基于PLC的漿紗機(jī)TIA技術(shù)升級

高寶玉，何文雪，桑文征

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基于PLC的漿紗機(jī)TIA技術(shù)升級

高寶玉，何文雪，桑文征

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266071）

本文介紹了染織工業(yè)中漿紗機(jī)全集成自動(dòng)化的升級改造原理與方法，摒棄原西門子公司STEP5系列控制系統(tǒng)改造為TIA環(huán)境下STEP7系列PLC系統(tǒng)。并著重闡述漿紗機(jī)控制系統(tǒng)程序在兩種編程環(huán)境中的轉(zhuǎn)換，為其他的西門子系列產(chǎn)品升級為全集成自動(dòng)化系統(tǒng)提供了經(jīng)驗(yàn)。

漿紗機(jī)；STEP5；全集成自動(dòng)化；升級

0 引言

TIA（Totally Integrated Automation）[1]是德國為發(fā)展工業(yè)4.0的戰(zhàn)略而提出的全集成自動(dòng)化系統(tǒng)。TIA Portal軟件是西門子公司將工程組態(tài)和軟件項(xiàng)目環(huán)境集合于一體的軟件，能夠用于開發(fā)所有的西門子系列項(xiàng)目。利用這種集成智能化的軟件平臺，操作人員能夠快速、直觀地開發(fā)和調(diào)試自動(dòng)化系統(tǒng)。染織工業(yè)中漿紗機(jī)進(jìn)行TIA升級改造，淘汰原來的STEP5系統(tǒng)可以使?jié){紗設(shè)備同其他染織設(shè)備聯(lián)接起來，便于操作人員監(jiān)控和開發(fā)。相比過去單純的編程環(huán)境，TIA不再需要花費(fèi)大量精力進(jìn)行硬件和軟件高效組態(tài)，此外還能為工業(yè)自動(dòng)化4.0的實(shí)現(xiàn)建立一個(gè)基礎(chǔ)。

1 生產(chǎn)工藝方法

漿紗機(jī)[3]在染織工業(yè)全過程中位于織布機(jī)的前面紡紗機(jī)的后面，該工藝主要目的是為紡好的紗線上漿。漿紗機(jī)從紗線的開卷、漿槽浸漿到烘房烘干，中間要經(jīng)過伸長控制、溫度控制、回潮控制、張力控制、計(jì)長控制等，使紗變?yōu)榫哂兴枰臏囟取穸取⑸扉L度等實(shí)用價(jià)值的紗，同時(shí)使其在織造時(shí)能承受織機(jī)上強(qiáng)烈的機(jī)械作用。軟件完成的控制流程如圖1所示。

此外還有故障菜單，由中央計(jì)算機(jī)監(jiān)控整機(jī)故障項(xiàng)目的內(nèi)容、代碼、發(fā)生時(shí)間及修復(fù)時(shí)間，便于迅速診斷處理。

2 原控制系統(tǒng)簡介

現(xiàn)在的工業(yè)[19]漿紗機(jī)常采用SIMATIC S5-95U系列PLC[7]，是STEP7系統(tǒng)的早先產(chǎn)品，早期是備受歡迎的控制系統(tǒng)。但由于STEP7控制系統(tǒng)的成熟，逐步占領(lǐng)市場的主導(dǎo)地位，同時(shí)STEP5系統(tǒng)的配件貧乏并且昂貴、相關(guān)技術(shù)支持不夠完善等弊端越來越突出。導(dǎo)致系統(tǒng)的維護(hù)難度日益增大。將STEP5控制系統(tǒng)改造成TIA環(huán)境下STEP7控制系統(tǒng)備受各大工控廠商青睞。

