基於泓格I-7188的分散式塑膠機監控系統的設計與實施

隨著現代工廠信息自動化進程的加快，企業急需要將管理、決策、市場信息和現場控制信息結合起來，實現ERP、MES、PCS三層信息一體化的解決方案。同時，企業內、外部交換信息的需求也在不斷擴大，現代工業企業對生產的管理要求不斷提高，這種要求已不局限於通常意義上的對生產現場狀態的監視和控制，同時還要求把現場信息和管理信息結合起來，建立一套全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平台，通過對經營決策、管理、計劃、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統。在PCS層中，只有具有Web功能的SCADA系統，才能滿足企業信息自動化信息平台的要求，它使採集和監控的數據得以開放，能被更多的管理系統、控制系統和使用者所訪問。武漢泓華電線廠是一家合資企業，專門生產油田、礦山用的塑膠電線，共有Φ20～Φ80mm的塑膠機6台和3台小型成纜機。塑膠機的功能是將塑料熔化並擠制在電線上，工藝要求：擠制在電線上的塑料厚度必須均勻，電線的收\放由牽引電機一台、放線電機一台、張力電機一台控制，見示意圖1。由於塑膠機的轉速一定，擠出的熱塑料量一定，因此只需調節牽引電機、放線電機、張力電機的轉速，便可調整擠制在電線上塑料厚度。而在電線廠往往由於牽引電機、放線電機、張力電機相互配合不當，導致塑料厚度不均勻，造成的廢品和次品較多，為了提高其工藝執行效率，同時便於工廠對生產能實時在線控制，同時能將控制信息與生產信息無縫連接到工廠的管理系統MIS中去，我們採用了泓格的嵌入式網路通信微控制器I-7188EAD和I\O擴展控制器I-87K4模塊，構成了一基於工業Ethernet的分散式控制系統，取得了較好的經濟效益。I-7188微控制器本身是一個含有80188\40M主頻CPU的PC機，其分別有256K-512K的FLASH ROM和SRAM，內置量身定做了比ROMDOS執行效率更高的MINIOS7操作系統（為泓格專利），且含有一個與NE2000兼容的10M 的工業Ethernet介面及多種串列通信口，可以說是是真正意義上的帶Ethernet介面的新一代嵌入式網路控制器，正好滿足了我們基於Web的SCADA的需要。（系統也可選用I-8431嵌入式控制器，但由於塑膠機組比較分散、控制點數較少，為節約系統資源以及HUB資源，減少數據傳輸的瓶頸效應，我們選用了I－7188與I－87K4結合的方法）2 系統設計為真正實現具有Web功能的SCADA以及將生產工藝控制參數無縫連接到廠級Intranet的MIS系統中，在設計中，車間級Intranet主要由車間Web伺服器（用於外部Ethernet連接以及與班組網路連接）、車間生產計劃伺服器（用於生產計劃、調度、報表統計等）以及車間控制伺服器（車間生產控制流程、生產工藝控制、設備實時監控等）組成，與外部連接採用光纖通信介質，I-7188與車間數據交換機HUB之間採用10M Ethernet連接。在塑膠機組控制過程中，考慮到設備的實時控制要求，採用了匯流排式連接方式的I-87K4控制器為前端現地信號處理器，同時每三台塑膠機構成一個小型RS-485網，再通過I-7188數據網關與交換機相連，目的是能較為實時地控制各生產設備的運行，降低數據的瓶頸效應，另外，Ethernet採用的CSMA\CD的通信方式，數據通信控制存在某種不確定性，不利於控制。生產車間的基於Web 的SCADA系統結構圖見圖2所示。各個現地控制單元I-87K4的控制與通訊由I-7188模塊完成，它用來與各採集模塊通訊，並對採集到的數據進行處理，同時處理參數的顯示和用戶鍵盤輸入的處理。