基于ＭＯＤＢＵＳ現場總線的滾塑設備控制系統

摘 要：滾塑生產是塑料制品的主要生產方式。現有的滾塑設備已成為制約企業發展的關鍵因素。研制以PLC為核心控制元件、基于MODBUS協議的控制系統已迫在眉捷。著重介紹基于MODBUS現場總線的滾塑設備控制系統，它由上位機、PLC、變頻器組成一個數字通信網絡，可方便地實現對現場各參數的修改，將系統運行中出現的故障進行分級處理，并將各參數進行記錄。將現場總線應用到滾塑設備的控制系統之后，既可以提高設備的智能化程度又能提高生產效率，同時增強了設備運行的可靠性、穩定性，使產品質量大大提高。利用現場總線PLC，PLD等現代化數控網絡技術對滾塑設備進行革新和改造，顯著提高現有設備的智能化程度。

關鍵詞：MODBUS現場總線；工控機；PLC滾塑設備；故障處理

Control System of Rolling Plastic Equipment Based on MODBUS Field Bus

HAO Shuangyi，REN Jianke，LIAN Ying，LIU Chengzhu

(Xingtai University，Xingtai，054001，China

Abstract：Rolling plastic production is the main method of plastics manufacturing.The present rolling plastic equipment became the key factor that prevents the development of the company.It is pressing to research and develop the core controlling component based on PLC and the controlling systems according to MODBUS protocol.The thesis introduces the digital communication network composed of PLC and frequency transformer according to MODBUS which is based on rolling plastic controlling systems.It can change the variables easily and deal with the problems occurred in the operation and keep a record of it.After its application，the degree of intelligence and production efficiency can be greatly improved.Meantime，the product quality，reliability and stability of the equipment can be greatly improved.By using MODBUS，PLC and PLD to reform the rolling plastic equipment，the intelligence performance of the equipment is improved.

eywords：MODBUS field bus;industrial computer;PLC rolling plastic equipment;fault processing

隨著國民經濟快速發展，塑料制品在人們生活中的應用越來越廣泛，發展塑料制品工業是社會發展的急需，同時塑料制品有其成型好、重量輕、強度大、力學性能高、價格低等優點，越來越多地得到用戶的青睞。滾塑生產是塑料制品的主要生產方式之一。軍事國防產品如戰備箱組、野戰簡易辦公設備等塑料制品要求高強度、強彈性且適合空降。所以大部分的軍用塑料制品都必須采用滾塑方式來制造。同時滾塑方式生產的產品回收粉碎后可實現再生產，重復利用而不影響其質量，可以節約能源。

現行的滾塑生產方式無論是在生產規模還是在生產工藝上已不能滿足時代所需。引進設備雖然在性能上優于現有設備，但在實際生產中仍存在不少問題：進口設備價格昂貴，受資金影響，不能批量進口，故從生產規模上不能滿足生產要求；操作繁瑣，進口設備操作界面及各種標識均屬英文，由于工人外語水平較低，一旦操作不當，產品將成為廢品，造成浪費；維修周期長，由于外商技術壟斷，設備發生故障需外方專家到現場親自維修，耽誤生產；現有設備閑置，造成不必要的資源浪費。

現場總線、PID等現代化數控網絡技術已趨于成熟，并被廣泛用于數控機床制造業，因此采用數控網絡技術對現有滾塑設備進行革新和改造是非常可行的，具有科學性。采用現代化數控網絡技術對現有滾塑設備進行革新和改造，其優點：可提高滾塑設備智能化程度，以滿足滾塑生產工藝的需要；可降低生產資金投入，最大限度地利用現有資源，減少資源浪費，并能滿足滾塑生產規模的需要，符合我國國情；革新和改造后的設備可控性強、操作方便，避免因操作不當造成不應有的損失。

現場總線是應用于工業現場的可以在數字化控制設備之間實現雙向串行通信的控制系統。MODBUS現場總線是應用于電子控制器上的一種通用語言，它是一種通信協議。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡和其他設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。MODBUS現場總線可以分為2種模式：MODBUS ASCⅡ和MODBUS RTU。本控制系統采用MODBUS RTU協議將工控機、PLC、變頻器組成一個數控網絡，實現滾塑設備的智能化控制，提升了設備的現代化程度。

1 滾塑設備的控制要求

滾塑設備的發展大致可以分為3個階段：第一，全人工操作階段。現場設有1個加熱室、2個冷卻室和2個行車（見圖1）。工作時依靠2個行車上裝載工件在加熱室和冷卻室之間行進，缺點是行車的定位不準確，操作繁瑣、極易撞車，生產效率低（由于只有2個行車）；第二，自動化階段。現場設有1個加熱室和1個冷卻室，固定在同一個轉軸上的3個臂（見圖2），控制系統采用PLC配合觸摸屏實現控制和修改參數。缺點是3個轉臂只能同時旋轉，雖然實現了自動化，且節省了現場空間，但仍然存在生產效率低的缺陷，因為2個臂同時處于加熱室和冷卻室，只能對剩余的一個臂進行其他操作；第三，智能化控制階段（類似于二代）。現場設有1個加熱室和1個冷卻室，3個臂雖然同軸，但可以獨立地旋轉。當一個臂自動工作時，其余的2個臂都可以獨立的處于某個位置進行其他操作。該系統采用現場總線技術，其具體控制要求為：

