廢舊鋼桶翻新自動化生產線系統設計（2）-生產線控制系統總體設計

文/解俊強

第2章  生產線控制系統總體設計

本文所研究的翻新生產線其實質是機電一體化系統。機電一體化技術又被稱為機械電子技術，是結合了機械技術、電子技術和多種新興技術的綜合性高技術。機電一體化系統或產品功能不盡相同，而且組成結構繁簡各異，但是其基本組成要素主要大致相同，包括：構造要素、計測要素，功能要素、控制要素、動力要素等。如圖 2-1 為機電一體化系統要素與生產線基本要素對照示意圖。

構造要素一般為產品的機構組成，它相當于人體骨骼結構，如機床本體等，本文研究的油桶翻新生產線的構造要素則是生產線的機械本體，包括連桿傳動機構、機械手爪機構、轉臺機構、噴砂機機構等；計測要素和功能要素分別負責控制信息的采集和指令的執行，計測相當于人的感官和功能相當于肌肉，控制系統則通過傳感技術采集信息，輸入給計算機處理，計算機再發出指令給執行機構，使機械傳動機構動作；控制要素則像人的大腦一樣，對外部輸入的信息進行存儲、分析，將輸入按照程序發出指令，控制輸出執行元件；動力要素為系統提供能量和動力，驅動執行機構，包括電能、氣壓站等。

圖 2-1 機電一體化系統要素與生產線基本要素對照示意圖

2.1 PLC 控制系統的總體結構分析

機電一體化涉及技術領域非常廣，是多種技術科學相互交叉滲透的結果，主要可歸納為六個方面：機械技術、檢測傳感技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術和系統技術。隨著這些技術的發展，機電一體化技術也逐步呈現出以下特點：微型化、智能化、模塊化、數字化、集成化等。

油桶翻新生產線控制系統主要涉及了檢測傳感技術、自動控制技術以及系統技術等，構成了控制系統總體架構，如圖2-2為油桶翻新生產線系統總體結構圖。控制系統的設計內容主要包括工藝流程分析、軟硬件設計以及選型，所以其總體架構主要由兩個方面的系統組成，即生產線控制系統硬件組成和軟件組成。利用PROFIBUS現場總線的搭建了一個分布式的PLC控制系統，并利用西門子網絡技術PROFINET工業以太網，與上層網絡進行數據交換和管理，系統分為現場層、監控層、管理層。現場層：現場層的基礎層級是AS-I（Actuator Sensor Interface）傳感執行交互層，它構建了控制現場的信號采集與指令執行的基礎網絡，現場層以控制器如PLC為核心，與傳感器、執行元件等構成的現場控制網絡；監控層：以控制器PLC為系統主控裝置，通過PROFIBUS網絡通信以及MPI網絡通信實現上位機和計算機與PLC的通信，通過WinCC組態實現系統的可視化管理監控；管理層：利用PROFINET通信技術將PLC的通信模塊CP與交換機連接，通過工業以太網將數據傳送到管理層級。PROFINET通信技術具有應用廣泛，通信速率高，資源共享能力強，可持續發展潛力大等優勢，可以實現監控管理一體化，是其他總線技術無法比擬的。

圖 2-2 油桶翻新生產線系統總體結構

生產線控制系統總體方案設計首先要對生產線功能要求、工藝流程、加工環境等進行系統分析，并用工程化的方法對被控對象進行描述，為控制系統設計打好基礎。控制系統總體方案設計需要從以下幾方面進行展開:

1）系統規模

控制系統規模以I/O點數作為規模大小劃分標準，128點以內為小規模系統，120到512點為中型規模系統，512點以上為大規模控制系統。油桶翻新生產線系統的點數根據現場匯總估算在224點，其中輸入點132個，輸出點92個，屬于中型規模，但經過對工藝流程的分析，由于信號主要為開關量，而且邏輯結構較為簡單，所以選用S7-200即可達到控制要求。

2）硬件配置

控制系統的硬件主要包括傳感器、執行器和控制器。在系統硬件設計中需要確定傳感器與執行器。傳感器就像人的感官，用來測量范圍、精度，保證安全、可靠性等；執行器相當于人的肌體，要明確輸出范圍，保證輸出精度。控制系統設計需要根據系統規模、控制要求估算輸入輸出點數，或者可以根據現場進行I/O點數匯總，確定系統硬件的配置用量，在此基礎上還需要留有10%-20%的冗余量。