同時I-7188還用來與控制中心的工藝控制計算機主機通訊，實現中央監控，通訊採用X.28協議。2.1 數據網關控制器I-7188在車間班組級SCADA設計中，重點需考慮苛刻的工業現場環境、穩定性以及電磁兼容等問題，同時還要避免操作人員非工作時間使用計算機而造成的不必要的麻煩。為此，選用了泓格公司的具有PC功能的工業級嵌入式數據網關－I-7188，它集計算機、通信、控制於一體，同時具有防塵、抗震、抗衝擊等特性，能滿足苛刻工業現場要求。是一款真正的具有「網路就是控制器」概念的工業級嵌入式網路控制器。它使網路實現了從現場控制單元到Internet 、Intranet，管理層的直接通信。
由於I-7188嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系統，它與MS-DOS以及ROM-DOS兼容，與ROM-DOS相比，MiniOS7更適合於嵌入式應用，如更短的加電啟動時間，內置硬體診斷功能等，因此I-7188控制器可編程獨立運行。同時，它具有獨特的雙看門狗安全設計，即軟體看門狗和硬體看門狗組成，萬一主控計算機當機，所有的輸出模塊就進入預設的安全狀態，符合工業的安全要求。RS-485通訊網路如因故障或斷線，主控計算機和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟體看門狗。軟體看門狗的設計非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統安全性。在本系統中，塑膠機需要控制的I\O點數不多，且工業環境比較惡劣，控制功能比較容易實現，I－7188正好滿足我們所需的所有條件。因此，可以說I-7188特別適合於小型的嵌入式機電控制系統。2.2 I-87K4I-8000用於擴充輸入\輸出模塊的數量，每一個擴展單元包括一個電源和一個底板。底板上帶4個串列輸入\輸出擴展槽。每個擴展單元均具有115.2K的RS-485匯流排，用於與主控單元通訊，是一種模塊化的、基於網路的小型控制系統。它即可通過本機的匯流排連接 I\O，也可通過I\O擴展或網路擴展去連接I\O。是智能型分散式數據採集前端產品的理想選擇，而與之相連的I-7188 可運行標準的SCADA軟體包。在本系統中，為了與I-7188EAD配合使用，我們選用了有4個擴展I\O功能的基本型I-87K4。2.3 現地控制單元I-87K4的配置2.3.1 I-87K4的特性* COM2為RS-485，最大115.2K bps，且與16C550兼容，16位元組FIFO* 可直接驅動256個I-7000模塊* 最大距離4000英尺(1.2Km)* 隔離電壓2500VDC* 輸入\輸出擴展槽支持串列輸入\輸出模塊2.3.2 擴展I\O模塊* 數據採集模塊：I-87017。主要用於：1）實時採集三個電機處導線的力矩變送器的輸出張力信號，用以控制確定各個電機的轉速使之相互協同工作，使電線的張力達到平衡；（需三路）2）實時採集塑膠機擠制塑料后冷卻水的溫度，以使冷卻水的溫度達到恆定；（三路）其特性為：模擬輸入通道數為8、解析度為16bit、輸入類型採用差分、輸入範圍為±10V、採樣方式為6通道掃描模式。* 模擬輸出模塊：I-87024。為了使牽引電機、放線電機以及張力電機平穩起停、保護控制系統，採用了變頻調速技術對這三台電機進行控制，利用I-87024的模擬輸出信號，給變頻器提供0～10V的控制信號，使變頻器的輸出信號變為0～50Hz達到變速的目的。由於I-87024採用了光隔離方式，從而保護了控制系統，避免了電機的反電勢容易使控制系統尤其是I-8000當機的現象發生。* 數字量輸入\輸出模塊：I-87054。主要是為了實時控制電機的起停以及監測某些連接器、斷路器、吸合器的開關狀態，便於系統自檢和系統故障診斷。