基于泓格I-7188的分布式塑膠機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

1 開發(fā)背景以及使用I-7188的理由 隨著現(xiàn)代工廠信息自動化進(jìn)程的加快，企業(yè)急需要將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)ERP、MES、PCS三層信息一體化的解決方案。同時，企業(yè)內(nèi)、外部交換信息的需求也在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時還要求把現(xiàn)場信息和管理信息結(jié)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臺，通過對經(jīng)營決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)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(tǒng)。在PCS層中，只有具有Web功能的SCADA系統(tǒng)，才能滿足企業(yè)信息自動化信息平臺的要求，它使采集和監(jiān)控的數(shù)據(jù)得以開放，能被更多的管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和使用者所訪問。 武漢泓華電線廠是一家合資企業(yè)，專門生產(chǎn)油田、礦山用的塑膠電線，共有Φ20～Φ80mm的塑膠機(jī)6臺和3臺小型成纜機(jī)。塑膠機(jī)的功能是將塑料熔化并擠制在電線上，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(jī)一臺、放線電機(jī)一臺、張力電機(jī)一臺控制，見示意圖1。由于塑膠機(jī)的轉(zhuǎn)速一定，擠出的熱塑料量一定，因此只需調(diào)節(jié)牽引電機(jī)、放線電機(jī)、張力電機(jī)的轉(zhuǎn)速，便可調(diào)整擠制在電線上塑料厚度。而在電線廠往往由于牽引電機(jī)、放線電機(jī)、張力電機(jī)相互配合不當(dāng)，導(dǎo)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(zhí)行效率，同時便于工廠對生產(chǎn)能實(shí)時在線控制，同時能將控制信息與生產(chǎn)信息無縫連接到工廠的管理系統(tǒng)MIS中去，我們采用了泓格的嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信微控制器I-7188EAD和I/O擴(kuò)展控制器I-87K4模塊，構(gòu)成了一基于工業(yè)Ethernet的分布式控制系統(tǒng)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 I-7188微控制器本身是一個含有80188/40M主頻CPU的PC機(jī)，其分別有256K-512K的FLASH ROM和SRAM，內(nèi)置量身定做了比ROMDOS執(zhí)行效率更高的MINIOS7操作系統(tǒng)（為泓格專利），且含有一個與NE2000兼容的10M 的工業(yè)Ethernet接口及多種串行通信口，可以說是是真正意義上的帶Ethernet接口的新一代嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器，正好滿足了我們基于Web的SCADA的需要。（系統(tǒng)也可選用I-8431嵌入式控制器，但由于塑膠機(jī)組比較分散、控制點(diǎn)數(shù)較少，為節(jié)約系統(tǒng)資源以及HUB資源，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i效應(yīng)，我們選用了I－7188與I－87K4結(jié)合的方法） 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為真正實(shí)現(xiàn)具有Web功能的SCADA以及將生產(chǎn)工藝控制參數(shù)無縫連接到廠級Intranet的MIS系統(tǒng)中，在設(shè)計(jì)中，車間級Intranet主要由車間Web服務(wù)器（用于外部Ethernet連接以及與班組網(wǎng)絡(luò)連接）、車間生產(chǎn)計(jì)劃服務(wù)器（用于生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等）以及車間控制服務(wù)器（車間生產(chǎn)控制流程、生產(chǎn)工藝控制、設(shè)備實(shí)時監(jiān)控等）組成，與外部連接采用光纖通信介質(zhì)，I-7188與車間數(shù)據(jù)交換機(jī)HUB之間采用10M Ethernet連接。在塑膠機(jī)組控制過程中，考慮到設(shè)備的實(shí)時控制要求，采用了總線式連接方式的I-87K4控制器為前端現(xiàn)地信號處理器，同時每三臺塑膠機(jī)構(gòu)成一個小型RS-485網(wǎng)，再通過I-7188數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與交換機(jī)相連，目的是能較為實(shí)時地控制各生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行，降低數(shù)據(jù)的瓶頸效應(yīng)，另外，Ethernet采用的CSMA/CD的通信方式，數(shù)據(jù)通信控制存在某種不確定性，不利于控制。 生產(chǎn)車間的基于Web 的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。