基于PROFIBUS的植物纖維模塑成型監控系統設計*

黃晨華，李湘勤，謝家耀，林雄界，劉潤南，張廣松，董海堅，周運岐

（1.韶關學院智能工程學院，廣東韶關512400；2.韶關市宏乾智能裝備科技有限公司，廣東韶關512400）

0 引言

現場總線是一種把工業現場設備、儀器儀表等組成網絡，設備間或設備與儀表之間實現數字通信技術。常用的現場總線有PROFIBUS、Foundation Fieldbus、CAN、CC-Link、LonWorks、Modbus、DeviceNet等。搭建現場總線以實現企業生產工藝數據傳輸，是實現智能制造的重要前提，因此，現場總線是當今自動化領域技術研究的熱點之一[1]。羅侃等[2]在鉛鋅冶煉廠煙氣制酸項目中運用基金會現場總線（FF），研制了煙氣制酸系統，相對其它方案，其線纜長度、安裝費用都大大降低，彭俊超[3]、劉文燦等[4]運用類似的方案，在項目中均到得了很好的效果；陳偉才[5]在汽車變速器裝配線中，搭建了PROFIBUS網絡，實現了設備的集中控制；唐敏[6]基于PROFIBUS現場總線，研制了一種溫室監控系統，以滿足農作物對溫室參數的需要，馮玉爽等[7]在自動化生產線中采用JPROFIBUS-DP技術，有效提高了生產系統的穩定性；余國虎[8]在船舶機艙自動化系統中運用了CAN總線技術，實現了主機監控、船舶電站管理等功能；熊邦宏[9]基于PROFINET總線，研制了一種配料攪拌裝置的控制系統。

綜上所述，現場總線技術在生產實踐中越來越廣泛地應用，隨著國家對環保要求越來越高，用植物纖維如紙漿等成型日常用的餐具、包裝盒等取代相應的塑料制品，已成為一種趨勢。越來越多的企業從事植物纖維制品成型。植物纖維制品成本除了受原材料的影響外，生產能耗是植物纖維制品成本的重要決定因素。目前，植物纖維成型設備大多依經驗設定相關的參數，并沒有依生產對象作參數的優化，因此，有必要對生產過程工藝參數進行采集、分析，從而找到最優的工藝參數，又達到節能減排，增強企業產品的競爭力。本文依據企業的技術要求，從低成本、易擴展、易維護的角度出發，搭建了基于PROFI BUS現場總線的數據傳輸網絡，實現了工藝參數的采集、傳輸與設備控制。

1 生物質成型車間技術需求

1.1 參數采集與設備控制要求

植物纖維成型工藝主要工序有制漿、成型、切邊、碼垛等。其中制漿工序、成型工序對產品質量、產品成本有關鍵的影響，因此，需要對制漿工序和成型工序的有關參數進行采集、分析與優化，并對設備進行實時調整，需要采集的參數及需要控制的設備如圖1所示。

圖1 生物質成型技術要求

1.2 功能要求

（1）能耗的實時采顯示。以曲線的方式，實時顯示各設備的能耗數據。

（2）能耗統計。統計一定時間內各生產設備的能耗，結果以表格的方式導出，表格中應包涵采集日期、采集時長，設備名稱等。

（3）成型溫度實時顯示。以曲線和數值的方式，顯示成型過程中模板的溫度，當模板測試超過設定值時，自動報警。

（4）設備控制。根據需要，能實現手動和系統控制設備的啟、停，同時，能按生產要求，一鍵實現不同設備同時啟動和停止。

（5）實現產量的統計。實時顯示產量，并能存儲與導出。

2 PROFIBUS現場總線系統組建

現場總線類型的選擇與現場的設備、儀器儀表有很大的關系，在本方案中，按企業要求，采用西門子的PLC，總線類型采用西門子PLC自帶的類型為宜，以降低成本，同時也減少通信網絡的復雜程度。西門子PLC自帶的總線類型主要是PROFIBUS，因此系統采用PRO?FIBUS現場總線組網，可減少很多工作量，大大降低組網成本。PROFIBUS常用的有2種，分別是PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，PROFIBUS DP主要用在工廠自動化中，通過中央控制器控制從站的傳感器和執行器等；PROFIBUS PA主要用于過程控制，PROFIBUS DP比PROFIBUS PA的通訊速率較快，在工廠自動化改造中采用較多，但兩者使用相同的通訊協議，可接于同一網絡中。一般PROFIBUS DP因速率較快，常作為網絡主干。本文中，設備控制的要求主要是啟停，無防爆要求，從網絡的成本、維護等方面考慮，只采用PROFIBUS DP組網，不需要加入PROFIBUS PA，網絡的結構形式如圖2所示。用PLC作為主站，監控站（計算機）通過PLC的以太網口讀取PLC的數據，實現監控顯示、統計、數據存儲以及設備控制，6個電能表通過PROFIBUS DP接口直接掛在現場總線上，考慮到現場設備比較分散，為節約成本，采用了1個分布式I/O模塊ET200M，溫度、空氣流量、真空用量和液面高度的傳感器接入ET200M模塊，這樣的好處是這些傳感器的通訊方式則不需要具有PROFIBUS方式，擴大了傳感器選型范圍，大大節約了組網成本。

