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淦偃戈
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车间设备的 PLC 网络群控农雨 ( 比亚迪股份有限公司, 中国深圳,518119) [ 摘要 ] 介绍了一种为了联网工厂设备而构建的群控系统, 详细叙述该方案如何用以太网联接起西门子公司 SIMATIC 产品和上位计算机以实现可远程监控的全自动生产线经过仔细考虑过各车间整个生产工序后, 设计实施出裁制压片机贴胶机卷绕机注液机封口机车间的监控网络并且具有故障自动诊断功能运行结果表明,

1 车间设备的 PLC 网络群控农雨 ( 比亚迪股份有限公司, 中国深圳,518119) [ 摘要 ] 介绍了一种为了联网工厂设备而构建的群控系统, 详细叙述该方案如何用以太网联接起西门子公司 SIMATIC 产品和上位计算机以实现可远程监控的全自动生产线经过仔细考虑过各车间整个生产工序后, 设计实施出裁制压片机贴胶机卷绕机注液机封口机车间的监控网络并且具有故障自动诊断功能运行结果表明, 该系统完全达到了设计规定的性能指标和要求, 且运行可靠 [ 关键词 ] 可编程控制器以太网联接现场总线组态软件中图分类号 :TP273.5 文献标识码 :B Industrial Facility s PLC Net Communications NONGYU ( BYD company limited,shenzhen ,China ) [Abstract] The paper introduces a typical system and method applied in many aggregative PLC control facilities at the manufacture factory. It expounds the scheme in detail how to realize full automatic product line that integrating SIMATIC PLC series products with upper host computers by industrial Ethernet network with remote supervisor mode. Those whole procedures of varied workshops are profoundly analyzed, eventually the application example of multi control link system with fault diagnostic is implemented successfully. Its has been design directly for electrical equipment such as flitch& planish equipment stick tape machine winding set injection device seal fixing etc. The running results of operation show that the system has achieved the required performance and the fore plan demands and can work steadily. [key word] PLC Ethernet Network Link Profibus Fieldbus Configuration Software CLC: TP273.5 LIC: B 1. 前言随着国内二次电池企业的成长和国际市场竞争, 传统以手工操作设备单机半自动设备生产为主的企业容易出现产品档次效益下滑的局面为保持业内竞争力, 必须改善和稳定生产工艺, 提升产品性能更高, 以适合国内电池企业规模化生产的要求电子商务时代里应用计算机网络技术去整合现有的生产经营设计制造管理, 及时地为企业的三层决策系统 ( 战术层战略层决策层 ) 提供准确而有效的数据信息, 以便迅速反应, 加强竞争力而在容易受人为因素影响品质的工艺环节里开始采用网络自动化设备来实现整体控制可编程控制器 (PLC) 编程灵活又可联网控制, 在工业领域里得到了广泛应用 PLC 用于现场设备的直接控制, 计算机对 PLC 的编程监控管理, 提高了生产效率应用以太网 TCP/IP 可完成设备远程控制参数化及故障诊断工作企业内网 Intranet 外延接入 Internet, 向下联接以过程自动化为主的现场总线 (Fieldbus) 现场总线是面向工厂底层以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点, 实现相互交换信息, 共同完成自动控制功能的测控系统本文以组建车间设备群网络为例, 全面阐述了以太网联接控制 PLC 的实现方法 2. 生产现状车间中各机器设备均采用 PLC 电控, 制程顺序如图 1 所示 3. 外部信息网通用分组无线业务 (GPRS) 平台提供高速无线 IP 或 X.25 服务, 实际带宽大约 40~100Kbit/s, 包括诸如数据库系统信息传递人机界面实时应用程序等基础服务异地监控中心主站通过专线方式直接接入图 1 生产工序中国移动基站可以使用点对多点连接, 也可以由企业本地代理服务器借助 ADSL LAN 等公网连接远程终端站用 3G 手机 PDA 手提电脑完成人机交互工作, 采集数据和判断设备状态是否正常将车间系统的有关数据通过防火墙发给异地的局域网, 使授权用户可以了解厂房生产和设备状况, 甚至在办公室对全厂设备进行操作使用路由器划分整个厂级的 100M 甚至 1000M 的自适应网络, 使用交换机连接各个虚拟网段, 文件服务器与本部门的 cisco2950 交换机接口这样, 采用 Cisco 虚拟专用网 VPN 技术实施经济安全的企业远程接入, 逻辑子网由交换机端口任意组合, 没有物理上的相关性, 不用路由器就解决了广播报文的访问控制问题

4. 工厂内 Ethernet/IP 控制网 4.1 工业以太网体系以太网协议可提供办公室通信以及高水准的自动化操作,SIMATIC NET 工业以太网是基于国际标准 IEEE 802.3 的载波监听多路访问 / 冲突检测 (CSMA/CD) 开放式网络模组组网规模最大多达 1024 站, 距离可达 1.