各個現(xiàn)地控制單元I-87K4的控制與通訊由I-7188模塊完成，它用來與各采集模塊通訊，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時處理參數(shù)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(jì)算機(jī)主機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控，通訊采用X.28協(xié)議。 2.1  數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)控制器I-7188 在車間班組級SCADA設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)需考慮苛刻的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、穩(wěn)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(jì)算機(jī)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(yè)級嵌入式數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)－I-7188，它集計(jì)算機(jī)、通信、控制于一體，同時具有防塵、抗震、抗沖擊等特性，能滿足苛刻工業(yè)現(xiàn)場要求。是一款真正的具有“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”概念的工業(yè)級嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。它使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場控制單元到Internet 、Intranet，管理層的直接通信。

由于I-7188嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系統(tǒng)，它與MS-DOS以及ROM-DOS兼容，與ROM-DOS相比，MiniOS7更適合于嵌入式應(yīng)用，如更短的加電啟動時間，內(nèi)置硬件診斷功能等，因此I-7188控制器可編程獨(dú)立運(yùn)行。同時，它具有獨(dú)特的雙看門狗安全設(shè)計(jì)，即軟件看門狗和硬件看門狗組成，萬一主控計(jì)算機(jī)當(dāng)機(jī)，所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求。RS-485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線，主控計(jì)算機(jī)和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟件看門狗。軟件看門狗的設(shè)計(jì)非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統(tǒng)安全性。在本系統(tǒng)中，塑膠機(jī)需要控制的I/O點(diǎn)數(shù)不多，且工業(yè)環(huán)境比較惡劣，控制功能比較容易實(shí)現(xiàn)，I－7188正好滿足我們所需的所有條件。因此，可以說I-7188特別適合于小型的嵌入式機(jī)電控制系統(tǒng)。 2.2  I-87K4 I-8000用于擴(kuò)充輸入/輸出模塊的數(shù)量，每一個擴(kuò)展單元包括一個電源和一個底板。底板上帶4個串行輸入/輸出擴(kuò)展槽。每個擴(kuò)展單元均具有115.2K的RS-485總線，用于與主控單元通訊，是一種模塊化的、基于網(wǎng)絡(luò)的小型控制系統(tǒng)。它即可通過本機(jī)的總線連接 I/O，也可通過I/O擴(kuò)展或網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展去連接I/O。是智能型分散式數(shù)據(jù)采集前端產(chǎn)品的理想選擇，而與之相連的I-7188 可運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的SCADA軟件包。在本系統(tǒng)中，為了與I-7188EAD配合使用，我們選用了有4個擴(kuò)展I/O功能的基本型I-87K4。 2.3 現(xiàn)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字節(jié)FIFO * 可直接驅(qū)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(kuò)展槽支持串行輸入/輸出模塊 2.3.2 擴(kuò)展I/O模塊 * 數(shù)據(jù)采集模塊：I-87017。主要用于： 1）實(shí)時采集三個電機(jī)處導(dǎo)線的力矩變送器的輸出張力信號，用以控制確定各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速使之相互協(xié)同工作，使電線的張力達(dá)到平衡；（需三路） 2）實(shí)時采集塑膠機(jī)擠制塑料后冷卻水的溫度，以使冷卻水的溫度達(dá)到恒定；（三路） 其特性為：模擬輸入通道數(shù)為8、分辨率為16bit、輸入類型采用差分、輸入范圍為?10V、采樣方式為6通道掃描模式。 * 模擬輸出模塊：I-87024。