(1 以PLC作為中心控制單元，要求性能可靠，且具有良好的可擴展性能，I/O點數上要留有余量；

(2 上位機、PLC、變頻器組成一個系統，利用MODBUS RTU協議實現3者的通信，可實時地修改、監控變頻器的頻率（經過PLC的內部運算，達到修改和監控電機轉速的目的）；

(3 利用工控機作上位機，可方便的監控、修改以下參數：

3個臂的前進和后退速度；加熱室進門和出門的開關門速度；3個臂的加熱時間、預冷時間、風冷卻時間、水冷卻時間和監控和修改；3個臂所處位置的監控；定時到進前的蜂鳴報警；故障的分級和報警；系統運行的歷史曲線的記錄；加熱室的溫度顯示及修改；轉臂轉速平衡的顯示。

2 控制系統硬件的選型

根據控制要求和對數字化設備的市場調研，控制系統的硬件選取如下：

(1 考慮到系統的可擴展性，PLC選用歐姆龍CJ1M系列模塊式主機。PLC結構如下：CPUCJ1M12，3個32點的高密度輸入模塊（CJ1W ID231），4個16點的輸入模塊（CJIW OC211），1個帶RS 485口的通信模塊（SCU41）。輸入點和輸出點各預留15點，以備擴展；

(2 變頻器選用3G3M系列；

(3 工控機選用研華公司的系列產品，配置如下：CPUP4，內存 512 MB，硬盤80 GB，NEC系列17寸液晶顯示器，工業用鍵盤和鼠標；

(4 接觸器、按鈕、接近開關、行程開關均選用歐姆龍公司的相關產品；

(5 組態軟件選用世紀長秋的世紀星監控組態軟件，256點硬件加密系統。

3 系統通信的實現

控制系統為主從站通信方式，將PLC作為主站，11臺變頻器作為從站。

(1 上位機與PLC之間用RS 232串行口，數據格式：

(3 變頻器本體設置

正反轉由外部轉入端子有效；

頻率信號設為來自RS 485的信號有效，通過上位機可以修改變頻器的頻率，以達到修改電機轉速的目的；

11臺變頻器分別設為1-11號從站。

(4 時間監控、修改的實現

修改各時間時，以PLC的數據區（DM區）作為間接尋址寄存器，在世紀星組態軟件上定義變量，方便地實現對各時間的監控和修改。

(5 利用3G3M變頻器自動的模擬輸出比較控制，直接輸出給模擬儀表，顯示轉臂平衡。

4 故障的分級及處理

(1 故障信息的采集由以下幾種方式：

變頻器本體自帶的故障輸出；在規定的時間內，轉臂不能正常地轉動到預定位置；加熱室溫度超過設定值。

(2 根據采集的故障信息，PLC編程區分故障的級別。故障級別可以分為：警告、嚴重警告、致命錯誤。

(3 對出現故障時的處理方式：

當出現警告時，上位機相應的故障顯示為黃色閃爍。點擊上位機的故障顯示區，可以查看故障信息，蜂鳴報警器發出間斷鳴叫告警。

當出現嚴重警告時，上位機顯相應的故障示為黃色，并停止相應部分系統的工作。點擊上位機的故障顯示區，蜂鳴報警器發出間斷鳴則告警的頻率較快；

當出現致使錯誤時，可能會損壞機器設備，上位機的故障顯示為紅色，整個設備除上位機外全部停機。蜂鳴報警器一直鳴叫；

點擊故障顯示區可以將故障原因、處理方案顯示出來，以幫助技術人員做出處理。

(4 工作人員將故障排除后，按下復位按鈕重新啟動設備，可恢復正常運轉。

5 歷史數據記錄

利用世紀星歷史曲線記憶系統，將需要記憶的數據定義變量，設定為記憶并保存在相應的區域中，實現設備運行

中的各個重要參數的監控記錄，對各班的產量做出實時統計。點擊上位機的相應曲線可以查看某個變量的歷史曲線。

將MODBUS現場總線技術應用到滾塑設備后，既可以提高設備的智能化程度，又提高了生產效率、節省了能源，將會為提高我國具有知識產權的機器制造業的國際競爭產生一定影響。

參 考 文 獻

［1］歐姆龍公司.歐姆龍CJ1系列PLC操作手冊[].2006.

［2］佚名.RS 485通訊協議[EB/OL].中華工控網，2007.

［3］常文平.電氣控制與PLC原理及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2006.

［4］林理明.數字通信技術[M].3版.北京：勞動出版社，1996.

［5］孫政順.PLC技術[M].3版.北京:勞動出版社，2006.

［6］孫傳森.變頻技術[M].3版.北京:勞動出版社，2006.

［7］歐姆龍公司.3G3M 系列變頻器操作手冊[].2006.

［8］佚名.MODBUS通信協議[EB/OL].中華工控網，2007.

作者簡介 趙雙義 男，1962年出生，副教授。