基於PROFIBUS總線的渦輪增壓器生產線數據採集系統介紹

1 引言

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　　現場總線是信息技術、網絡技術的發展在控制領域的體現，是自動化技術發展的熱點之一。因其具有數位化、開放性、分散性以及對現場環境的適應性等特點而獲得了非常廣泛的應用。目前，已逐漸成熟並對工業自動化進程形成影響的主要有PROFIBUS，HART，LONWORKS，FF等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現場總線技術之一，其產品廣泛應用於工業、電力、能源、交通等自動化領域。PROFIBUS是德國於90年代初制訂的國家工業現場總線協議標準,代號DIN19245。它是一種國際化的開放式現場總線標準,即EN50170歐洲現場總線標準。該標準為供應商和用戶的投資提供了最佳的保護並確保供應商的獨立自主性。PROFIBUS具體規定了串行現場總線的技術和功能特性,它可使分散式數位化控制器從現場底層到車間及網絡化。PROFIBUS分為主設備(主站)和從設備(從站)。主站決定總線上的數據通信。當主站得到總線控制權時,不用外界請求就可以主動發送信息。從站為外圍設備,典型的從站包括:輸入/輸出裝置、閥門、驅動器和測量變送器。它們沒有總線控制權,僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。

　　2 方案分析

　　渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過廢氣壓縮進入空氣來增加進氣量。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率。由於渦輪增壓器安裝在發動機的進排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運轉的工作狀況下，其工作環境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對增壓器的裝配技術要求很高。其中對壓氣端間隙、渦端間隙、軸向間隙、整體動平衡、整機檢漏和放氣閥開啟壓力和位移幾個參數的誤差要求控制在十幾個甚至幾個絲之內。如用傳統的電氣儀表難以達到精度要求，同時抗幹擾能力差;而且讓工人手工記錄並判斷是否在誤差範圍之內，將大大降低工作效率。這正給Profibus現場總線提供了用武之地。Profibus 將底層檢測設備組成網絡，實現多點數字通信，同時和上位機組成網絡，為上位機提供數據支持;上位機將誤差範圍作為各個工位的工藝參數下載到各個工位，同時將數據放入指定的資料庫中，供各種查詢和技術分析之用。下面是某增壓器廠的裝配線數據採集系統。

　　3 系統結構

　　根據現場情況,我們採用西門子公司S7-400型承擔信號採集工作,又根據現場將要採集的信號位置分散的特點,採用了西門子公司Profibus現場總線中的遠程I/O即DP技術。各傳感器信號就近接入Profibus子站,這樣可以最大限度的減少現場接線工作,並且因為走線距離短,可以減少信號衰減和各種幹擾對信號的影響。

　　系統的主幹網絡採用Profibus網絡, Profibus現場總線網絡共有三種協議方式,分別為FMS,DP和PA。我們本次應用的為DP方式。DP網絡結構為主從結構,一條DP網可包含一個主站和最多126個從站, 網絡傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網絡傳輸速率達到12Mbit/S 時其傳輸距離最長為100米。

　　3.1 系統網絡選型

　　考慮到上位機和上位機、上位機和主PLC、主PLC和從PLC進行信息交換，整個網絡系統由三層組成：

　　管理網絡(MIS)：採用基於TCP/IP的乙太網，上位機和上位機之間的連接。

　　MPI網絡：採用通訊處理卡將主PLC和上位機相連。

　　DP網絡：這是最底層的網絡，將分散的數據採集站點連接起來，即主PLC和從PLC、觸控螢幕之間的連接。

　　拓撲結構：現場的伺服器是連接乙太網和工控網的橋梁，它通過3COM交換機與乙太網連接。

　　

　　圖1 系統的網絡結構圖

　　整個監控系統的網絡結構如圖1所示。
3.2 上位機

　　採用HP ML350伺服器和研華工控機作上位機，通過CP5613通訊卡使伺服器與CPU412-2 相連，這樣PC與現場總線就連接成能完成組態、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統。HP伺服器監控軟體採用SIEMENS公司WINCC軟體，可實現生產任務的下達和結束、將生產數據存入指定的資料庫中、下線處理和設備故障清除。研華工控機採用自主開發的生產管理系統，主要完成產品清單、產品工藝、工單和工單工藝定製，並完成生產任務指令的下達，將工單工藝下載到TP270觸控螢幕上，而且可以對生產數據進行查詢，並生成相應的報表，Execel。

　　3.3 SIMATIC S7主站

　　作為DP主站，CPU位於控制中心。本系統選用CPU412-2模塊化PLC，它集成了PROFIBUS-DP現場總線接口裝置，具有強大的處理能力(具有0.3ms處理1024語句的速度)。根據程序內容讀取總線上的所有I/O模塊的輸入輸出量並讀取CP340內字節數大於4的條碼放到相應的DB塊中。

　　3.4 從站(Slave A，B)

　　從站A包括2個EM277帶CPU226和1個IM153-2帶CP340。CPU226主要完成生產數據的採集並監製專機檢測設備的運行;CP340從條碼槍讀入條碼。

　　從站B包括12個西門子TP270-10觸控螢幕。為數據採集、數據存入、下線處理和故障消息組態友好的人機互動界面，儘可能減少操作人員的軟故障,及時向操作工反映通訊故障。

　　4 軟體組態

　　STEP7組態：網絡配置分為軟體配置和硬體配置兩部分,軟體部分通過STEP7編程軟體對S7-400 CPU412-2DP進行配置包括通訊速率,子站數量及站地址等。當軟體配置完成後,各接入的監控信號在CPU中的對應地址將會自動生成。硬體配置主要是將ET200M子站的接口模塊IM153-2上的地址撥碼開關設置成與軟體設置相同。因為是用CP340做從站讀入條碼槍的條碼,因此CP340必須選擇ASCII協議,還必須對此協議的起始終止位和奇偶較驗等參數進行設置，並對CP340進行驅動程序下載。硬體組態如圖2所示。

　　

　　圖2 硬體組態