基于西門子PLC的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王坤

（ 遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008 ）

0 引言

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的通信能力更強(qiáng)、更自由、速度更快，被廣泛使用的一種自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)提高了企業(yè)管理控制和現(xiàn)場(chǎng)控制的集成度，適應(yīng)一體化系統(tǒng)控制的發(fā)展趨勢(shì)，是信息技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的拓展與延伸[1]。西門子公司在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中主要包括PPI(Point to Point Interface)、MPI(Multi Point Interface)、Profibus-DP(Profibus-DezentralePeripherie)、Profinet幾種常見(jiàn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其中PPI協(xié)議、MPI協(xié)議均為內(nèi)部協(xié)議，不公開，而Profibus和Profinet兩種協(xié)議是目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)按照管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)劃分為三級(jí)網(wǎng)絡(luò)。

管理級(jí)是整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的頂層，由組態(tài)王監(jiān)控軟件和工控機(jī)構(gòu)成。主要負(fù)責(zé)向下對(duì)各設(shè)備下達(dá)工作命令，監(jiān)控整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的運(yùn)行情況、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)質(zhì)量等信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題并報(bào)警顯示。隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，可在管理級(jí)加入物聯(lián)網(wǎng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。

控制級(jí)由s7-1200及現(xiàn)場(chǎng)的昆侖通態(tài)觸摸屏構(gòu)成，其位于整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的中間層，主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制，將采集的數(shù)據(jù)向上傳至組態(tài)王監(jiān)控軟件。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)處于整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的最底層，由ET200、西門子G120變頻器、西門子V90伺服驅(qū)動(dòng)器及各種傳感器元件組成，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。

Profibus和Profinet是目前自動(dòng)控制中常用的兩種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。 其中，Profinet基于工業(yè)以太網(wǎng)，Profibus基于RS485串行總線的協(xié)議，兩者的傳輸介質(zhì)并不相同。兩種方式都有很好的實(shí)時(shí)性，但由于Profinet基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，任何開發(fā)者都可以使用，普及性較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)并行使用。Profibus的一個(gè)接口僅能用作主站或從站，二者區(qū)別如表1所示。

表1 Profibus和Profinet對(duì)比

2 機(jī)構(gòu)與配置

以自動(dòng)配料控制系統(tǒng)為例，組建基于Profinet協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。自動(dòng)上料控制系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)上料控制系統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)

管理級(jí)上位工控機(jī)安裝的組態(tài)王監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，保存生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)生成報(bào)表。控制級(jí)PLC的CPU選用西門子S7-1214C DC/DC/DC，具有14輸入/10輸出信號(hào)，集成了2路模擬量輸入信號(hào)。觸摸屏選用昆侖通態(tài)TCP7062Ti，具有1個(gè)LAN口。分布式I/O選用ET200S，集成PN接口可實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信。變頻器選西門子G120，控制單元為CU240E-2 PN支持Profinet通訊，伺服驅(qū)動(dòng)器選用支持Profinet通信的V90。

管理級(jí)、控制級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)各單元模塊通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)通信，使用網(wǎng)段為192.168.0.XX，各模塊IP地址設(shè)置為0～255，互不重復(fù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

在博圖V15軟件中進(jìn)行硬件組態(tài)，伺服驅(qū)動(dòng)器在SINAMICS V-ASSISTANT中進(jìn)行報(bào)文等參數(shù)設(shè)置，采用PN通信方式進(jìn)行位置控制。變頻器組態(tài)選擇報(bào)文1，16384對(duì)應(yīng)滿頻率，QW258用以變頻器設(shè)定頻率，IW256讀變頻器當(dāng)前頻率。

自動(dòng)配料系統(tǒng)設(shè)定自動(dòng)配料和自動(dòng)排料，對(duì)8個(gè)料倉(cāng)進(jìn)行按順序稱重投料，順序編號(hào)為1～8。

設(shè)置四組秤，順序編號(hào)為1～4，每個(gè)秤稱兩種原料，連接兩個(gè)料倉(cāng)，四個(gè)秤上的第1料倉(cāng)同時(shí)開始稱重，即1、3、5、7號(hào)料倉(cāng)開始下料，達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)打開放料閥門。延時(shí)一定時(shí)間后，四個(gè)秤上的第2料倉(cāng)2、4、6、8號(hào)同時(shí)開始下料，達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)打開放料閥門。

設(shè)置手動(dòng)模式，對(duì)各個(gè)閥門進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)控制，保存各料倉(cāng)的設(shè)定值和實(shí)際值數(shù)據(jù)并生成報(bào)表，出現(xiàn)變頻器故障、壓力失常等現(xiàn)象時(shí)觸發(fā)警告提示。

在組態(tài)王監(jiān)控界面和MCGS觸摸屏上設(shè)置管理和操作級(jí)別限制，防止誤操作修改設(shè)定值及相應(yīng)數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)管理和監(jiān)控。

4 界面設(shè)計(jì)

組態(tài)王監(jiān)控界面由主界面和多個(gè)子界面構(gòu)成，主界面模擬生產(chǎn)線運(yùn)行情況，子界面包含報(bào)表界面，各閥門電動(dòng)界面及報(bào)警界面等。監(jiān)控主界面如圖2所示，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、料倉(cāng)設(shè)定值與下料量以及各種故障報(bào)警信息等。

圖2 監(jiān)控主界面

5 結(jié)語(yǔ)

基于Profinet設(shè)計(jì)的自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，管理級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，控制級(jí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，將設(shè)備的啟動(dòng)、停止、數(shù)據(jù)采集以及工廠實(shí)地工況管理統(tǒng)一聯(lián)系，有效實(shí)現(xiàn)管控一體。