基于PLC的母粒生产厂设备工业互联网系统改造

2022-03-15汤晨宇

机械工程与自动化 2022年1期

汤晨宇

(江苏帕特纳实业发展有限公司南通分公司，江苏南通 226000)

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由于近年来科学技术的飞速发展，工业设备的更迭周期大大缩短，一些数年前的设备已无法满足当今智能制造大环境的要求，因此，本项目为了使某母粒生产厂老旧设备能够与其公司的制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)连接，对其公司内的五十余台各类设备进行了相关的工业互联网系统设计和改造，使这些设备能够自动采集各项所需要的数据，并通过工业互联网储存到专用的SQL数据库中，同时MES系统通过OPC UA与组态软件和SQL数据库进行数据对接。

1 母粒生产厂设备工业互联网系统改造的总体设计

首先，根据客户的需求和现场设备的实际情况，考虑对相关生产设备进行了一些改造设计，以达到数据采集的条件。

其次，对设备的数据采集进行方案设计。由于需从智能电表、变频器、温控器、接触器、热电偶等各种电气设备、元件上采集多种数据，同时考虑到成本等因素，最终选择了可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)作为设备端的数据收集元件。

接着，对组态软件与设备端通讯进行方案设计。由于该项目是在一个厂区内，占地面积并不算大，因此，综合考虑通讯速度、稳定性、可靠性、容量以及相关成本等因素，最终决定采用工业以太网来贯通全场。

最后，是对系统整体数据收集的方案设计。经过对系统的信息处理和传输的计算，且考虑到系统的预算、技术、性价比等方面的因素，最终选择了组态软件作为系统的数据收集中心。

在PLC与其下位机的通讯选择上，由于所需要采集的设备和元件种类繁多，因此为了能够最大限度地直接采集各项数据，对各设备进行了细致的调研和分析，最终确定采用RS-485通讯。对于PLC与其上位机组态软件的通讯方式，经考量后决定采用工业互联网中较常用的Modbus TCP通讯协议。该通讯协议具有兼容性高、共享能力强、数据传输速率高、传输距离长、成本低、易组网和接口应用广泛等优点。生产设备工业互联网系统框架如图1所示。

图1 生产设备工业互联网系统框架

2 母粒生产厂设备工业互联网系统改造的硬件选型与设计

2.1 系统的硬件选型

2.1.1 PLC及扩展模块选型

根据系统对PLC的要求，特别是对通讯方面的要求，经过多方对比，最终选择了台达DVP-SE系列DVP12SE11R继电器型PLC。

对于单台挤出机十多路的温度数据采集需求，为了减少安装周期，降低相应的成本，最终决定在原有的温控器基础上将其热电偶并联起来，并选用了与DVP-12SE适配的温度测量模块DVP04TC-S。

2.1.2 智能电表选型

由于大多数设备均需采集能耗及主机电流，而现场设备均没有相关数据采集的仪器仪表，因此需添加相应的智能电表来采集相关数据。经过对比，最终选择了台达DPM-D系列DPM-D520I型智能电表。同时为方便施工，选择了与DPM-D系列配套的DCT-S211C型开口电流互感器。

2.1.3 温控器选型

对于结晶机和烘箱上的几台温控仪表，由于其无法满足通讯和数据传输要求，因此决定将其替换。经过多方对比，决定采用台达同等规格尺寸的DT3系列DT320RA-0200、DT340RA-0200、DT360RA-0200型温度控制器。

2.1.4 其他元件选型

除以上几种硬件外，本系统还采用了工业交换机、工业无线AP、工业计算机、开关电源等硬件。

工业交换机选用台达DVS系列工业级非网管型以太网络交换机；工业无线AP采用台达DVW-W02W2型工业级无线AP；工业计算机选择了台达IPC系列DIAVH-IPC005型工业计算机；开关电源选择台达DVP系列与PLC搭配的DVP-PS系列电源模组。

2.2 电气控制柜设计

现场控制柜共分为两种，一种是数据采集柜，另一种是交换机柜，所有箱体规格统一为长600 mm、宽350 mm、深200 mm。

采集柜的命名采用车间名加序号的方式，如A1，A2，…；B1，B2，…；后1，后2，…。每台采集柜内的基本硬件配置一致，后期再根据现场的实际情况进行更改，如挤出机的采集柜增加了3个台达DVP-04TC-S型温度测量模块等。

