1 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,基于以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)(PC)、可編程控制器(PLC)、人機(jī)界面(HumanComputer Interface,HMI)、智能儀表的自動(dòng)化已成為現(xiàn)代工廠的技術(shù)支柱。與傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系相比,工業(yè)以太網(wǎng)具有通信速率高、成本低廉、資源共享能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢(shì)。
我國(guó)涂料行業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度相對(duì)落后,隨著涂料行業(yè)的技術(shù)改造和新建項(xiàng)目中計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,采用PLC控制取代了繼電器控制;工藝流程的人機(jī)界面動(dòng)態(tài)顯示取代了模擬顯示;PC機(jī)與以太網(wǎng)技術(shù)使整個(gè)生產(chǎn)線處于遠(yuǎn)程控制和管理下,從而徹底改變了傳統(tǒng)涂料行業(yè)生產(chǎn)的落后面貌。
本系統(tǒng)主要研究由PC、PLC和HMI組成的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在涂料生產(chǎn)線的應(yīng)用。從工藝流程的控制要求人手,對(duì)涂料生產(chǎn)線綜合分析,通過PLC編程實(shí)現(xiàn)基本控制要求,通過觸摸屏設(shè)計(jì)一套人性化、簡(jiǎn)單化的人機(jī)界面,再通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的“組態(tài)王6.53”組態(tài)軟件,設(shè)計(jì)了工藝流程圖顯示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、報(bào)表顯示、報(bào)警顯示等功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理。通過以太網(wǎng),管理者可以遠(yuǎn)程監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過程,定時(shí)查看生產(chǎn)數(shù)據(jù),從而最終滿足控制和管理要求。
2 工藝流程簡(jiǎn)介
涂料生產(chǎn)包括基料配對(duì)、配料、兌稀、包裝、入庫(kù)等環(huán)節(jié)?傮w工藝流程如圖1所示。涂料生產(chǎn)工藝流程是:將膠料和助劑混合,并進(jìn)行低速攪拌;將顏填料、助劑和水混合后進(jìn)行高速分散,必要時(shí)進(jìn)行研磨制成白漿;把白漿分批慢速加入到乳液中,形成初涂料;用增稠劑調(diào)整初涂料的粘稠度,用色漿調(diào)配初涂料的顏色及其深淺度,或再加入消泡劑即為乳膠漆成品,經(jīng)過濾、稱量、包裝、檢驗(yàn)合格后就可入庫(kù)或上市銷售。
圖1 總體工藝流程圖
3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)工藝流程和生產(chǎn)要求,涂料生產(chǎn)過程控制中最重要的是對(duì)各種物料進(jìn)出量實(shí)現(xiàn)精確控制。生產(chǎn)所用的物料都存放在物料罐中,每次用料量都很大。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制,無(wú)法直接采用重量傳感器來計(jì)量。而且從節(jié)約成本出發(fā),采用質(zhì)量流量計(jì)也不經(jīng)濟(jì)。因此,本系統(tǒng)中采用液位變送器檢測(cè)物料罐中物料液位的變化,利用罐的截面積得到進(jìn)出物料量的體積,再利用該物料的密度就可得到進(jìn)出物料的量。同時(shí),該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還要求具有以下功能:
(1)對(duì)整個(gè)工藝流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和控制;
(2)以組態(tài)王6.53web為技術(shù)平臺(tái),實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的監(jiān)控畫面;
(3)通過以太網(wǎng)通訊,實(shí)現(xiàn)不同樓層的人機(jī)界面資料共享以及生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);
(4)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制中具有多重安全措施;
(5)實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值班,控制室少人操作”的目標(biāo),減輕操作人員的工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度,并加強(qiáng)對(duì)操作人員的監(jiān)督和管理。
整個(gè)系統(tǒng)分為四層:現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、PLC控制站、上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.1現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)
