基于PROFIBUS總線的飼料廠監控系統設計

曹應明，范次猛，張祖港

CAO Ying-ming1，FAN Ci-meng1，ZHANG Zu-gang2

（1.江蘇聯合職業技術學院 無錫交通分院，無錫 214151；2.布勒設備工程（無錫）有限公司，無錫 214151）

0 引言

隨著通信技術、網絡技術和計算機控制技術的快速發展，現代控制系統的結構發生了巨大變化，其中現場總線技術的應用是自動控制領域的發展趨勢。在現場總線當中PROFIBUS總線目前應用最為廣泛，它是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，是用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術，可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案，廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等領域的自動化。與其他現場總線系統相比，PROFIBUS的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。

1 項目背景

西北某飼料廠年產60萬噸牛羊飼料生產線項目由散裝進料工段、鋼板倉進料工段、粒料進料工段、粉料進料工段、散裝出料工段、鋼板倉出料、立式粉碎工段、臥式粉碎工段、配料混合工段和打包工段等組成，生產工藝復雜，設備（投料設備、存儲設備、配料設備、混合設備以及打包設備等）數量總多且分布距離遠；各單元控制器（如配料稱控制器、液體添加控制器和打包站控制器等）功能復雜、與中央控制器通訊數據較多、實時性要求高。使用PROFIBUS總線技術以后以減少電纜鋪設，減低建設成本、施工成本和施工難度；使用PROFIBUS總線可以實現單元控制器與中央控制器的快速通訊，提高協調控制的速度與精度，且網絡實時性強、維護方便。另外模擬量模塊可以就地安裝，模擬量（溫度、重量和流量等）經過轉換后通過PROFIBUS總線接入中央控制器，以減少模擬量可能受到的干擾，提高了信號精確度。

2 系統架構

系統選用西門子CPU319-3 PN/DP型PLC作為中央控制器，通過PROFIBUS-DP總線與5臺配料秤控制器、1臺蜜糖添加秤控制器、1臺油脂添加秤控制器和4套ET200M遠程擴展IO等11個DP從站進行通訊，獲取過程數據并控制進料、配料、混合以及出料等全部設備，實現生產工藝設計要求。

基于PROFIBUS總線的飼料廠監控系統拓撲結構如圖1所示，系統采用Profibus-DP主站和分布式從站的結構，西門子S7-300系列PLC 319-3PN/DP作為DP主站，ET200M分布式IO、配料秤控制器和液體添加秤控制器等作為DP從站。主站通過PROFIBUS-DP總線與各從站通訊，構建現場設備到中央控制室的分散式數字通訊網絡，PLC主站在設定周期內與分布式PLC從站不間斷地交互信息，并對 PROFIBUS現場總線進行管控，實現全廠協調控制。

圖1 系統拓撲結構如圖

系統采用2臺裝有WINCC監控軟件的工業PC作為操作員站（其中一臺兼工程師站），通過工業以太網與主站建立通訊，實時監控進料、出料、配料和混合等生產全過程，實現分散控制和集中監視管理。其中操作員站主要負責對兩條生產線的數據實時監控和管理，工程師站既擁有操作員站的全部功能權限(二者互為備用，以提高系統的可靠性)，也可對系統組態控制參數等信息進行在線設置和修改。各添加口（散裝進料口、鋼板倉進料口、粒料添加口和粉料添加口）選用西門子TP177觸摸屏通過工業以太網與主站相連，應用WINCC Flexible軟件組態的觸摸屏界面實現投料（進料）信息顯示和故障監示，并實現散裝進料口和鋼板倉進料口就地控制。采用惠普激光打印機聯網打印報表或過程數據。

3 系統硬件組態及參數設置

本系統選用帶以太網接口的CPU319-3 PN/DP為主站，考慮到以后系統擴展需要所以使用雙PROFIBUS總線結構。默認的DP口地址設為1，作為1號總線PROFIBUS（1），MPIDP接口由原來MPI類型改為PROFIBUS類型，DP地址設為2，作為2號總線PROFIBUS（2）。其中PROFIBUS（1）用于連接ET200M分布式IO從站，DP地址分別設為11～14，PROFIBUS（2）用于連接各種秤控制器，DP地址分別設為15～21。本系統組態的一個重要工作就是將第三方DP從站秤控制器接入PROFIBUS總線。打開Step7 V5.4編程軟件，進入PLCHardware，打開HW Config，將秤控制器的GSD（設備數據庫）文件導入Step7，GSD文件可從設備廠家網站下載或從設備供應商處獲取，系統硬件組態完成后如圖2所示。

