基於泓格I-7188EAD/8410的分散式平板硫化機組的監控系統設計

1 開發需求與背景
橡塑製品在我國工業中的應用越來越普遍，尤其是耐油性的橡塑製品，更受歡迎，湖北嘉德橡塑製品有限公司是專業生產潛油泵、油田泵、輸油管等用的專業型橡塑製品廠家，由於橡膠硫化需要在一定的時間、溫度以及壓力下才能硫化，傳統的硫化控制方法靠擋車工人憑經驗確定，存在著許多弊端，導致橡膠欠硫、過硫，極大影響了橡塑製品的質量，2002年我們為該公司採用泓格嵌入式網路控制器I-7188以及嵌入式受控型I-8410以及I-7000遠程控制模塊集成了一套分散式橡塑硫化機的監控系統，並且將控制信息與生產信息集成到公司的MIS管理系統中，利於公司計劃、分析，取得了較好的經濟效益。現將系統設計概述如下。2 系統架構與組成2.1 方案選擇

如圖1所示的三種控制方案中，第一種方案雖然結構簡單，但是一旦I-8421出現當機，平板硫化機將無法正常運行，同時，由於許多的控制參數存放在上位機上，無疑使上位機的負擔增加，相對而言，其安全性、可靠性較差。在第二種方案中，雖然一部分控制由嵌入式網路控制器I-7188EAD承擔，但I-87K4無控制功能，同樣存在著可靠性、安全性不佳的隱患。第三種方案中，重要的控制參數存放在上位機上，I-7188EAD承擔著雙重作用，平板硫化機的本地控制由I-8410完成，I-7188EAD在系統中是主控器、I-8410是受控器，滿足RS-485通信協議的主從要求。一旦需要更改工藝參數，I-7188EAD與上位機通信獲得數據，為了提高系統的可靠性，在系統中增加了I-7000模塊，一旦I-8410的通信信號消失或者出現故障時，控制功能由I-7188EAD託管、並由I-7000執行（復用），但此時控制功能比較簡單，僅僅是溫度與壓力檢測、硫化定時而已、需手動開啟平板客戶機，無系統設備故障監測、溫度的PID調節等，在第三種方案中，由兩級控制器實現了雙機冗餘，現地控制同時也有兩套組成，只是一套的控制功能比較完整、備用的一套的控制功能比較簡單，均可實現平板硫化機的控制，從而實現了控制器冗餘、執行器備用\復用的功能，滿足現代過程式控制制[1]的要求，極大提高了系統的安全性、可靠性，滿足了用戶「高可靠性、高安全性、高科技性、高效益」的要求。2.2 系統工作原理採用第三種方案時，整個工藝過程為：首先系統開啟、伺服器、I-7188EAD、I-8410以及I-7000全部進行一次握手信號的檢測，檢查系統的通信是否正常，由於不同的橡塑產品硫化時其工藝參數不同，工藝控制伺服器給I-7188EAD傳送工件號，並將溫度、壓力、以及時間下放到I-7188EAD，以備控制I-7000，I-7188EAD同時也給I-8410傳送上述信息，以備I-8410按照伺服器的指令進行工藝控制。在控制過程中，I-7188EAD與I-8410始終相互傳遞「心跳」信息，一旦I-7188EAD發送10次心跳信息仍然接收不到I-8410傳送的控制信息，則I-7188EAD判斷I-8410通信失敗，發出數字信號，並且託管控制系統，以使I-7000開始工作，同時將發出控制信號，使I-8410的電源斷開、1分鐘后，再次發出控制信號，使I-8410重新上電，恢復正常運行。待通信恢復正常后，I-7000退出控制，I-7000在整個控制過程中，除其備用執行控制功能外，還要承擔蒸汽管路10個電磁閥、12路斷路器、12路吸合器的實時控制與監測，因此，系統作到了任何控制器均有雙重功能，節約了設備成本，並且極大地發揮了各控制器的作用，滿足了設計要求。分散式平板硫化機組控制系統的架構圖見圖２所示。

