基于PLC的母粒生產(chǎn)廠設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造

湯晨宇

(江蘇帕特納實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司 南通分公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

由于近年來科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的更迭周期大大縮短，一些數(shù)年前的設(shè)備已無法滿足當(dāng)今智能制造大環(huán)境的要求，因此，本項(xiàng)目為了使某母粒生產(chǎn)廠老舊設(shè)備能夠與其公司的制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)連接，對(duì)其公司內(nèi)的五十余臺(tái)各類設(shè)備進(jìn)行了相關(guān)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改造，使這些設(shè)備能夠自動(dòng)采集各項(xiàng)所需要的數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)儲(chǔ)存到專用的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)MES系統(tǒng)通過OPC UA與組態(tài)軟件和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

1 母粒生產(chǎn)廠設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造的總體設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)客戶的需求和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際情況，考慮對(duì)相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了一些改造設(shè)計(jì)，以達(dá)到數(shù)據(jù)采集的條件。

其次，對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。由于需從智能電表、變頻器、溫控器、接觸器、熱電偶等各種電氣設(shè)備、元件上采集多種數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到成本等因素，最終選擇了可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作為設(shè)備端的數(shù)據(jù)收集元件。

接著，對(duì)組態(tài)軟件與設(shè)備端通訊進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。由于該項(xiàng)目是在一個(gè)廠區(qū)內(nèi)，占地面積并不算大，因此，綜合考慮通訊速度、穩(wěn)定性、可靠性、容量以及相關(guān)成本等因素，最終決定采用工業(yè)以太網(wǎng)來貫通全場(chǎng)。

最后，是對(duì)系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)收集的方案設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的信息處理和傳輸?shù)挠?jì)算，且考慮到系統(tǒng)的預(yù)算、技術(shù)、性價(jià)比等方面的因素，最終選擇了組態(tài)軟件作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集中心。

在PLC與其下位機(jī)的通訊選擇上，由于所需要采集的設(shè)備和元件種類繁多，因此為了能夠最大限度地直接采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)研和分析，最終確定采用RS-485通訊。對(duì)于PLC與其上位機(jī)組態(tài)軟件的通訊方式，經(jīng)考量后決定采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中較常用的Modbus TCP通訊協(xié)議。該通訊協(xié)議具有兼容性高、共享能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸距離長(zhǎng)、成本低、易組網(wǎng)和接口應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

2 母粒生產(chǎn)廠設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改造的硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件選型

2.1.1 PLC及擴(kuò)展模塊選型

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)PLC的要求，特別是對(duì)通訊方面的要求，經(jīng)過多方對(duì)比，最終選擇了臺(tái)達(dá)DVP-SE系列DVP12SE11R繼電器型PLC。

對(duì)于單臺(tái)擠出機(jī)十多路的溫度數(shù)據(jù)采集需求，為了減少安裝周期，降低相應(yīng)的成本，最終決定在原有的溫控器基礎(chǔ)上將其熱電偶并聯(lián)起來，并選用了與DVP-12SE適配的溫度測(cè)量模塊DVP04TC-S。

2.1.2 智能電表選型

由于大多數(shù)設(shè)備均需采集能耗及主機(jī)電流，而現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均沒有相關(guān)數(shù)據(jù)采集的儀器儀表，因此需添加相應(yīng)的智能電表來采集相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過對(duì)比，最終選擇了臺(tái)達(dá)DPM-D系列DPM-D520I型智能電表。同時(shí)為方便施工，選擇了與DPM-D系列配套的DCT-S211C型開口電流互感器。

2.1.3 溫控器選型

對(duì)于結(jié)晶機(jī)和烘箱上的幾臺(tái)溫控儀表，由于其無法滿足通訊和數(shù)據(jù)傳輸要求，因此決定將其替換。經(jīng)過多方對(duì)比，決定采用臺(tái)達(dá)同等規(guī)格尺寸的DT3系列DT320RA-0200、DT340RA-0200、DT360RA-0200型溫度控制器。

2.1.4 其他元件選型

除以上幾種硬件外，本系統(tǒng)還采用了工業(yè)交換機(jī)、工業(yè)無線AP、工業(yè)計(jì)算機(jī)、開關(guān)電源等硬件。

工業(yè)交換機(jī)選用臺(tái)達(dá)DVS系列工業(yè)級(jí)非網(wǎng)管型以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)；工業(yè)無線AP采用臺(tái)達(dá)DVW-W02W2型工業(yè)級(jí)無線AP；工業(yè)計(jì)算機(jī)選擇了臺(tái)達(dá)IPC系列DIAVH-IPC005型工業(yè)計(jì)算機(jī)；開關(guān)電源選擇臺(tái)達(dá)DVP系列與PLC搭配的DVP-PS系列電源模組。