3）軟件配置

根據控制系統設計要求選擇合適軟件，一般包括編程軟件、系統平臺軟件、上位機監控軟件等。PLCSIM可以與STEP7實現軟PLC的仿真分析，WinCC需要進行二次開發搭建生產線的組態系統。

2.2 硬件系統的構成分析

PLC控制系統主要可以由一個PLC，一個通信處理器(CP)和一個分布式輸入/輸出(I/O)模塊，以及執行器和傳感器實現。隨著工業技術的發展，現代控制系統受到最大影響之一在于更加智能化、網絡化。控制系統簡單地說就像一個人體系統一樣，采集外界信息后通過通信將信息傳遞給控制器，控制器經過信息處理給執行機構發出指令，完成動作。不同人體系統之處在于控制器的邏輯程序是通過工程人員應用控制算法、程序語言等對控制對象工作流程的設計獲得，相對人體系統來講較為簡單，因此控制系統需要進行監控并對系統進行優化。本文重點應用 PLC 為控制核心，應用 WinCC 組態實現控制系統監控，PLC的控制通過應用編程軟件 SIMATIC STEP7 MicWIN_V4SP3編寫；通信層分為三層，即現場層、監控層、管理層。三個網絡層級的構成如下：

1）現場層

PROFIBUS網絡通信是制造業自動化控制系統中常用的現場級通信方式，是搭建現場層與監控層的有效通信方式，PROFIBUS現場總線具備傳輸快、結構簡單、抗干擾等優良性能，廣泛應用于自動控制系統與分散I/O之間的高速通信。PROFIBUS家族中包括PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）和PROFIBUS-FMS（Fieldbus  Message Specification），PROFIBUS-DP以通信速率高、設置簡單、成本低、功能強等特點得到廣泛應用。現場層的基礎是構建一個最小的AS-I網絡，它必須具備四類組成單元：AS-I 主站，AS-I總線網絡為單主站系統，主站在精確的時間間隔內向其它站點從站傳送數據；從站模塊，I/O從站模塊用于連接現場普通I/O，如按鈕、指示燈、蜂鳴器、電磁閥、繼電器、接觸器、傳感器、電機起動器等；供電單元，用于對從站供電，電壓等級為24VDC；網絡部件，如電纜、信號線等。

2）監控層

監控層的核心則是控制器，通過MPI（MultiPoint Interface）通信方式可以實現PLC與計算機之間通信，可用于控制系統的編程和現場的系統調試與控制。MPI 物理接口符合RS-485接口標準，計算機需要配一塊MPI卡，或者通過PC/MPI、USB/MPI適配器與PLC進行通信。監控層實現可視化監控需要配置觸控屏或者上位機，通過現場總線通信方式并應用WinCC組態更好的實現控制系統的監管。

3）管理層

管理層應用PROFINET總線技術，PROFINET網絡控制適用于各種復雜的生產過程控制，具有較好的實用價值。以工業以太網作為通信網絡，通過以太網模塊CP243-1與工控機通信將數據傳送到管理層級。西門子S7-200 CPU226CN配置了兩個通信端口為RS-485，而且支持PPI通信協議，所以將S7-200連接到PROFINET，管理層通過以太網模塊即可實現上位機與PLC之間通信。

PLC控制系統的設計，需要根據系統的控制要求，以PLC為控制核心確定系統所需的全部輸入設備和輸出設備。輸入設備主要包括按鈕、位置開關、轉換開關及各種傳感器等，輸出設備主要包括接觸器、電磁閥、信號指示燈、氣缸油缸及其它執行器等。圖2-3為PLC系統硬件組組成圖。PLC控制系統，來自外部的開關信號都是輸入變量，首先這些信號經過輸入接口被存儲到PLC的內部數據存儲器當中，接下來經過數據處理或者邏輯運算以輸出變量的方式送到輸出接口，完成對輸出設備的控制。