2 4. 工厂内 Ethernet/IP 控制网 4.1 工业以太网体系以太网协议可提供办公室通信以及高水准的自动化操作,SIMATIC NET 工业以太网是基于国际标准 IEEE 的载波监听多路访问 / 冲突检测 (CSMA/CD) 开放式网络模组组网规模最大多达 1024 站, 距离可达 1.5km 的电气网络或 200km 的光纤网络, 网络使用 TCP/IP 协议的计算机传输数据西门子的通讯处理模块, 可以在任何点进行设备启动和故障检查或者构造冗余网络, 且允许用户在 Socket 接口上编制自己的协议远程访问路由器用于在局域网与广域网间实现远程通信本地交换机 Carat5008TX 型对恶劣工业现场环境有较强的适应能力, 它提供冗余网络拓扑自愈恢复功能, 支持热备份功能并有过压, 过流和雷电保护由于要将实时在线生产和检测的重要数据上传到网上, 供合法用户浏览, 因而选用了 SQL Server 数据库, 采用 ODBC(Open Database Connectivity) 的互联模式主 PLC 通过 Profibus 网采集现场 PLC 的 I / O 的信号, 信息交换中心对这些信号经过汇总和分析, 判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态, 并把这些运行状态存入相应数据区并周期刷新 IPC( 工控机 ) 工程师站和管理层通过访问, 得到车间生产设备当前运行状态信息并可加以调控 4.2 系统集成尽管有了高可靠性的工业以太网交换机和冗余的环网, 但如果电缆质量不好, 同样不能满足要求 Belden 有纵向轴粘连线的 DataTuff 电缆可以确保不会产生过度的传输损耗根据实际传输距离网络传输速度等要求, 选配了 10BASE-5 型粗缆, 其最大传输距离 500 米屏蔽通讯电缆连接 PC 的 RS-232 串行端口和 PLC 的 RS-485 通讯端口, 实现 IPC 与 PLC 之间的通讯工业以太网连接, 自顶而下, 上部分为车间级数据部分 ; 下部分为下位机 PLC 子网部分整体采用 100M 快速到桌面的主干以太网, 而智能冗余型工业以太网交换机连接厂级网络, 分立的机械车间通过 Carat5008TX 交换机或者网管型 SCALANCE X-200 接口与办公楼网络的 Cisco3660 路由器相联工程师管理站数据库服务器通过接口端共享资源系统组成框图与网络布线见图 2 根据设备运作的复杂程度, 配置如下 : 注液组主控器 A 选用 S7-400 系列 PLC㈠CPU 为 CPU443-2DP; 贴胶组主控器 B 选用 S7-200 系列 PLC㈡CPU 为 CPU243-1; 卷绕组主控器 C 选用 S7-200 PLC㈢ ; 封口组主控器 D 选用 S7-200 PLC㈣ ; 裁片组主控器 E 选用 S7-400 PLC㈤,CPU 为图 2 工业 Ethernet/IP 系统集成 CPU443 借助 EM277 模块扩展 PROFIBUS 智能从站插入主控 PLC 中的以太网通讯卡给车间级 / 厂级联网提供了便利底层设备通过 PROFIBUS-DP 网络将信息通过级联向上一级传送生产状况及运行状态, 由上级主控器通过以太网传送给工程师站及管理层网络系统中配置的 TP170 触摸屏作为操作员站, 为各设备设置参数并显示部分运行数据这样对于 B C D E 设备的手动调试仍然可以利用它使用 MPI 网络协议就近联接各层 PLC 来完成 5. PROFIBUS 现场网络 5.1 网络模式 SIEMENS 的 PROFIBUS 网络支持 PROFIBUS-PA PROFIBUS-FMS 和 PROFIBUS-DP 三种类型 PROFIBUS-DP 是一种高速经济的设备级网络, 主要用于现场控制器与分散 I/O 之间的通信, 可满足系统快速响应的时间要求 PROFIBUS-DP 数据链路层的媒体访问控制部分采用受控访问的令牌总线和主从方式其中令牌总线中令牌在总线上的各主站间传递, 持有令牌的主站获得总线控制权, 该主站依照关系表与从站或其他主站进行通信主从方式的数据链路协议中一个主站控制着多个从站, 主站与每一个从站建立一条逻辑链路 ; 主站发出命令, 从站给出响应, 从站可以连续发送多个帧数据链路中帧的传输过程分为三个阶段 : 数据链路建立帧传输和数据链路释放主从结构的一条 DP 网可包含一个主站和最多 127

