基于PROFIBUS的植物纤维模塑成型监控系统设计*

2021-10-25黄晨华李湘勤谢家耀林雄界刘润南张广松董海坚周运岐

机电工程技术 2021年9期

黄晨华，李湘勤，谢家耀，林雄界，刘润南，张广松，董海坚，周运岐

（1.韶关学院智能工程学院，广东韶关512400；2.韶关市宏乾智能装备科技有限公司，广东韶关512400）

0 引言

现场总线是一种把工业现场设备、仪器仪表等组成网络，设备间或设备与仪表之间实现数字通信技术。常用的现场总线有PROFIBUS、Foundation Fieldbus、CAN、CC-Link、LonWorks、Modbus、DeviceNet等。搭建现场总线以实现企业生产工艺数据传输，是实现智能制造的重要前提，因此，现场总线是当今自动化领域技术研究的热点之一[1]。罗侃等[2]在铅锌冶炼厂烟气制酸项目中运用基金会现场总线（FF），研制了烟气制酸系统，相对其它方案，其线缆长度、安装费用都大大降低，彭俊超[3]、刘文灿等[4]运用类似的方案，在项目中均到得了很好的效果；陈伟才[5]在汽车变速器装配线中，搭建了PROFIBUS网络，实现了设备的集中控制；唐敏[6]基于PROFIBUS现场总线，研制了一种温室监控系统，以满足农作物对温室参数的需要，冯玉爽等[7]在自动化生产线中采用JPROFIBUS-DP技术，有效提高了生产系统的稳定性；余国虎[8]在船舶机舱自动化系统中运用了CAN总线技术，实现了主机监控、船舶电站管理等功能；熊邦宏[9]基于PROFINET总线，研制了一种配料搅拌装置的控制系统。

综上所述，现场总线技术在生产实践中越来越广泛地应用，随着国家对环保要求越来越高，用植物纤维如纸浆等成型日常用的餐具、包装盒等取代相应的塑料制品，已成为一种趋势。越来越多的企业从事植物纤维制品成型。植物纤维制品成本除了受原材料的影响外，生产能耗是植物纤维制品成本的重要决定因素。目前，植物纤维成型设备大多依经验设定相关的参数，并没有依生产对象作参数的优化，因此，有必要对生产过程工艺参数进行采集、分析，从而找到最优的工艺参数，又达到节能减排，增强企业产品的竞争力。本文依据企业的技术要求，从低成本、易扩展、易维护的角度出发，搭建了基于PROFI BUS现场总线的数据传输网络，实现了工艺参数的采集、传输与设备控制。

1 生物质成型车间技术需求

1.1 参数采集与设备控制要求

植物纤维成型工艺主要工序有制浆、成型、切边、码垛等。其中制浆工序、成型工序对产品质量、产品成本有关键的影响，因此，需要对制浆工序和成型工序的有关参数进行采集、分析与优化，并对设备进行实时调整，需要采集的参数及需要控制的设备如图1所示。

图1 生物质成型技术要求

1.2 功能要求

（1）能耗的实时采显示。以曲线的方式，实时显示各设备的能耗数据。

（2）能耗统计。统计一定时间内各生产设备的能耗，结果以表格的方式导出，表格中应包涵采集日期、采集时长，设备名称等。

（3）成型温度实时显示。以曲线和数值的方式，显示成型过程中模板的温度，当模板测试超过设定值时，自动报警。

（4）设备控制。根据需要，能实现手动和系统控制设备的启、停，同时，能按生产要求，一键实现不同设备同时启动和停止。

（5）实现产量的统计。实时显示产量，并能存储与导出。

2 PROFIBUS现场总线系统组建

现场总线类型的选择与现场的设备、仪器仪表有很大的关系，在本方案中，按企业要求，采用西门子的PLC，总线类型采用西门子PLC自带的类型为宜，以降低成本，同时也减少通信网络的复杂程度。西门子PLC自带的总线类型主要是PROFIBUS，因此系统采用PRO⁃FIBUS现场总线组网，可减少很多工作量，大大降低组网成本。PROFIBUS常用的有2种，分别是PROFIBUS DP和PROFIBUS PA，PROFIBUS DP主要用在工厂自动化中，通过中央控制器控制从站的传感器和执行器等；PROFIBUS PA主要用于过程控制，PROFIBUS DP比PROFIBUS PA的通讯速率较快，在工厂自动化改造中采用较多，但两者使用相同的通讯协议，可接于同一网络中。一般PROFIBUS DP因速率较快，常作为网络主干。本文中，设备控制的要求主要是启停，无防爆要求，从网络的成本、维护等方面考虑，只采用PROFIBUS DP组网，不需要加入PROFIBUS PA，网络的结构形式如图2所示。用PLC作为主站，监控站（计算机）通过PLC的以太网口读取PLC的数据，实现监控显示、统计、数据存储以及设备控制，6个电能表通过PROFIBUS DP接口直接挂在现场总线上，考虑到现场设备比较分散，为节约成本，采用了1个分布式I/O模块ET200M，温度、空气流量、真空用量和液面高度的传感器接入ET200M模块，这样的好处是这些传感器的通讯方式则不需要具有PROFIBUS方式，扩大了传感器选型范围，大大节约了组网成本。