組態完成后將硬件組態下載到CPU319-3 PN/DP主站，連接好各DP從站與主站的通訊電纜，然后根據硬件組態數據進行從站地址設置。最后選擇ONLINE在線檢查各站連接情況，確保各從站數據能正確上傳。

圖2 監控系統硬件組態圖

4 系統軟件設計

監控系統軟件分為PLC下位控制軟件、上位機WINCC監控組態軟件以及投料口觸摸屏WINCC Flexible監控軟件。

4.1 PLC控制程序設計

PLC控制程序采用STEP7V5.4編程軟件，選用語句表STL作為編程語言。語句表語言與傳統的梯形圖相比執行效率高，可實現復雜的程序編寫，適用于各種大中型項目控制程序編寫。根據本項目的工藝要求，控制軟件主要實現以下控制功能。

進料工段和出料工段的順序控制，依據要求實現啟動時逆向啟動防止物料堆積，停止過程采用正向停止方式防止物料殘留。當輸送線運行過程中某處出現故障時，則出現故障前的所有驅動電機都必須停止，所有下游電機都必須保持運行以防止殘留或堆積，待物料清空后才能停止。停止時前后兩臺刮板機之間要有一定的延時，具體延時時間要根據刮板機長度和物料重量來現場確定，以刮板機上沒有物料殘留為原則。

多組分配料控制部分由各變頻絞龍控制各組分依次下料，由配料秤測量下料重量，當達到配方要求的重量后配料秤將該組份物料卸料到混合機，卸料完成后開始下一組份的配料。配料過程分為快速配料/慢速配料和脈沖配料三部分，開始時變頻器控制絞龍以100%的速度快速下料，當配料秤顯示重量達到快/慢速切換點時變頻器控制絞龍速度由100%在2秒鐘時間內下降到慢速配料速度（一般為20%轉速），此后絞龍以慢速配料一直至配料重量達到預切點重量，配料重量達到預切點后變頻絞龍停止，延時3秒后將配料秤內組份重量與配方組份目標重量進行比較，若配料重量小于目標重量則由脈沖控制絞龍點動配料，每次點動配料之間間隔2秒，配料重量大于等于目標重量則當前組份配料結束。配料結束后配料秤卸料閥打開開始卸料，同時卸料氣錘開始動作，直到該組份物料全部放入混合機，即配料秤重量為零。卸料時設有時間監控，即在一定時間內如果配料秤重量不為零則提示報警。配料完成后系統自動開始下一組份配料，直到配方要求組份全部完成配料。配料部分邏輯圖如圖3所示。

圖3 多組份配料控制邏輯圖

圖4 監控軟件結構圖

4.2 上位監控軟件設計

上位監控軟件由西門子組態軟件WINCC6.0編輯而成，用于對整個生產流程進行實時監控，具有狀態顯示、故障報警、數據記錄和報表打印等功能。上位界面通過工業以太網總線與中央控制器PLC通訊，獲取數據和發送控制命令。組態畫面主要包括進料工段、出料工段、粉碎工段、配料工段、制粒工段和打包工段等六部分，界面友好，操作方便。監控畫面結構如圖4所示。

4.3 觸摸屏監控軟件

根據設計要求在散裝進料投料口、鋼板倉進料投料口、粒料投料口和粉料投料口各安裝一個觸摸屏，用于當中控室設備故障或維修時能夠通過觸摸屏實現進料工段設備的現場控制與監視，實現兩地控制。觸摸屏選用西門子TP177帶以太網口觸摸屏，監控軟件由WINCC Flexible編寫，具有啟停控制、倉號選擇、故障監控等功能。

5 結束語

目前，文中設計的基于PROFIBUS總線的飼料廠監控系統已經實際投產兩年。運行結果證明采用PROFIBUS總線技術減低了布線、安裝和調試的工作量，節約了建設成本。監控系統運行穩定具有較高的自動化水平，抗干擾能力強，故障率低，維護方便，極大提高了工廠的生產效率，經濟效益良好。

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