PC和PLC總線控制技術在海底光纜護套生產線上的應用

1 引言
我國擁有300萬平方公里的海域、近二萬多公里長的海岸線以及眾多島嶼，是一個海洋大國。沿海各省不僅是我國經濟最發達地區，而且在近海蘊藏著豐富的石油和天然氣資源，對通訊的需求日益增加;另外，原來鋪設的海底通信電纜，由于電纜通信容量小，抗干擾性差，老化現象嚴重，在大多數情況下必須使用海底光纜才能徹底解決島嶼的通信問題。早在1986年，我單位就生產出國內第一條海底光纜。此后，海纜的結構不斷變化，設備制造工藝也在不斷的更新。我單位研制的海底光纜生產線也采用了不少國內外先進技術，其中PC和西門子S7系列PLC在海底光纜護套生產線電氣主控系統上的應用就是一個主要方面。
2 海底光纜護套生產線
海底光纜護套生產線主要用途是海底光纜用光纖松套不銹鋼管護套的大長度生產，該生產線主要有Φ2500地軌龍門行走式主動放線架、主動放線張力控制裝置、SJ30臥式擠出機(擠熱熔膠)、SJ90擠出機、2m移動冷水冷卻水槽及水箱、8m熱水冷卻水槽及水箱、12m溫水冷卻水槽及水箱、30m冷水冷卻水槽、吹干裝置、履帶式牽引機、火花試驗機、測徑儀、收線張力同步器、Φ3150地軌龍門行走式收排線架和相應的電氣控制系統等組成(如圖1所示)。整條生產線的長度為83m。

3 生產線電氣控制系統結構
海底光纜護套生產線電氣控制系統是一個較大的控制系統，整個系統主要控制對象為:地軌龍門的放線，SJ30的加熱和護套擠出，SJ90的加熱和外護套擠出，牽引同步，地軌龍門的收排線，水槽溫度的控制，張力的控制，外徑的控制等。系統控制點數的分類情況與統計見表1。

由于控制點數多，生產線較長，加之采用占地面積較小、承重能力較高的地軌龍門行走式主動收放線架，如果采用單PLC控制系統，不僅系統復雜，不適應于生產線的易安裝、易維護和低故障率的要求，而且可靠性不能保證。我們經過綜合分析，決定采用了分布式的PROFIBUS-DP現場總線網。
PROFIBUS是近年來國際上最為流行的現場總線，也是目前數據傳輸率最快的一種現場總線(傳輸率可達12M波特)，它以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持，已成為最重要的現場總線標準，在很多領域內有廣泛地應用。正是基于PROFIBUS現場總線技術上的成熟和開放性，以及在實際應用后的經濟效果，因此我們在海底光纜護套生產線控制系統中選用了MPI+DP的總線控制方式。