圖1 軟件控制流程

STEP5系統(tǒng)和STEP7系統(tǒng)的配置有著巨大的差距，雖然可以將STEP5作為從站配置在STEP7的系統(tǒng)中，但是由于S5-95U停產(chǎn)的原因，本系統(tǒng)將四個(gè)PLC全都替換為STEP7系統(tǒng)的模塊。老的STEP5系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)為：11個(gè)模擬量輸入、11個(gè)模擬量輸出、29個(gè)數(shù)字量輸入、24個(gè)數(shù)字量輸出，總計(jì)共處理75個(gè)輸入、輸出點(diǎn)。所以選擇S7-1513DP系列控制器最合適，系統(tǒng)功能和擴(kuò)展性都滿足原系統(tǒng)要求，西門子STEP7系列工業(yè)控制系統(tǒng)運(yùn)算處理能力強(qiáng)大、通訊擴(kuò)展性能完善、總體穩(wěn)定可靠以及價(jià)格優(yōu)廉。改造完成后不但系統(tǒng)控制功能不受影響，而且原來備件和調(diào)試維護(hù)等問題都可以解決[11]。如圖2所示。

3 控制系統(tǒng)升級

3.1 軟件的升級

由于漿紗機(jī)程序龐大，STEP5程序的重新編寫是比較困難的。再TIA環(huán)境中STEP5升級STEP7并非是簡單改造，STEP7的功能相對強(qiáng)大的多。兩者在功能和硬件方面的差異影響編程語言、軟件平臺的迥然不同。尤其STEP7對STEP5程序完全不能兼容，漿紗機(jī)的程序直接移植到新系統(tǒng)中不能運(yùn)行，所以要將原來漿紗機(jī)的程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其重置為符合STEP7工程項(xiàng)目所要求格式的程序，雖然編輯、修改比較麻煩，但相比重新編寫簡單得多。為解決這個(gè)難題我們決定采用先把STEP5程序升級STEP7，然后再把STEP7升級為TIA Portal環(huán)境下。總的說來，使用“Converting S5 Files”工具[13]，可以分兩步進(jìn)行：

（1）源程序轉(zhuǎn)換前的準(zhǔn)備。首先，整理清析的漿紗機(jī)原程序中各個(gè)程序塊的功能；其次，各個(gè)功能數(shù)據(jù)塊的調(diào)用關(guān)系；最后，將數(shù)據(jù)塊劃分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊、HMI數(shù)據(jù)塊，用戶數(shù)據(jù)塊。這樣方便于轉(zhuǎn)換后便于對問題程序的修改。

（2）使用轉(zhuǎn)換工具：Converting S5 Files。一般自動(dòng)轉(zhuǎn)換的正確率有限，大約2/3能夠正確的轉(zhuǎn)換，但有一些原作者自己編寫的程序塊和一些加密的程序是不能轉(zhuǎn)換的。所以為了保證新的漿紗機(jī)程序的可用性，程序轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)警告和錯(cuò)誤，根據(jù)漿紗工藝和原STEP5程序，重新編寫出錯(cuò)的程序塊。

圖2 TIA升級后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于新的控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的Profibus總線，所以原程序中與觸摸屏通訊的功能塊直接去掉，同理PLC與上位機(jī)進(jìn)行SINEC L1方式通訊的功能塊TDOP:L1報(bào)錯(cuò)，也應(yīng)該直接刪除，如圖3所示。除此之外，RS是S5里的system data words，LIR直接訪問RAM，都可以直接在STEP7里替換掉。原漿紗機(jī)程序STEP5中的一些經(jīng)典的功能塊，STEP7仍然保留只是編號更改了，比如，新環(huán)境中FC125就是IM308C的通訊診斷功能塊FB225。STEP5中的順序控制塊PB與功能舉哀FB應(yīng)該全部轉(zhuǎn)換STEP7的FC塊，主要為漿紗工藝實(shí)現(xiàn)基本的邏輯控制[5]-[9]。

圖3 通訊模塊的轉(zhuǎn)換

3.2 現(xiàn)場調(diào)試

由STEP5升級TIA環(huán)境的過程中，有許多指令是轉(zhuǎn)換不過來的，而且STEP5的許多用法與STEP7不同，所以升級后的程序不能保證與升級前的完全一致。漿紗機(jī)工藝較復(fù)雜，各設(shè)備間相互聯(lián)鎖關(guān)系緊密，現(xiàn)場調(diào)試很不方便，而現(xiàn)場生產(chǎn)繁忙，新程序不可能直接在漿紗機(jī)上調(diào)試，所以本改造系統(tǒng)調(diào)試并不拆除舊PLC系統(tǒng)，而是增加一臺S7-1513PLC，使新舊系統(tǒng)的對接點(diǎn)在舊PLC的前連接器上[14]。調(diào)試時(shí)，如下步驟實(shí)施。