其數字量輸出信號通過繼電器組二次放大后啟動三相大功率繼電器，用以控制牽引、放線、張力三相交流非同步電機的電源的開關，達到控制電機的目的。* 定時\計數模塊：I-87082，為了實時反饋電線的長度，便於生產計劃、統計，在牽引輪上的上方安裝有一計米器，導線在上滑動時，帶動計米器轉動，計米器每轉動一周，便發送一個脈衝信號，I-87082便採集此時的脈衝數，脈衝數與計米器的周長的乘積便是電線的長度。每個現地單元控制器I－87K4通過編碼開關設置唯一的ID號，與I－7188的通信波特率採用19200bps的通訊速率（太高會導致通信不穩定）,誤碼低於10E-6（接收電平-110dBm時），將工業現場分散的點信號傳輸到I－7188乃至班組工藝控制伺服器上，同時也可由工藝控制伺服器控制遠程各點。I－7188具有獨特的雙看門狗安全設計，即軟體看門狗和硬體看門狗組成，當模塊萬一當機時，可瞬間重新開機，且和每個I\O模塊有軟體看門狗互鎖，萬一I－87K4當機，所有的輸出模塊就進入預設的安全狀態，符合工業的安全要求，RS－485通訊網路如因故障或斷線，主控計算機和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟體看門狗。I－7188以及I－8000模塊的硬\軟體看門狗的設計非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統安全性。這是泓格公司產品與其他公司類似產品不同之處，而正因為這一獨特的性能，便可僅用一組雙絞線即可實現數據的高速和長距離的發送和接收，各節點并行連接，模塊與模塊、模塊與網路之間相互獨立，極大地提高了系統的可靠性。3 系統軟體設計軟體設計分為SCADA軟體與Web程序，整個系統中較為複雜的部分就是控制、通信模塊I-7188的程序編寫部分，因為I-7188模塊負責協調其它所有I-87K4系列模塊的正常工作，以及與控制中心通訊，工作負荷比較大，所以必須考慮周到，反覆調試，才能獲得較為滿意的結果。SCADA主要是I-7188現地單元控制模塊的控制程序，採用TC2.0編寫，調用了I-8000相應的庫函數，主要有初始化模塊、定時採集模塊、數據通信模塊、邏輯輸出模塊（電機順序控制）等，共分為：系統配置階段、測試執行階段（完成當前測試任務的數據採集工作）、數據處理階段以及數據輸出階段。主程序首先初始化系統，包括對各串口的初始化及系統運行參數的初始化，並安裝用戶時鐘中斷。然後便是功能模塊的運行，主要完成各個工作節拍之間的協調問題，上位機主要是Windows2000與I-7188EAD之間的通信程序。這一部分我們採用了組態軟體MSCG完成，並利用了泓格公司提供的I-7188的OPC伺服器，進一步簡化了編程工作，主要的程序框圖見圖2所示。
4 應用體會目前該系統完成了六台塑膠機的監控以及上位機實時監控一線設備運行狀態，自2002年正式投入運行以來，一直運行良好，現我們正在進行3台小型成纜機的實時監控，監控的過程與塑膠機相似，同樣採用I-7188EAD與I-8000配合使用，由於繼電器控制點數較多，還要外掛一些I-7000模塊，這對於I-7188而言，完全能勝任。由於I-7188與I-8000系列模塊採用RS-485方式通訊，可遠距離通信，系統所有模塊只需用一條通訊線即可聯結，具有強抗干擾和雙看門狗設計，使系統的可靠性強。而且主機與I-7188使用TCP網路連接，使設備的互換性好，維護人員的工作難度和工作量也很小，減少了設備的投資成本，同時，滿足了使用單位生產工藝要求和高性能價格比的原則,也使工廠的自動化控制和管理水平上了一個新台階。總之，使用泓格公司的遠程I\O模塊，不僅給開發人員以科技享受，更能給使用者帶來較大的經濟效益，這便是泓格科技給其用戶最大的回報！