I-7188EAD與I-8410、I-7000採用RS-485通信，波特率設為19200bps，其中，I-7188EAD為現地控制單元的主控制器、I-7000以及I-8410均為受控器。I-7188EAD與控制伺服器採用TCP\IP通信方式。2.3 系統配置2.3.1 I-7188EAD
I-7188EAD為一具有PC功能的嵌入式網路控制器，也可以說是網路協議轉換器，它有512KB FLASH，512KB SRAM，2KB EEPROM，31B NVSRAM，內置實時時鐘，看門狗定時器、內置MiniOS7操作系統、具有64位硬體唯一序列號，支持用戶程序加密、含有與NE-2000兼容的10BASE-T網路控制器、支持TCP\IP協議。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，使用方便，可大幅增加系統安全性。2.3.2　I-8410配置
I-8410是一款PC-BASED嵌入式控制器(受控型)，能擴展4個并行控制I\O模塊，有256KB Flash ROM以及128KB SRAM、2KB EEPROM、內置看門狗定時器利於系統安全可靠運行、且內置專用MiniOS7操作系統，適合用TC編寫控制程序，具有3個COM口，其中COM2為RS-485通信口。它同樣具有獨特的雙看門狗安全設計，當程序當機時，可瞬間重新開機，且和每個I\O模塊有軟體看門狗互鎖，大幅提高系統安全性。所採用的模塊及其特性、作用見表1所示。
2.3.2 I-7000模塊的選用
主要模塊為：I-7011PD可編程帶顯示的熱電偶輸入模塊、I-7012F快速模擬量輸入模塊、I-7041隔離開關量輸入模塊、I-7042隔離O.C.門輸出模塊、I-7080頻率\計數輸入模塊，其作用與I-8410選用的同類模塊相同，在此不再贅述。3　軟體設計3.1 I-7188EAD與I-8410之間的通信
由於I-7188EAD與I-8410均具有控制功能，兩者之間必須相互配合，協調運行才能使系統的可靠性提高，因此，本系統軟體設計的關鍵便是I-7188EAD與I-8410之間的通信程序。需定義兩者之間的通信方式、協議等，由於I-7188EAD與I-8410各自有RAM、ROM以及EEPROM，利於系統編程和存儲一定的數據，在程序設計時，其通信的心跳信號是I\O信號，相互之間僅傳送必要的控制信息並加以存儲。在MiniOS7操作系統下、利用TC2.0以及各自的庫函數編寫。其流程圖見圖3所示。
3.2 I-8410的控制程序
I-8410的控制程序比較簡單，由於泓格提供了大量的對相應模塊控制的庫函數，在用TC2.0編寫時可以直接通用，給用戶極大的方便。主要分為：模塊初始化、數據採集與控制、數據分析、系統故障判斷與提示（通過DO信號輸出給外部指示燈）、數據通信等。3.3 工藝控制伺服器程序在控制程序設計過程中，工藝控制伺服器主要與I-7188EAD進行通信，我們採用了泓格提供的OPC伺服器以及ActiveX控制項，並採用了組態王組態軟體，極大方便了上位機的編程過程。在伺服器上安裝有Windows2000操作系統、Microsoft SQL6.5，便於控制信息存放到企業管理MIS系統中，利於生產管理人員計劃、統計。該段程序主要有人機交互界面設計、資料庫存取方式設計、IE的發布與瀏覽設計、系統故障診斷設計、系統組態設計、資料庫設計以及安全性設計（防火牆的設計）、報表設計、文件系統管理設計、文件輸出管理設計（報表輸出、列印、管理）等。4　應用體會與心得
由於泓格的I-7188嵌入式網路控制器與I-8000嵌入式控制模塊均有具有獨特的雙看門狗安全設計，且和每個I\O模塊有軟體看門狗互鎖，並有專用的穩定的MiniOS7操作系統，大幅提高系統運行的安全性和可靠性，同時系統採用控制器冗餘、控制執行器復用，節約了投資成本，提高了企業和系統開發者的經濟效益。本系統運行一年有餘，一直比較穩定運行，使生產的橡塑製品質量提高、且次品率和廢品率大幅度下降，提高了生產效率，降低了勞動強度，深受使用單位好評。總之，泓格的產品使系統集成者和系統使用者均可獲得了良好的經濟效益。