圖2 現場總線網絡結構

3 數據采集與設備控制方案

3.1 硬件選型

因要求系統有較好的擴展性和穩定性，網絡采用S7-400為主站，S7-400為中型PLC，該PLC為模塊式結構，機架、電源、CPU及I/O模塊均可按需要配置，有很大的靈活性。PLC的CPU選用412—2PN，該CPU有2個以太網口，1個DP接口，通過以太網口，可以與作為監控站的計算機連接，實現數據的存儲和生產過程的監控。通過DP接口與后面的電能表等傳感器連接，實現數據的采集，編程軟件為Step 7首先硬件組態，從節約成本的角度出發，傳感器均采用國內品牌，但國內品牌支持PROFIBUS通訊協議的不多，需要認真考慮通訊接品問題。電能表選用國內某品牌電能表，該品牌電能表廠家可提供GSD文件，在Step 7編程軟件中安裝好即可使用，國內品牌的測量溫度、流量、真空用量、液面高度等的傳感器很難找到支持PROFIBUS協議的品牌、文中采用了1個擴展模塊ET200M，采用該模塊解決了2個問題，一是PROFIBUS通訊問題，其可直接組態，非常方便；二是解決了因設備分散，傳感器分散導致傳輸線路過長，電纜成本過大的問題。PLC與計算機通過網口連接，設定好IP地址，即可編程和讀取數據，如圖3所示。

圖3 硬件組態

3.2 數據采集

溫度、流量、真空用量、液面高度傳感器輸出信號均為4～20 mA電流信號，用FC105功能塊讀取，如圖4所示。用電量直接通過485接口經PROFIBUS電纜傳輸到PLC，存入PLC位存儲器，然后按要求進一步處理，圖5所示。

圖4 空壓機流量采集

圖5 空壓機用電量采集

3.3 設備控制

車間需要根據生產情況決定設備的啟動和停止，在本系統中，主要是對制漿系統設備進行控制，當制漿量達到要求時，設備被遠程控制停止，當不足時，設備啟動。制漿系統設備主要包括疏解機、磨漿機、回水池、配漿池、濃漿池的電機和閥門，設備的電機的主線路已由廠家安裝調試好，因此，對電機啟停的控制只需對繼電器進行通、斷電的控制，制漿系統管路閥門為氣動閥，其開、關由電磁閥控制，因此，對閥門的開、關控制，只需對電磁閥的控制。因在數據采集中采用了1個ET200M，因此可在其上再掛上合適數量的數字量I/O模塊，通過I/O模塊，輸出高低電壓，控制電磁閥，實現閥 的 開 關；同 樣，通 過ET200M，輸出高低電壓，控制繼電器的開合，實現電機的啟停，制漿系統設備控制方案如圖6所示，地址分配如表1所示。

圖6 設備控制方案

表1 地址分配表

4 系統軟件編寫

用Wincc進行系統組態，Wicc是西門子公司推出的優秀的組態軟件，其集生產過程和自動化于一體，實現了兩者的無縫集成。計算機作為監控站，用網線把計算機與PLC連接，計算機既作為編程器，也作為監控器，系統軟件流程圖如圖7，系統界面如圖8所示。

圖7 系統流程

圖8 系統界面

5 現場應用

車間設備布置主要分制漿區域、成型區域和碼垛區域,如圖9所示。制漿區域主要有磨漿機、疏解機、配漿池、回水池及濃漿池，在這一域，主要采集各電機的用電量及電機、閥的控制；成型區域主要有真空機、空壓機、成型機、模溫機、切邊機等，這一區域主要是采集各設備的用電量、成型機模板溫度；碼垛區域主要有工業機器人、切邊機等，這一區域設備的用電量與成型區域共用一電能表，不需要單獨采集電能，目前暫不要求對設備進行單獨控制。設備控制界面如圖10所示，溫度采集界面如圖11所示。系統在現場測試應用，達到了預期功能，且能穩定運行。

圖9 生產現場

圖10 設備控制界面

圖11 溫度采集界面

6 結束語

本文以植物纖維成型車間為研究對象，根據生產過程和企業需求，從經濟、易擴展的角度出發，研制了基于PROFIBUS現場總線的數據采集與設備控制的系統，并通過現場應用，驗證了本文方案的可行性，結論總結如下。

（1）通過分析企業的技術需求，提出了基于PROFI?BUS現場總線的組網方案，采用分布式I/O擴展模塊，解決了設備分散的問題，減少了數據傳輸線的總長度，降低了成本，增加了系統的易維護性。

（2）基于Wincc組態軟件，編寫了系統軟件，實現了生產過程工藝參數的采集、監控、報警及相應設備的控制。

（3）系統有易操作性的特點，在數據采集方面，既可單獨采集和監控某一參數，也可全部參數采集，對參數的優化和分析提供了很大的便利性；在設備控制方面，既可單獨控制某個閥或電機，也可以一鍵控制，同時按生產要求，設計了4條設備集體控制，方便操作人員。