為了使?fàn)恳姍C(jī)、放線電機(jī)以及張力電機(jī)平穩(wěn)起停、保護(hù)控制系統(tǒng)，采用了變頻調(diào)速技術(shù)對這三臺電機(jī)進(jìn)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?yōu)?～50Hz達(dá)到變速的目的。由于I-87024采用了光隔離方式，從而保護(hù)了控制系統(tǒng)，避免了電機(jī)的反電勢容易使控制系統(tǒng)尤其是I-8000當(dāng)機(jī)的現(xiàn)象發(fā)生。 * 數(shù)字量輸入/輸出模塊：I-87054。主要是為了實(shí)時控制電機(jī)的起停以及監(jiān)測某些連接器、斷路器、吸合器的開關(guān)狀態(tài)，便于系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)故障診斷。其數(shù)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、張力三相交流異步電機(jī)的電源的開關(guān)，達(dá)到控制電機(jī)的目的。 * 定時/計(jì)數(shù)模塊：I-87082，為了實(shí)時反饋電線的長度，便于生產(chǎn)計(jì)劃、統(tǒng)計(jì)，在牽引輪上的上方安裝有一計(jì)米器，導(dǎo)線在上滑動時，帶動計(jì)米器轉(zhuǎn)動，計(jì)米器每轉(zhuǎn)動一周，便發(fā)送一個脈沖信號，I-87082便采集此時的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)與計(jì)米器的周長的乘積便是電線的長度。 每個現(xiàn)地單元控制器I－87K4通過編碼開關(guān)設(shè)置唯一的ID號，與I－7188的通信波特率采用19200bps的通訊速率（太高會導(dǎo)致通信不穩(wěn)定）,誤碼低于10E-6（接收電平-110dBm時），將工業(yè)現(xiàn)場分散的點(diǎn)信號傳輸?shù)絀－7188乃至班組工藝控制服務(wù)器上，同時也可由工藝控制服務(wù)器控制遠(yuǎn)程各點(diǎn)。I－7188具有獨(dú)特的雙看門狗安全設(shè)計(jì)，即軟件看門狗和硬件看門狗組成，當(dāng)模塊萬一當(dāng)機(jī)時，可瞬間重新開機(jī)，且和每個I/O模塊有軟件看門狗互鎖，萬一I－87K4當(dāng)機(jī)，所有的輸出模塊就進(jìn)入預(yù)設(shè)的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求，RS－485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線，主控計(jì)算機(jī)和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟件看門狗。I－7188以及I－8000模塊的硬/軟件看門狗的設(shè)計(jì)非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統(tǒng)安全性。這是泓格公司產(chǎn)品與其他公司類似產(chǎn)品不同之處，而正因?yàn)檫@一獨(dú)特的性能，便可僅用一組雙絞線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和長距離的發(fā)送和接收，各節(jié)點(diǎn)并行連接，模塊與模塊、模塊與網(wǎng)絡(luò)之間相互獨(dú)立，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分為SCADA軟件與Web程序，整個系統(tǒng)中較為復(fù)雜的部分就是控制、通信模塊I-7188的程序編寫部分，因?yàn)镮-7188模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)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(fù)荷比較大，所以必須考慮周到，反復(fù)調(diào)試，才能獲得較為滿意的結(jié)果。SCADA主要是I-7188現(xiàn)地單元控制模塊的控制程序，采用TC2.0編寫，調(diào)用了I-8000相應(yīng)的庫函數(shù)，主要有初始化模塊、定時采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、邏輯輸出模塊（電機(jī)順序控制）等，共分為：系統(tǒng)配置階段、測試執(zhí)行階段（完成當(dāng)前測試任務(wù)的數(shù)據(jù)采集工作）、數(shù)據(jù)處理階段以及數(shù)據(jù)輸出階段。主程序首先初始化系統(tǒng)，包括對各串口的初始化及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的初始化，并安裝用戶時鐘中斷。然后便是功能模塊的運(yùn)行，主要完成各個工作節(jié)拍之間的協(xié)調(diào)問題，上位機(jī)主要是Windows2000與I-7188EAD之間的通信程序。這一部分我們采用了組態(tài)軟件MSCG完成，并利用了泓格公司提供的I-7188的OPC服務(wù)器，進(jìn)一步簡化了編程工作，主要的程序框圖見圖2所示。

4 應(yīng)用體會 目前該系統(tǒng)完成了六臺塑膠機(jī)的監(jiān)控以及上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控一線設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自2002年正式投入運(yùn)行以來，一直運(yùn)行良好，現(xiàn)我們正在進(jìn)行3臺小型成纜機(jī)的實(shí)時監(jiān)控，