交换机柜共有3台，A车间、B车间、后整理车间各一台。交换机柜负责汇集整个车间的工业以太网并汇集到B车间，最后接入服务器。

3 系统的程序及软硬件应用设计

3.1 PLC程序的设计

台达DVP系列PLC的编程软件选用了WPLSoft软件，可以进行梯形图编程、SFC编程和指令编程。本设计采用了梯形图编程。

3.1.1 PLC通讯程序设计

系统PLC程序设计的最主要部分是RS-485通讯程序的编写。由于现场设备数量较多，且各设备工况、状态等参差不齐，导致各台PLC程序的规整度也不相同，因此本文以较为规整的B5控制柜PLC程序设计为例进行介绍。

(1)对PLC的D1120特殊数据寄存器COM2 (RS-485)通讯格式进行设定，将通讯格式9600,8，N，1转换为H81写入特D1120；设置通讯逾时时间为200 ms，写入特D1129中；设置通讯模式特M1143特殊辅助继电器COM2(RS-485)的ASCII/RTU 模式为RTU模式(Off 时为ASCII 模式，On 时为RTU 模式)；置位特M1120使COM2(RS-485)通讯格式保持，设置后变更D1120无效。通讯格式设置程序如图2所示。

图2 通讯格式设置程序

(2)当通讯格式设置完成之后就进入通讯轮训程序，通过对特M1127：COM2(RS-485)通讯指令数据传送接收完毕、特M1129：COM2(RS-485)接收逾时、特M1140：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW数据接收错误、特M1141：COM2(RS-485)MODRD /MODWR /MODRW指令参数错误等特殊辅助继电器的上升沿来触发通讯轮训切换的同时复位相关的特殊辅助继电器。每一次的通讯轮训切换都会使通讯轮训切换计数器C0加1，每次的C0改变都会触发一步通讯，使得每一步的通讯依次有序地进行，直至所有通讯完成后C0清零，进行循环。

(3)通讯读取选择MODRW：MODBUS读写数据指令，其功能码设定为H3。读取多笔字符(Word)装置，其回传的数据会被储存在S操作数开始连续的寄存器中，并且自动将转换后的16进位数据储存在D1296～D1311。该RS-485通讯网络中智能电表D520I站号为1，挤出变频器站号为2，搅拌变频器站号为3。通讯读取程序如图3所示。

图3 通讯读取程序

3.1.2 PLC与温度测量模块的数据读写程序设计

在挤出机的数据采集中还需要PLC从其扩展的温度测量模块中读取出温度数据，因此就需要编写相应的程序来读取数据。在台达DVP系列PLC的编程中采用“FROM/TO”指令来“读取/写入”相应扩展模块控制寄存器(CR)中的数据。首先通过“TO”指令将相应的值写入#1CR寄存器中用来设定温度测量模块各通道采集的热电偶型式，之后通过“FROM”指令来读取温度测量模块上各通道的测量摄氏温度平均值及扩展模块错误状态。温度测量模块数据读写程序如图4所示。

图4 温度测量模块数据读写程序

3.1.3 PLC采集数据的初步运算程序设计

为了使不同设备的同类数据采用同一格式、标准、单位等，同时为了降低系统端的运算负荷，提高数据传输的高效性，决定在PLC端进行相关数据的初步运算，将数据转换为同一格式、标准、单位后再进行传输。

一般来说PLC寄存器很难直接储存有小数位的数据，如变频器频率“50.00 Hz”,PLC读取出来的数据则为“5 000”;温度测量模块采集的温度“36.5 ℃”,PLC读取出来则为“365”，因此需要进行一定的运算才能得到所需要的准确的数据。为了方便运算并降低不必要的数据误差，于是决定采用浮点数运算，将相应的整数转换为浮点数后再进行相应的运算，最后直接以浮点数的形式进行传输。变频器频率运算程序如图5所示。

图5 变频器频率运算程序

3.2 硬件的应用设计

D520I智能电表是该系统中比较重要的采集设备，但其并非拿起来就能用的，需要用DPMSoft对其进行相应的应用配置。DPMSoft软件界面如图6所示。

当连接上D520I智能电表后需要对其CT电流互感器的一次侧和二次侧参数、RS-485通讯站号以及通讯格式进行修改。根据DCT-S211C电流互感器的参数，需要将D520I智能电表的CT一次侧设定为200 A、二次侧设定为5 A。RS-485的通讯站号及通讯格式需要按照前期的站号分配及格式安排来设定，如B15号柜负责采集的6#高混机的通讯格式为：“3号站、RTU通讯模式、9600,8,N，1”。