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斷短路電流的場所。

現(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)自動化的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)場總線I/O的接線極為簡單，只需一根電纜，從主機(jī)開始，沿數(shù)據(jù)鏈從一個現(xiàn)場總線I/O連接到下一個現(xiàn)場總線I/O。使用現(xiàn)場總線后，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)場總線I/O與PLC可以組成廉價的DCS系統(tǒng)。

本文主要介紹西門子公司的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生產(chǎn)線的自動控制系統(tǒng)中的實際應(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)控界面的實現(xiàn)。兩者結(jié)合應(yīng)用有效提高了系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)度、節(jié)約了采購成本，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總線簡介

PROFBUS是一種國際性的開放式的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，它既可應(yīng)用月高速且對于時間苛求的數(shù)據(jù)傳輸，也可應(yīng)用于的復(fù)雜通訊場合。PROFBUS-DP是為高速傳輸用戶數(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，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(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)場控制層，下層的功能獨(dú)立運(yùn)行不依賴于上層設(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)場控制層采用Profibus-DP總線，具體實施上以Profibus-DP總線為主線，由一臺S7-300PLC作主控制系統(tǒng)，和五個ET200S站構(gòu)成一個主從結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。控制系統(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，以輪詢方式對下屬各個分站（ET200MS）進(jìn)周期性掃描讀寫，并通過Pro fi bus-DP總線將指令傳輸至各個分站對應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)。由此實現(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)等級為IP20。主要用于S7-300可編程控制器的信號，功能和通訊模塊擴(kuò)展。本系統(tǒng)中共使用了五個ET200S分站，完成整個系統(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)場設(shè)備

現(xiàn)場設(shè)備分為輸入和輸出兩種類型，輸入設(shè)備包括位移傳感器、壓力傳感器、光電傳感器、斷路器專用檢測設(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)場的各種電磁閥及斷路器專用檢測設(shè)備等。

4）監(jiān)控上位機(jī)是一個集成的人機(jī)界面系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，通過它提供的圖形設(shè)計器、報警記錄、全局腳本、用戶管理等功能，對整個控制系統(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)庫操作、狀態(tài)監(jiān)視等功能。

1.3 現(xiàn)場調(diào)試中需要特別關(guān)注的兩個技術(shù)點(diǎn)

1）一般在車間，常見干擾源有變壓器、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。在本項目實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)慕档屯ㄐ潘俾?，可以有效降低電磁干擾的影響，提高現(xiàn)場總線的穩(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)，在第一個節(jié)點(diǎn)和最后一個節(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、萬方、維普”等數(shù)據(jù)庫，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，凡有異議者，請在來稿中注明。本刊所付稿酬已包含刊物內(nèi)容上網(wǎng)服務(wù)報酬，不再另付。

2 上位機(jī)監(jiān)控軟件界面開發(fā)

根據(jù)中壓開關(guān)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)復(fù)雜程度及應(yīng)用場景的特殊性，要求實時穩(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)軟件來開發(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，國外有InTouch、iFix、WinCC、CiTech等，國內(nèi)有KingVeiw、MCGS、力控、杰控等。綜合考慮各組態(tài)軟件的應(yīng)用范圍和性價比，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：整體界面簡潔、數(shù)據(jù)庫功能強(qiáng)大、集成通用VBScript腳本，用戶進(jìn)行二次開發(fā)簡單；獨(dú)特的設(shè)備數(shù)據(jù)表，作為通訊系統(tǒng)的緩存，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)批量處理；每個設(shè)備驅(qū)動都是獨(dú)立進(jìn)程，多個驅(qū)動能穩(wěn)定地并行運(yùn)行。需特別指出的是和西門子PLC進(jìn)行通訊時，上位機(jī)無需要安裝Simatic Net軟件。

2.2 上位機(jī)組態(tài)開發(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、實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和歷史報表等畫面，主要功能包括：

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

圖2 監(jiān)控軟件主界面

2）實時監(jiān)測：實時監(jiān)控功能提供圖形化界面，通過文字和顏色進(jìn)行動態(tài)實時顯示，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，以及測試工位在測產(chǎn)品的條碼、測試狀態(tài)及測試結(jié)果等。

3）數(shù)據(jù)存儲功能：實時存儲產(chǎn)品在各個關(guān)鍵工位的裝配和測試數(shù)據(jù)；并通過歷史數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)產(chǎn)品相關(guān)制造信息的可追溯功能。

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

監(jiān)控軟件主界面，如圖2所示。

3 結(jié)束語

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

1）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化

由于PROFIBUS采用的是線型拓樸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多主—多從方式的通訊，所以可以實現(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，通常是將整個系統(tǒng)分解為數(shù)個獨(dú)立的專機(jī)系統(tǒng)后，再設(shè)置一個兩層的通訊網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場狀態(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)測算僅電纜采購一項，采用PROFIBUS總線方式后，至少減少了將近30%的電纜采購成本。

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。