3 个从站, 理论传输距离在不使用中继器的情况下可达到 1000 米, 传输速率从 9.6Kbit/S 一直到 12Mbit/S 可选网络传输速率达到 12Mbit/S 时其传输距离最长为 100 米 5.2 PLC 通讯设计 PLC 有 3 种控制模式 : 就地手动方式 PLC 远程手动控制方式全自动控制方式前两种方式一般只在设备调试或维修时使用, 系统主要以全自动操作方式为主在这种方式下, 各类设备的开停, 各种工序的切换, 都由 PLC 按照预先编制的程序自动控制基本测量参数包括现场的各式气缸电机电磁阀进料出料等开关信号和注液速度温度等模拟信号, 通过组态界面显示设定保存关键设备的参数车间 IPC 工程师站编程输入时, 主体工作就是按程序结构框图实现元件的顺序动作, 和进行程序优化如 : 初始化和复位 ; 冲突触发的互锁 ; 电机启动延时 ; 维修的手动控制 ; 循环的计数 ; 气缸和步进电机到位信号应用编程软件 Step7 Micro/Win32 完成机器的控制程序的设计工作该编程软件具有梯形图语句表和功能逻辑块图 3 种输入方式相互转化的能力, 本课题采取语句表 (STL) 和梯形图 (LAD) 在 PC 机上混合编程的方式, 提高了编程效率操作单元通过 Profibus 接口用 S7 协议与 S7-200 和 S7-400 进行通讯根据现场控制要求, 选择了西门子公司的 S7-400 系列的 PLC 和 S7-200 系列 PLC6ES7214-1BD20-0XB0 型 S7-200 接入工业以太网还要配备上 CP243-1 或互联网模块 CP IT, 同样 S7-400 也需配备 CP443 模块安装了 STEP 7-Micro/WIN 之后, 计算机上将会有一个标准的浏览器用来访问 CP 的主页除了编程软件配备 TCP/IP 协议, 通信对话框中应为每个子网模块指定 IP 地址 CP243 用于最多 8 个 S7-200 PLC 连接 PC 的数据交换, 该模块采用半双工或全双工通信, 使用 RJ-45 接口, 传输速率为 10Mbit/s 或 100Mbit/s 对 CP243-1 CPU 进行配置成功后, 更换板卡也不用再重新配置通过网络可以实现远端编程和监控服务, 例如上传下载程序和监视系统的状态使用标准 S7-OPC 接口, 加装软件包 SOFTNET-S7, 计算机的应用程序就能通过网路存取 S7-200 的数据, 这样可以实现数据可视化存档或作进一步处理, 例如使用 VB VC 应用程序 WinCC 进行处理 S7-200 支持多种通信协议, 各种协议同时运行不会干扰例如点对点 PPI 多点接口 MPI 和 PROFIBUS 协议基于 OSI 通过一个令牌环网来实现通信帧由起始和结束字符源和目的站地址帧长度和数据完整性偶校验组成主站向网络中从站发出请求, 从站只能作出响应一个网的 127 个地址最多可定义 32 个主站, 各设备的地址不能重叠运行 STEP 7-Micro/WIN 的计算机的默认地址为 0,OP 的地址为 1, 主 PLC 的地址为 2 上 / 下位机通讯程序中定义格式如图 3 示出 F 为帧标志字段 (8 位 ),A 为从站地址字段控制字段 C 表示帧类型编号命令和控制信息, 它将 HDLC 帧分为三种类型 : 信息帧 (I) 监控帧 (S) 和无编号帧 (U) 信息帧用于应用数据 (Useful Data) 的传输并捎带应答 ; 监控帧用于监视链路上的正常操作, 对链路状态做出各种响应 ( 如认可帧请求重传或暂停等 ); 无编号帧 ( 不含信息字段 ) 用于传输各种元编号命令和响应, 例如建立链路模式, 释放链路及报告特殊情况等信息字段由 FKW+PZD 的应用数据构成,FKW 用于读写参数值, 如写入控制字或读出状态字等, 一般为 4Byte 长, 而 PZD 用于存放控制器的具体控制值, 