（1）首先STEP5與STEP7 PLC輸入端并行連接，并不將STEP7的輸出引入到漿紗機(jī)控制系統(tǒng)，而是在線對比輸出是否同STEP5同步。

（2）經(jīng)驗(yàn)證新程序運(yùn)行完全符合漿紗機(jī)要求，再S7-1513PLC輸出接入漿紗機(jī)，取代原來S5-95U控制設(shè)備，這樣方便維護(hù)人員熟悉新的系統(tǒng)[15]。

（3）經(jīng)過調(diào)整，新系統(tǒng)漿紗效果完全符合工藝要求后，再將S5-95U系統(tǒng)拆除。

4 TIA改造后的效果

原有S5-95U控制系統(tǒng)經(jīng)過升級改造為TIA環(huán)境下S7-1513PLC新系統(tǒng)，TIA環(huán)境自動(dòng)匹配西門子新一代變頻器和電機(jī)。由于STEP7系統(tǒng)性能優(yōu)于STEP5系統(tǒng)，改造后漿紗機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)功能指標(biāo)：伸長率、回潮率、上漿率等均達(dá)到漿紗工藝質(zhì)量參數(shù)的要求。不僅設(shè)備自動(dòng)化控制監(jiān)控性能提升，也便于緊跟全集成自動(dòng)化TIA的發(fā)展方向，順應(yīng)工業(yè)4.0趨勢。

TIA環(huán)境中WinCC組態(tài)軟件組態(tài)原漿紗機(jī)的上位監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控功能完善，在操作監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了許多用戶定制的實(shí)用功能，為維護(hù)人員進(jìn)行事故分析與安全生產(chǎn)提供有用的參考。更重要的是人機(jī)界面操作靈活、直觀，由于采用中文環(huán)境，使系統(tǒng)操作變得更加簡潔，控制室的操作和維護(hù)人員監(jiān)控、操作相比原先方便多了[13]-[15]。

改造后的漿紗機(jī)的車頭、烘房、前漿槽、后漿槽[6]通過Profibus總線網(wǎng)絡(luò)連接，相互協(xié)作同時(shí)又受監(jiān)控系統(tǒng)控制；此外又為四個(gè)PLC增加了4個(gè)觸摸屏，漿紗機(jī)各個(gè)參數(shù)手動(dòng)可調(diào)，便于系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行后的參數(shù)調(diào)整。

5 總結(jié)

全集成自動(dòng)化TIA是工業(yè)4.0趨勢的初步探索與實(shí)踐，漿紗機(jī)控制系統(tǒng)工藝復(fù)雜，采用語句表編程，而且參數(shù)眾多，STEP5程序轉(zhuǎn)換STEP7程序似乎是一個(gè)頭疼的難題。其中作重要的就是程序升級之前的技術(shù)準(zhǔn)備，了解設(shè)備的工藝過程。由于TIA環(huán)境的高效組態(tài)功能，原有漿紗機(jī)硬件的配置輕松完成，使系統(tǒng)升級方便多了。

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Upgrade of TIA Technology for Sizing Machine Based on PLC

GAO Bao-yu, HE Wen-xue, SANG Wen-zheng

(College of Automation and Electrical Engineering, Qingdao University, Qingdao 26607l, China)

This paper introduces the principle and method of upgrading and reforming the Totally Integrated Automation of the sizing machine in the dyeing industry, and abandoning the original STEP5 series PLC system of the Siemens subsidiary into the TIA environment. And focuses on the sizing machine control system program conversion in two programming environments , for the other Siemens products to upgrade to Totally Integrated Automation system provides experience.

Sizing machine; STEP5; TIA; Upgrade

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.04.028

高寶玉(1990-)，男，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和智能信息處理；何文雪(1970-)，男，博士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和智能信息處理；桑文征(1991-)，男，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和智能信息處理。

本文著錄格式：高寶玉，何文雪，桑文征. 基于PLC的漿紗機(jī)TIA技術(shù)升級[J]. 軟件，2017，38（4）：146-149