現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)主要有兩部分功能:一是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)進(jìn)行手動(dòng)操作;二是現(xiàn)場(chǎng)的液位變送器與PLC連接,將物料量的變化信號(hào)傳送到PLC,PLC輸出控制泵,從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)出物料量的自動(dòng)控制。
3.2 PLC控制站
PLC控制站由可編程控制器、觸摸屏、配電器、中間繼電器和報(bào)警器等組成。
本系統(tǒng)中可編程控制器采用歐姆龍公司CPIH,主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相關(guān)模擬量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)狀態(tài)采集及輸出控制。觸摸屏采用威綸通公司的MT8000。觸摸屏與PLC配套使用,使得PLC的應(yīng)用更加靈活。觸摸屏可以設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、以動(dòng)畫等形式描繪生產(chǎn)過程,使得PLC的應(yīng)用可視化。采用RS232接口將觸摸屏與PLC通過通信電纜進(jìn)行連接。遠(yuǎn)程觸摸屏(HMI A)和本地觸摸屏(HMI B)通過以太網(wǎng)連接,二者均可顯示儀表數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài),都能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。
3.3上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
上位計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)既能完成系統(tǒng)的組態(tài)、調(diào)試,檢測(cè)參數(shù)的在線修正和控制參數(shù)的設(shè)置,又能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集,報(bào)表的生成和打印,異常信號(hào)的報(bào)警及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能。利用組態(tài)王6.53的web功能,上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)同時(shí)作為系統(tǒng)的web服務(wù)器,組態(tài)王工程可通過web服務(wù)器完成web發(fā)布。
3.4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)指廠長(zhǎng)室通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)PC相連,操作人員可以隨時(shí)隨地通過以太網(wǎng)和IE瀏覽器實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖3所示。PLC控制分手動(dòng)、自動(dòng)控制兩種,系統(tǒng)一般使用自動(dòng)控制,手動(dòng)控制主要在系統(tǒng)檢修或參數(shù)調(diào)試時(shí)使用,F(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制是由用戶在現(xiàn)場(chǎng)通過手動(dòng)操作按鈕決定各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出狀態(tài),現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制具有比PLC控制更高的優(yōu)先權(quán)。
從生產(chǎn)安全角度考慮,PLC控制系統(tǒng)中采用三重保護(hù)措施:
(1)低限即停。在自動(dòng)狀態(tài)下出料時(shí),物料罐內(nèi)現(xiàn)有物料量低于150 kg后電機(jī)會(huì)立即停止,以防罐內(nèi)料位低于變送器測(cè)量口,造成變送器無(wú)法測(cè)量物料變化而引起失控。
(2)出料量長(zhǎng)時(shí)間不變即停。在自動(dòng)狀態(tài)下出料時(shí),如果出料量在10 s內(nèi)無(wú)變化,說明變送器無(wú)法正常檢測(cè)物料變化,此時(shí)電機(jī)會(huì)立即停止。
(3)緊急停車。在自動(dòng)狀態(tài)下出料時(shí),如需立即中斷出料可點(diǎn)擊觸摸屏上的“緊急停車”按鈕,此時(shí)電機(jī)會(huì)立即停止。
圖3 PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖
4.2觸摸屏設(shè)計(jì)
4.2.1觸摸屏參數(shù)設(shè)置
本地觸摸屏HMI B與PLC通過串口通信,通訊參數(shù)設(shè)置必須一致。本系統(tǒng)中將“波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、停止位、奇偶校驗(yàn)”設(shè)置為“19 200、7、2、E”。
遠(yuǎn)程觸摸屏HMI A通過以太網(wǎng)與本地觸摸屏HMI B通信。以太網(wǎng)連接的方式有兩種:一種是使用平行網(wǎng)絡(luò)線,搭配集線器使用;另一種是使用跳接網(wǎng)絡(luò)線,不需使用集線器,這種方式只限使用在一對(duì)一聯(lián)機(jī)的情況下(HMI A對(duì)HMI B)。本系統(tǒng)采用第二種連接方式。兩臺(tái)HMl分別設(shè)置好局域網(wǎng)IP地址。為了兩臺(tái)HMI通訊成功,還需引入主、從機(jī)概念。主機(jī)外接PLC,從機(jī)通過主機(jī)連接PLC(遠(yuǎn)端)。