设置站点或状态字的参数, 一般为 2~10B 长图 3 上 / 下位机帧通讯格式 PLC 作为一个节点连接在工控网上, 方便地实现 PLC 与 IPC 的通讯以下概述一下组态步骤 : 首先新建一工程, 然后依次建立 4 个中型 PLC 网络, 主控制设备称 PLC1 PLC2 PLC3 PLC4, 下一步设置设备 IP 地址, 格式为 aaa.bbb.ccc.ddd:ppppp:t; aaa.bbb.ccc.ddd 为地址,ppppp 为端口号 ( 范围 ),t 为连接超时时间 ( 单位 s), 都是十进制数例如 PLC1 的 IP 地址为 : , 端口号为 :1000, 连接超时时间 3 秒 PLC2 PLC3 PLC4 控制设备建立和 PLC1 大同小异所有 PLC IPC 的 IP 地址端口号都不能重复在建立通讯连接的基础上, 再进行定义数据变量, 设计画面, 开发数据库等开发步骤 5.3 电控构造企业共计贴胶裁片注液卷绕封口五个 PLC 车间接受联网改进, 每个车间现场设备最多能容纳 127 台机次, 分布形态为小于 6 台 / 分支但是用 PROFIBUS-DP 网络方式最多

4 只能直接连接 8 个 S7-200PLC, 故而解决办法是将 S7-200PLC 作为 PROFIBUS-DP 从站同时又设置成下级网络的控制主站, 其余的 PLC 通过点对点通讯协议 PPI 网络分别与 S7-200 连接, 通过这个层间的主机完成数据交换控制过程中通过网络读写指令来实现各级主站到 IPC 的通讯 S7-200PLC 是可以独立编程和完成设备控制的,Prifibus-DP 子网将控制信号高速地传送到线上的 ET-200, 使相应继电器动作 PROFIBUS-DP 应用的扩展见图 4 PROFIBUS-DP 扩展模块 EM277 经串行 I/O 总线连接到 S7-200 上 S7-200 逻辑连接数 4 个, 0 1 端口分别为编程器和操作员面板留用所有主站必须工作在相同的波特率下, 可设定传输率为 187.5Kbit/s EM277 可当成一个 DP 主站的从站外, 还能当成 MPI 从站, 与同一网络中的 SIMATIC 编程器或 S7-400 / S7-200 CPU 等其它主站进行通信 S7-400 配置分为软件和硬件两部分软件部分通过 STEP7 编程软件对 CPU414-2DP 进行配置 SIMATIC STEP 7 工程软件图 4 PROFIBUS 设备层集成了组态和远端诊断功能包括配置 S7-200 通信子网的速率, 子站数量及站地址等设置完成后, 各接入的信号在 CPU 中的对应地址将会自动生成硬件配置时将各 ET200M 的接口模块 IM153 上的地址拨码开关设置成与软件相同 IPC 计算机采用的监控软件为 PROTOOL/PRO V5.1 通过西门子 CP5611 网卡以 TCP/IP 协议联机至工业以太网络, 同下位 PLC 设备群进行数据通讯, 包括采集和指令传送基于 Browser/Server 框架和 Web Client 和 Terminal Server Client 软件, 进行远程实时生产过程监控和在线检测设备状态系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常停机故障等各种状态, 并在相应工控机的相应画面上, 以不同的符号图形闪烁和颜色变化等形式显示出来, 以图表或报表的形式打印和分析, 帮助实现车间的测控管有故障情况的 PLC 即刻进入中断服务程序制作上位机监控程序的方法也有很多种, 可用 VB,VC 等调用 MSCOMM 控件或利用 Windows API 函数进行上下位机串口通讯监控软件能将主站 PLC 的已存储数据按时间趋势存放在数据文件里供调用展示给管理人员, 以便分析异常和改进工艺 Windows 动态数据交换功能还能把数据库的数据传送到 Office Excel 和 Office Access 文件, 从而实现报表打印和数据查询功能采购西门子 TP170B( 型号 6AV BB15-2AX0) 蓝色触摸屏, 使用 RS485/RS232 