2.2 電氣控制柜設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制柜共分為兩種，一種是數(shù)據(jù)采集柜，另一種是交換機(jī)柜，所有箱體規(guī)格統(tǒng)一為長(zhǎng)600 mm、寬350 mm、深200 mm。

采集柜的命名采用車間名加序號(hào)的方式，如A1，A2，…；B1，B2，…；后1，后2，…。每臺(tái)采集柜內(nèi)的基本硬件配置一致，后期再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行更改，如擠出機(jī)的采集柜增加了3個(gè)臺(tái)達(dá)DVP-04TC-S型溫度測(cè)量模塊等。

交換機(jī)柜共有3臺(tái)，A車間、B車間、后整理車間各一臺(tái)。交換機(jī)柜負(fù)責(zé)匯集整個(gè)車間的工業(yè)以太網(wǎng)并匯集到B車間，最后接入服務(wù)器。

3 系統(tǒng)的程序及軟硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序的設(shè)計(jì)

臺(tái)達(dá)DVP系列PLC的編程軟件選用了WPLSoft軟件，可以進(jìn)行梯形圖編程、SFC編程和指令編程。本設(shè)計(jì)采用了梯形圖編程。

3.1.1 PLC通訊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)的最主要部分是RS-485通訊程序的編寫。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量較多，且各設(shè)備工況、狀態(tài)等參差不齊，導(dǎo)致各臺(tái)PLC程序的規(guī)整度也不相同，因此本文以較為規(guī)整的B5控制柜PLC程序設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

(1)對(duì)PLC的D1120特殊數(shù)據(jù)寄存器COM2 (RS-485)通訊格式進(jìn)行設(shè)定，將通訊格式9600,8，N，1轉(zhuǎn)換為H81寫入特D1120；設(shè)置通訊逾時(shí)時(shí)間為200 ms，寫入特D1129中；設(shè)置通訊模式特M1143特殊輔助繼電器COM2(RS-485)的ASCII/RTU 模式為RTU模式(Off 時(shí)為ASCII 模式，On 時(shí)為RTU 模式)；置位特M1120使COM2(RS-485)通訊格式保持，設(shè)置后變更D1120無效。通訊格式設(shè)置程序如圖2所示。

圖2 通訊格式設(shè)置程序

(2)當(dāng)通訊格式設(shè)置完成之后就進(jìn)入通訊輪訓(xùn)程序，通過對(duì)特M1127：COM2(RS-485)通訊指令數(shù)據(jù)傳送接收完畢、特M1129：COM2(RS-485)接收逾時(shí)、特M1140：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤、特M1141：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW指令參數(shù)錯(cuò)誤等特殊輔助繼電器的上升沿來觸發(fā)通訊輪訓(xùn)切換的同時(shí)復(fù)位相關(guān)的特殊輔助繼電器。每一次的通訊輪訓(xùn)切換都會(huì)使通訊輪訓(xùn)切換計(jì)數(shù)器C0加1，每次的C0改變都會(huì)觸發(fā)一步通訊，使得每一步的通訊依次有序地進(jìn)行，直至所有通訊完成后C0清零，進(jìn)行循環(huán)。

(3)通訊讀取選擇MODRW：MODBUS讀寫數(shù)據(jù)指令，其功能碼設(shè)定為H3。讀取多筆字符(Word)裝置，其回傳的數(shù)據(jù)會(huì)被儲(chǔ)存在S操作數(shù)開始連續(xù)的寄存器中，并且自動(dòng)將轉(zhuǎn)換后的16進(jìn)位數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在D1296～D1311。該RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)中智能電表D520I站號(hào)為1，擠出變頻器站號(hào)為2，攪拌變頻器站號(hào)為3。通訊讀取程序如圖3所示。