4.2.2觸摸屏畫面設(shè)計(jì)
根據(jù)生產(chǎn)監(jiān)控要求,共設(shè)計(jì)了登錄畫面、主畫面、斜率修正和基準(zhǔn)修正畫面、出料設(shè)置畫面、報(bào)警記錄畫面和工況數(shù)據(jù)畫面等幾個(gè)主要界面,F(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化都可以在觸摸屏上顯示,并可以通過觸摸屏對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和監(jiān)控。
(1)登錄畫面。系統(tǒng)設(shè)定操作員、管理員兩個(gè)不同用戶,登錄界面需要用戶名和密碼,根據(jù)不用的用戶可以預(yù)先設(shè)置不同的操作權(quán)限。
(2)斜率修正和基準(zhǔn)修正畫面。基準(zhǔn)修正是用于修正每次出料時(shí)出現(xiàn)的固定偏差;斜率修正是用來修正由于溫度變化或者更換物料引起的物料密度變化。隨著環(huán)境溫度的變化、物料的改變,出料精度會(huì)受到影響,操作者可以通過微調(diào)參數(shù),修正提高出料精度。此功能只有管理員具備。
(3)出料設(shè)置畫面。操作員在出料設(shè)置中不能自行設(shè)置出料,而是由管理員預(yù)先在觸摸屏上或通過上位計(jì)算機(jī)設(shè)置好出料量,供操作員選擇出料。通過此方式,管理員可控制操作員生產(chǎn)時(shí)過量使用原料,從而有效降低成本。
4.3上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。軟件設(shè)計(jì)主要包括:主畫面、柱狀圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄查詢、參數(shù)設(shè)置、web發(fā)布等。
遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)兩種模式。C/S模式由客戶端和服務(wù)器組成,服務(wù)器具有數(shù)據(jù)采集、控制和與客戶端通信的功能,客戶端則包括與服務(wù)器通信和用戶界面模塊。C/S模式需要安裝客戶端軟件,對(duì)客戶端的性能要求較高,使用和維護(hù)不便。B/s模式由瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成,B/S模式基于標(biāo)準(zhǔn)的Hn’P和TCW IP開放性協(xié)議,開發(fā)和維護(hù)完全集中在服務(wù)器端,減輕客戶端的負(fù)擔(dān),而且客戶端只配置瀏覽器,具有良好的擴(kuò)展能力和跨平臺(tái)性舊o。對(duì)B/s模式和C/S模式進(jìn)行比較,B/S模式要優(yōu)于C/S模式。組態(tài)王的Web發(fā)布功能采用B/S模式,可以實(shí)現(xiàn)畫面發(fā)布和數(shù)據(jù)發(fā)布。用于Web發(fā)布的計(jì)算機(jī)(Web站)要安裝并綁定TCP/IP協(xié)議,本系統(tǒng)中上位計(jì)算機(jī)既是控制站,又是Web服務(wù)站。
圖4上位機(jī)監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)圖
4.4網(wǎng)絡(luò)瀏覽
在進(jìn)行IE訪問時(shí),需要知道被訪問程序的端口號(hào),默認(rèn)為80。
遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)(客戶端)也要安裝有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,且上位計(jì)算機(jī)已發(fā)布工程,發(fā)布的工程正處于運(yùn)行狀態(tài),否則客戶端無(wú)法登錄。在網(wǎng)絡(luò)正常的前提下,客戶端打開Intemet Explorer瀏覽器,在地址欄中按以下格式輸入地址:http://發(fā)布站點(diǎn)機(jī)器名(或IP地址):組態(tài)王Web定義端口號(hào),按下回車鍵即可彈出用戶登錄對(duì)話框,輸入用戶名和口令后,會(huì)彈出發(fā)布的Web組、點(diǎn)擊Web組進(jìn)入相應(yīng)的畫面,即可進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)監(jiān)控。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了涂料生產(chǎn)中原料投放的自動(dòng)控制、操作人員的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的記錄、報(bào)警等功能,既保證了生產(chǎn)的安全性和高效性,又降低了操作管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí),通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了全廠集中管理和監(jiān)控。該系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用,控制效果理想。
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本文標(biāo)題:一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的涂料生產(chǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)
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