一种涡轮增压器生产线数据采集系统的解决方案

　　1 引言

现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。PROFIBUS，是一种国际化。开放式。不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

　　2 方案分析

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。参加竞赛的跑车一般在发动机上装有涡轮增压器，以使汽车迸发出更大的功率。发动机是靠燃料在气缸内燃烧来产生功率的，输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，提高燃烧做功能力。在目前的技术条件下，涡轮增压器是能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。下面是某增压器厂的装配线数据采集系统。

涡轮增压器的优点是能在不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大20％~30％。涡轮增压器的缺点是滞后，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，使发动机延迟增加或减少输出功率，这对于要突然加速或超车的汽车而言，瞬间会有点提不上劲的感觉。

　3 系统结构

根据现场情况，我们采用西门子公司S7-400型承担信号采集工作，又根据现场将要采集的信号位置分散的特点，各传感器信号就近接入Profibus子站，这样可以限度的减少现场接线工作，并且因为走线距离短，可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响。

系统的主干网络采用Profibus网络， Profibus现场总线网络共有三种协议方式，分别为FMS,DP和PA。我们本次应用的为DP方式。DP网络结构为主从结构，一条DP网可包含一个主站和多126个从站， 网络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。

　3.1 系统网络选型

考虑到上位机和上位机、上位机和主PLC、主PLC和从PLC进行信息交换，整个网络系统由三层组成：

管理网络（MIS）：采用基于TCP/IP的以太网，上位机和上位机之间的连接。

MPI网络：采用通讯处理卡将主PLC和上位机相连。

DP网络：这是层的网络，将分散的数据采集站点连接起来，即主PLC和从PLC、触摸屏之间的连接。

拓扑结构：现场的服务器是连接以太网和工控网的桥梁，它通过3COM交换机与以太网连接。

　　3.2 上位机

采用HP ML350服务器和研华工控机作上位机，通过CP5613通讯卡使服务器与CPU412-2 相连，这样PC与现场总线就连接成能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。HP服务器监控软件采用SIEMENS公司WINCC软件，可实现生产任务的下达和结束、将生产数据存入指定的数据库中、下线处理和设备故障清除。研华工控机采用自主开发的生产管理系统，主要完成产品清单、产品工艺、工单和工单工艺定制，并完成生产任务指令的下达，将工单工艺到TP270触摸屏上，而且可以对生产数据进行查询，并生成相应的报表，Execel。

3.3 SIMATIC S7主站

作为DP主站，CPU位于控制中心。本系统选用CPU412-2模块化PLC，它集成了PROFIBUS-DP现场总线接口装置，具有强大的处理能力（具有0.3ms处理1024语句的速度）。根据程序内容读取总线上的所有I/O模块的输入输出量并读取CP340内字节数大于4的条码放到相应的DB块中。

　　3.4 从站（Slave A，B）

从站A包括2个EM277带CPU226和1个IM153-2带CP340。CPU226主要完成生产数据的采集并监制专机检测设备的运行；CP340从条码枪读入条码。

从站B包括12个西门子TP270-10触摸屏。为数据采集、数据存入、下线处理和故障消息组态友好的人机交互界面，尽可能减少操作人员的软故障，及时向操作工反映通讯故障。

　　4 软件组态

STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。PCD1 和 PCD2 Saia-PCD 控制设备也可以用 Siemens Step7 来编程。使用Step7编程可以在Saia PCD上实现某些集成在Step7内的功能。不只是兼容

STEP7组态：网络配置分为软件配置和硬件配置两部分，软件部分通过STEP7编程软件对S7-400 CPU412-2DP进行配置包括通讯速率，子站数量及站地址等。当软件配置完成后，各接入的监控信号在CPU中的对应地址将会自动生成。硬件配置主要是将ET200M子站的接口模块IM153-2上的地址拨码开关设置成与软件设置相同。因为是用CP340做从站读入条码枪的条码，因此CP340必须选择ASCII协议，还必须对此协议的起始终止位和奇偶较验等参数进行设置，并对CP340进行驱动程序。

在目前绝大多数的应用中，WinCC和PROTOOL都是作为生产过程的监控系统，完成数据记录并生成历史曲线，组态监控界面，生成报警信息等，而不参与生产过程的管理和数据的处理。但实际上，企业除了关心生产过程中的实时信息外，更希望能将这些信息有机的存储起来，在日后的产品追溯和产品研发中发挥更大的作用，本项目正好体现了这一点。

WinCC组态：这是整个系统的关键之一。本系统所有人机交互的信息都由WinCC来处理，包括：生产任务的下达、工艺参数的下达、生产任务的结束、数据存入、下线和数据覆盖等操作，这些都与整个生产过程紧密相关。WinCC自带的变量记录能够周期地记录每个标签实时数据，并将这些数据存放在各自的标签数据表内，各个标签对应的数据表是相对独立的；而项目要求将与一个产品相关的所有数据存放在一个产品数据表内，而且只需要测量点的数据，显然变量记录这个功能不能满足这个要求。但WinCC提供的全局脚本为我们提供了实现的工具。通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，通用 ；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。

PROTOOL组态：触摸屏TP270-10是与操作工人直接交互的人机界面，所有指令都由触摸屏发送，它与DP网络是通过DP接口相连的。考虑到数据存贮的复杂性，将人机界面分为五个界面：存入界面、托盘确认界面、覆盖界面、下线处理界面和通信故障显界面。存入界面：主界面，以高亮度的方式显示托盘号和正在执行的操作，主要包括生产任务、工艺参数、检测状态、检测数据和检测结果等信息，还包括存入和下线等指令的发送；托盘确认界面：存入界面中有30个托盘号，为了防止操作工人在长期疲劳工作的情况下错选托盘，而导致其它增压器的产品信息丢失同时自己的产品信息也不完整，托盘确认界面显十分得重要；覆盖界面：受到产品构造的影响，同一个产品可能在同一工位不同相对位置检测的数据不一致而导致数据重复存入—覆盖；下线处理界面：当专机检测设备检测的数据不合格时，将该产品作下线处理，同时删除数据库中对应的记录；通信故障界面：显示上电后，各个数据采集点的通信状况，当有通信的故障时，触摸屏将以系统消息的方式通知操作工人。

LED显示系统：通过串口与数据服务器相连，以四种实时统计方式统计产品产量，包括：本月统计、本周统计、本日统计和工单统计；同时可以自定义显示信息。

　　5 系统特点

* 通过开放式互联，实现了从生产执行系统（MES）和企业资源规划 （ERP）的完全集成自动化（TIA），对IT开放（OPC,ActivX,COM/DCOM,ODBC/SQL,API）

* 在多功能平台上实现可视化（protool/pro）

* 模块化，使系统具有前瞻性和可扩展性

* 分步式智能I/O

* 统一集成的数据库，易于实现对数据的维护和备份

* 基于对生产全过程的集中操作和监控。

　　6 结束语

PROFIBUS与其它现场总线系统相比，PROFIBUS的优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造。过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中PROFIBUS占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。PROFIBUS有国际着名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。

该系统至今已经在现场稳定、可靠地运行了半年，极大地提高了劳动生产率，有效地解决了生产中的很多问题，如减少了生产过程中的突发故障，缩短了生产准备时间和抢修时间，减少了工人的劳动强度，同时为研发工作人员的研发工作提供了科学的数据依据，为该厂创造了可观的经济效益和社会效益。该系统不仅适合与这样的增压器生产线，也适于其它设备分散，又需要对设备及生产数据进行采集的场合。