圖3 通訊讀取程序

3.1.2 PLC與溫度測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)讀寫程序設(shè)計(jì)

在擠出機(jī)的數(shù)據(jù)采集中還需要PLC從其擴(kuò)展的溫度測(cè)量模塊中讀取出溫度數(shù)據(jù)，因此就需要編寫相應(yīng)的程序來讀取數(shù)據(jù)。在臺(tái)達(dá)DVP系列PLC的編程中采用“FROM/TO”指令來“讀取/寫入”相應(yīng)擴(kuò)展模塊控制寄存器(CR)中的數(shù)據(jù)。首先通過“TO”指令將相應(yīng)的值寫入#1CR寄存器中用來設(shè)定溫度測(cè)量模塊各通道采集的熱電偶型式，之后通過“FROM”指令來讀取溫度測(cè)量模塊上各通道的測(cè)量攝氏溫度平均值及擴(kuò)展模塊錯(cuò)誤狀態(tài)。溫度測(cè)量模塊數(shù)據(jù)讀寫程序如圖4所示。

圖4 溫度測(cè)量模塊數(shù)據(jù)讀寫程序

3.1.3 PLC采集數(shù)據(jù)的初步運(yùn)算程序設(shè)計(jì)

為了使不同設(shè)備的同類數(shù)據(jù)采用同一格式、標(biāo)準(zhǔn)、單位等，同時(shí)為了降低系統(tǒng)端的運(yùn)算負(fù)荷，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?，決定在PLC端進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的初步運(yùn)算，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為同一格式、標(biāo)準(zhǔn)、單位后再進(jìn)行傳輸。

一般來說PLC寄存器很難直接儲(chǔ)存有小數(shù)位的數(shù)據(jù)，如變頻器頻率“50.00 Hz”,PLC讀取出來的數(shù)據(jù)則為“5 000”;溫度測(cè)量模塊采集的溫度“36.5 ℃”,PLC讀取出來則為“365”，因此需要進(jìn)行一定的運(yùn)算才能得到所需要的準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。為了方便運(yùn)算并降低不必要的數(shù)據(jù)誤差，于是決定采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，將相應(yīng)的整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)后再進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，最后直接以浮點(diǎn)數(shù)的形式進(jìn)行傳輸。變頻器頻率運(yùn)算程序如圖5所示。

圖5 變頻器頻率運(yùn)算程序

3.2 硬件的應(yīng)用設(shè)計(jì)

D520I智能電表是該系統(tǒng)中比較重要的采集設(shè)備，但其并非拿起來就能用的，需要用DPMSoft對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用配置。DPMSoft軟件界面如圖6所示。

當(dāng)連接上D520I智能電表后需要對(duì)其CT電流互感器的一次側(cè)和二次側(cè)參數(shù)、RS-485通訊站號(hào)以及通訊格式進(jìn)行修改。根據(jù)DCT-S211C電流互感器的參數(shù)，需要將D520I智能電表的CT一次側(cè)設(shè)定為200 A、二次側(cè)設(shè)定為5 A。RS-485的通訊站號(hào)及通訊格式需要按照前期的站號(hào)分配及格式安排來設(shè)定，如B15號(hào)柜負(fù)責(zé)采集的6#高混機(jī)的通訊格式為：“3號(hào)站、RTU通訊模式、9600,8,N，1”。

3.3 組態(tài)軟件的選擇

組態(tài)軟件是組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的簡(jiǎn)稱，是用來進(jìn)行采集數(shù)據(jù)和過程控制的軟件，是自動(dòng)控制等系統(tǒng)的監(jiān)控用軟件平臺(tái)。經(jīng)過多方對(duì)比，考慮軟件的實(shí)用性、功能性以及性價(jià)比等因素，最終選擇了北京亞控科技旗下的KingIOServer。

KingIOServer集成了5 000多種驅(qū)動(dòng)，能夠解決設(shè)備通訊的各種難題，其支持的驅(qū)動(dòng)包括PLC、IO模塊等，支持包括串口、以太網(wǎng)、GPRS等在內(nèi)的多種通訊，同時(shí)第三方系統(tǒng)可以通過API接口和OPC(DA和UA)方式訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本設(shè)備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備層與邊緣層的改造應(yīng)用。主要通過PLC來進(jìn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及初步運(yùn)算，由KingIOServer讀取各PLC的數(shù)據(jù)，最后由MES系統(tǒng)對(duì)接KingIOServer并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行更深層次的運(yùn)算與運(yùn)用。

現(xiàn)今，全球都掀起了發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱潮，我國(guó)政府及各行業(yè)也都極為重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。然而我國(guó)制造業(yè)規(guī)模龐大，絕大部分的老舊設(shè)備無法滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，但若為發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而進(jìn)行大范圍的設(shè)備更新?lián)Q代顯然是天方夜譚，由此，設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)改造就有了很大的市場(chǎng)和前景。