如圖2所示，整個控制系統由1臺上位機、1臺Profibus-DP主站和2臺Profibus-DP從站及其他控制設備組成。我們之所以在生產線中選擇使用西門子公司的S7系列PLC，是因為它具有高速、多功能、系統化、網絡化、結構簡單、安裝方便、系統組織靈活、可靠性高、維護方便等特點。PLC的每一個I/O出現故障時，只需要調換有故障的模塊，而不需長時間的停產進行設備維修，特別適合于我們當前競爭日益激烈的光纜市場。網絡化和通訊強化通訊能力也是該PLC的一個重要特點。
3.1 PROFIBUS
Profibus-DP主站采用SIMATIC S7-300的系列模塊，作為控制中心的CPU采用西門子公司新推出的CPU313C-2DP，它具有強大的數據處理能力，不僅集成了MPI通訊口，而且集成了Profibus-DP現場總線接口，同時還可插入MMC存儲卡，可以有效的防止以前由于使用電池保存程序而造成的PLC程序易丟失的問題;還集成了16點的數字量輸入和16點的數字量輸出，具有較高的性價比。主站還配有兩塊SM334和一塊SM321，可進行除放線和收線從站控制部件外的生產線其它部分的直接控制。
Profibus-DP從站處于經濟方面考慮采用SIMATIC S7-200的系列模塊。CPU采用cpu224，EMM277從站模塊經過I/O總線連接到CPU224中，Profibus網絡經過EMM277的DP通訊口，從而將S7-224CPU連接到Profibus--DP網絡中。作為DP從站，EMM277可從主站接受和發送數據，從而完成從站CPU224與主站CPU313C-2DP的數據交換。通過PROFIBUS-DP網絡可使操作人員方便的、實時的掌握生產線運行狀況。
在設備安裝過程中，我們用Profibus網絡總線連接器和Profibus電纜將3個CPU連接起來，再利用編程工具STEP7對S7-300進行硬件組態，建立一個PROFIBUS-DP網絡。為將EMM277作為一個DP從站適用，用戶必須通過EMM277模塊上的旋轉開關設定與主站組態中地址相匹配的DP端口地址。
PLC程序采用S7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態、參數設置、PLC程序編制，編譯完成后下載到CPU313C-2DP中。用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數據塊(DB)構成。其中，OB用于控制程序的運行，FB、FC是用戶子程序，DB是用戶定義的用于存儲取數據的存取區，本系統中它是上位機監控軟件與PLC程序的數據接口。
當組態DP主站時，需要定義CPU224變量V存儲器內的字節位置，從這個位置開始作為輸出數據緩沖區。也要定義I/O配置，他是寫入到CPU224的輸出數據總量和從CPU224返回的 輸入數據總量。在從站與主站正常進行數據交換模式時，主站將輸出數據寫入到EMM277模塊。然后，EMM277響應最新的CPU224的輸入數據，不斷更新，以便向主站CPU313C-2DP提供最新的輸入數據。然后，EMM277將輸出數據傳送給CPU224，從主站來的輸出數據放在輸出緩沖區。
在編程S7-200程序時，在編程時也要注意從主站來的數據必須經過傳送指令，從輸出緩沖區轉移到其它數據區，類似的，傳送到主站的數據也必須通過傳送指令從各種數據區傳送到輸入緩沖區，進而發送到主站中。
這樣在程序運行時，主站CPU313C-2DP根據存儲卡存儲的程序和從站PLC一樣，分別通過相應的數字量和模擬量輸入、輸出模塊采集生產線各種運行狀態，控制硬件設備，并讀取總線上的所有I/O模塊的狀態字，實現在現場總線上的數據采集和控制信號的輸出，并實現一些簡單的諸如張力控制等控制算法。現場的PLC把分散的數據集中到DP主站，并通過MPI通訊送到上位機，從而實現PC的直接控制生產線的運行。
3.2 上位工業計算機
我們的工業計算機選用臺灣研華公司的IPC-610作為上位機，因為它們在國內工業控制市場上占有較大的份額，可靠性也較高。通過MPI通訊卡CP5611使工控機與DP主站進行MPI通訊，從而實現工業PC機與DP總線的硬件連接。并可通過RS232C與生產線的外徑測量儀等智能儀表進行串口通訊，從而實現生產線其它控制數據的采集。
我們在上位機采用的組態王是一個具有易用性、開放性和集成能力的通用組態軟件，使我們可根據實際生產需要任意組態，快速生成應用軟件，并可方便的的實現監控軟件的實時數據更新、歷史曲線和實時曲線顯示、報警、數據存儲、查詢等功能，大大縮短了監控軟件的開發周期，提高了軟件運行的可靠性、維護性、延續性和可擴充性。
對于本系統的PROFIBUS網絡，我們定義了I/O變量后，組態軟件通過MPI驅動程序軟件接口獲取DP主站相應的數據，我們可直接使用變量名用于系統控制、操作顯示、趨勢分析、數據記錄和報警顯示，這樣就可以實現工業流程畫面上動態地顯示現場各過程硬件的運行狀態，數據也可以按相應的順序寫回現場過程硬件，執行控制操作，實現生產線的人工控制功能。
在監控軟件畫面中，點擊相應設備按鈕就可對該設備進行單獨控制;還可顯示生產線各部件的當前運行狀態，如當前電機速度以及一些故障信息等。對系統實時采集的數據進行判斷，發出報警信號，并按技術要求進行處理并自動進行相應的設備控制，如對故障信號的解鎖及其恢復等，還可利用軟件的DDE功能實現報表打印功能以及實時數據和歷史趨勢曲線顯示等功能。
4 結束語
在海底光纜護套生產線控制系統中，我們通過應用Profibus-DP現場總線取得了很好地運行效果。Profibus-DP總線不僅滿足了生產線的各項功能要求，并且使用合理。由于通訊方式的實現，省去大量的電纜、橋架等安裝物資，可減少設備生產成本;總線控制方式，維護簡單，維護量小。在本控制系統的設計、安裝和調試過程中，Profibus-DP的應用無疑是正確的，我們的經驗是在現場安裝過程中仍要注意對現場各類干擾因素的防范以及現場的接地系統對總線通訊的影響。
總之，海纜的生產是一項專業性很強的技術工作，需要有專門的各種生產線來實現生產。通過本次Profibus-DP現場總線在海底光纜護套生產線上的應用，隨著將數字信號和模擬信號混合的系統改造為全數字信號系統的發展，Profibus-DP會在光纖光纜生產線中得到越來越廣泛的應用。