測(cè)產(chǎn)品的條碼、測(cè)試狀態(tài)及測(cè)試結(jié)果等。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：實(shí)時(shí)存儲(chǔ)產(chǎn)品在各個(gè)關(guān)鍵工位的裝配和測(cè)試數(shù)據(jù)；并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品相關(guān)制造信息的可追溯功能。

4）報(bào)表功能：報(bào)表管理模塊主要根據(jù)用戶(hù)需求從后臺(tái)服務(wù)器提取和整合各類(lèi)數(shù)據(jù)，按照指定格式生成相應(yīng)報(bào)表，同時(shí)能將報(bào)表輸出到Excel表格中，以供用戶(hù)拷貝、分析及處理。

監(jiān)控軟件主界面，如圖2所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

該生產(chǎn)線正式運(yùn)行后，已經(jīng)幫助客戶(hù)贏得了相當(dāng)數(shù)量的訂單，同時(shí)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。相比較于以前的控制方式，總結(jié)優(yōu)點(diǎn)有如下三個(gè)方面：

1）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

由于PROFIBUS采用的是線型拓樸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多主—多從方式的通訊，所以可以實(shí)現(xiàn)不同層網(wǎng)絡(luò)的互連，使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)極大簡(jiǎn)化。若采用以前傳統(tǒng)的PLC加遠(yuǎn)程分線盒連接I/O傳感器和執(zhí)行器方式，通常是將整個(gè)系統(tǒng)分解為數(shù)個(gè)獨(dú)立的專(zhuān)機(jī)系統(tǒng)后，再設(shè)置一個(gè)兩層的通訊網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信息發(fā)送至主控PLC。這種PLC系統(tǒng)，光電纜鋪設(shè)一項(xiàng)就增加相當(dāng)可觀的人工成本，而且還增加了接線不可靠的隱患。根據(jù)測(cè)算僅電纜采購(gòu)一項(xiàng)，采用PROFIBUS總線方式后，至少減少了將近30%的電纜采購(gòu)成本。

2）提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，遠(yuǎn)程I/O的增加和拆除十分方便。

3）分布式控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。