接口电缆与 PLC 连接, 安装上 SIMATIC ProTool/Lite 组态软件可移动的 TP170B 操作面板可直联到 PROFIBUS 网上, 调试人员直接在设备边上进行调试主站为带有网卡的 PLC 设备, 从站是分布式的 ET200M 和 S7-200 子站, 它们通过标准屏蔽双绞线连接, 距离过长则使用中继器挂接到 Prifibus-DP 现场总线的附加设备和子网主站的 S7-200 之间的通讯是 S7 协议当需要查看重要的物理参数时, 信号被对应的一次仪表传感器或变送器检测出来并变换为 4-20mA 电流信号, 经过屏蔽电缆送到各个子系统的 PLC 内,PLC 通过各种接口模块采样控制信号由 PLC 发出后送到执行机构, 控制执行机构的动作对触摸屏的整个组态工作主要包括机组启动口令保护系统定义参数设置系统控制的操作界面, 以及各种操作按钮显示画面和功能键等对重要数值设定实行权限, 防止非法操纵假如要求扩展功能更齐全更可靠, 将其置换为工业组态软件例如 :Intouch Fix Citech WinCC Controx( 开物 ) Force control( 力控 ) 组态王工控组态软件的功能包括数据库生成历史库生成图形生成报表生成顺序控制功能连续调节功能系统开发人员只需通过可视化的组态方式, 就可完成监控程序设计, 降低了监控程序开发的难度组态软件具有良好的扩展性兼容性, 软件结构开放, 可接受各种形式的数据格式, 使用变得更简单 6. 结语利用现代 PLC 提供的网络支持功能, 构建工控机 IPC 与 PLC 的联网控制, 解决了整个系统实时集中监控和各种数据在线综合管理的问题, 数字化的操作提高了控制过程的信息化水平在制造企业装调运行过程中, 情况良好, 减轻了人员的操作强度, 实现了生产过程的自动控制实际应用证明该远端网络控制系统具有良好的可操控性和可扩展性, 波特率达到设计要求, 实时准确性和运行稳定性良好, 既降低管理成本又体现出经济效益的提升

5 本文作者创新观点 : 设计应用高性能 PLC 1:n 模式逐级扩展控制众多底层设备, 组成现场总线与公司局域网内的计算机联接, 通过电信平台远程管控车间机器, 解决工厂在线管理的问题指明了一种现代企业的工业以太网方案参考文献 [1] 陈庆文, 田作华. 基于 Profibus 的温室控制信息管理系统. 北京 : 微计算机信息, 2005, 7-3: 109~110 [2] 张宪光主编. 组态控制技术. 北京 : 电子工业出版社,2003 [3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用. 北京, 清华大学出版社, 作者简介 : 农雨 (1976-), 男, 汉族, 籍贯广西梧州, 机电工程师, 毕业于中国科技大学机电系本科, 研究方向 : 企业的自动化和机电一体化开发通信地址 : 深圳市龙岗葵涌镇比亚迪 IT 工业园 511 室邮编 : 电子信箱 :nong.yu@byd.com.cn 所投栏目 : 管控一体化之管控一体化 Author brief introduction: Nong Yu, male, was born in 1976, the Han nationality, native place is in wuzhou,guangxi. He is an automation engineer and bachelor of mechanical and electronic science Department, USTC. His undertake research subjects faces to the industry integrated automation and control technology. Address: Room 511,Yan an Road, Kuichong Longgang Shenzhen, , P.R. China nong.yu@byd.com.cn

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层