图2 现场总线网络结构

3 数据采集与设备控制方案

3.1 硬件选型

因要求系统有较好的扩展性和稳定性，网络采用S7-400为主站，S7-400为中型PLC，该PLC为模块式结构，机架、电源、CPU及I/O模块均可按需要配置，有很大的灵活性。PLC的CPU选用412—2PN，该CPU有2个以太网口，1个DP接口，通过以太网口，可以与作为监控站的计算机连接，实现数据的存储和生产过程的监控。通过DP接口与后面的电能表等传感器连接，实现数据的采集，编程软件为Step 7首先硬件组态，从节约成本的角度出发，传感器均采用国内品牌，但国内品牌支持PROFIBUS通讯协议的不多，需要认真考虑通讯接品问题。电能表选用国内某品牌电能表，该品牌电能表厂家可提供GSD文件，在Step 7编程软件中安装好即可使用，国内品牌的测量温度、流量、真空用量、液面高度等的传感器很难找到支持PROFIBUS协议的品牌、文中采用了1个扩展模块ET200M，采用该模块解决了2个问题，一是PROFIBUS通讯问题，其可直接组态，非常方便；二是解决了因设备分散，传感器分散导致传输线路过长，电缆成本过大的问题。PLC与计算机通过网口连接，设定好IP地址，即可编程和读取数据，如图3所示。

图3 硬件组态

3.2 数据采集

温度、流量、真空用量、液面高度传感器输出信号均为4～20 mA电流信号，用FC105功能块读取，如图4所示。用电量直接通过485接口经PROFIBUS电缆传输到PLC，存入PLC位存储器，然后按要求进一步处理，图5所示。

图4 空压机流量采集

图5 空压机用电量采集

3.3 设备控制

车间需要根据生产情况决定设备的启动和停止，在本系统中，主要是对制浆系统设备进行控制，当制浆量达到要求时，设备被远程控制停止，当不足时，设备启动。制浆系统设备主要包括疏解机、磨浆机、回水池、配浆池、浓浆池的电机和阀门，设备的电机的主线路已由厂家安装调试好，因此，对电机启停的控制只需对继电器进行通、断电的控制，制浆系统管路阀门为气动阀，其开、关由电磁阀控制，因此，对阀门的开、关控制，只需对电磁阀的控制。因在数据采集中采用了1个ET200M，因此可在其上再挂上合适数量的数字量I/O模块，通过I/O模块，输出高低电压，控制电磁阀，实现阀的开关；同样，通过ET200M，输出高低电压，控制继电器的开合，实现电机的启停，制浆系统设备控制方案如图6所示，地址分配如表1所示。

图6 设备控制方案

表1 地址分配表

4 系统软件编写

用Wincc进行系统组态，Wicc是西门子公司推出的优秀的组态软件，其集生产过程和自动化于一体，实现了两者的无缝集成。计算机作为监控站，用网线把计算机与PLC连接，计算机既作为编程器，也作为监控器，系统软件流程图如图7，系统界面如图8所示。

图7 系统流程

图8 系统界面

5 现场应用

车间设备布置主要分制浆区域、成型区域和码垛区域,如图9所示。制浆区域主要有磨浆机、疏解机、配浆池、回水池及浓浆池，在这一域，主要采集各电机的用电量及电机、阀的控制；成型区域主要有真空机、空压机、成型机、模温机、切边机等，这一区域主要是采集各设备的用电量、成型机模板温度；码垛区域主要有工业机器人、切边机等，这一区域设备的用电量与成型区域共用一电能表，不需要单独采集电能，目前暂不要求对设备进行单独控制。设备控制界面如图10所示，温度采集界面如图11所示。系统在现场测试应用，达到了预期功能，且能稳定运行。