圖 2-3 PLC系統硬件組組成

2.3 軟件系統的構成分析

2.3.1 控制軟件設計

控制軟件以編程軟件為主要應用對象，以西門子S7-200的編程軟件為例，設計流程一般包括：生產線的工藝流程分析、程序邏輯流程設計、I/O點數分配、順序功能圖設計、控制程序設計。S7-200的程序的組成主要由主程序、子程序、中斷程序三種程序構成。主程序只有一個，名稱為OB1；子程序編寫多達64個，分別以SBR0~SBR63來進行命名，子程序通過主程序、子程序或中斷程序調用；中斷程序可以達到128個，分別以INT0~INT127來進行命名，中斷方式由輸入中斷、定時中斷、高速計數中斷、通信中斷等中斷事件引發，當CPU響應中斷時，可以執行中斷程序。PLC程序的結構類型 STEP7提供了三種：線性化、模塊化和結構化。三種結構的程序有如下特點:

線性化編程：線性化編程的方法適用于以順序控主、簡單的、不帶分支的邏輯控制程序；缺點是由于每個掃面周期要執行程序中所有命令，所以程序中某些部分命令不需要執行時會造成CPU資源浪費，而且當需要執行多次重復命令時需要對程序重新編寫。

模塊化編程：模塊化編程方法適用于較為復雜的系統控制，它的設計思想是將控制任務分成若干獨立任務塊，把任務塊設計成可供主程序OB1調用的模塊化子程序SBR0~63，將較為邏輯復雜的流程用類似于方程降階的思想設計成若干簡單的順序流程。可以說模塊化程序是由若干線性化程序組成的。由于子程序只有在需要時調用，所以相比線性化編程可以提高CPU利用率。

結構化編程：結構化編程是將工藝流程中相同的控制進行分類，類似于將控制任務進行模塊劃分，不同的是這些子程序塊編寫時使用的是“形參”，因此在主程序調用時要給子程序賦值變成“實參”。這樣的設計方法可以使同一個程序塊被不同控制點的相同工藝要求重復調用，可以很大程度的減少編程時間，可以大大降低存儲器存儲用量。結構化編程需要對控制對象工藝流程有透徹的分析、理解。三種編成結構如圖2-4所示。

圖 2-4 PLC三種編成結構

經過項目前期對生產線工藝流程和控制要求的分析，生產線以順序流程為主，中間包含循環工序，整體的邏輯結構較為簡單清晰，采用模塊化編程的方法，能提高PLC的CPU利用率，也便于程序的優化設計。

2.3.2 監控軟件設計

監控軟件的設計以實現搭建人機分離的可視化系統為目的。工業過程控制的監控系統實現方式一般選擇控制器+組態軟件+總線技術。如PLC+WinCC+PROFIBUS等，而隨著物聯網技術的發展應用，還可以通過搭建B/S（瀏覽器/服務器）架構實現遠程監控。同樣以PLC-200為系統控制核心為例，本文著重介紹WinCC組態軟件的在監控系統設計中的應用。監控軟件的設計內容主要有兩大方面：軟件設計和通信的實現。

軟件的設計一般包括兩個設計部分：程序設計和UI設計。控制柜觸控屏軟件程序的設計是應用WinCC組態軟件完成的，組態的設計以編寫完成的PLC程序為基礎，要完成以下設計工作：運用WinCC創建新項目并建立PLC與組態的通信連接；在組態軟件中完成變量的生成與組態和畫面的生成與組態；最后用交叉網絡線連接計算機與觸控屏，將WinCC中組態的項目下載到觸控屏，用Simatic MPI通信線實現觸控屏與PLC的在線通信連接；控制柜的人機交互界面為觸控屏，觸控屏是一種電子通信設備，這類產品的界面設計在工業設計范疇中便是屬于UI設計，即User Interface Design用戶界面設計。人機交互為英文詞匯的翻譯，指的是Human Machine Interaction（HMI），人機交互設計的核心思想是以人為本，即在保證實現產品功能要求的同時，通過對產品的交互設計要達到符合人的生理、心理等多方面特點的要求，為的是不僅要提高工作生產效率，也要保證人的身心的健康愉悅。軟件系統的設計在第四章會進行詳細設計。

2.4 控制系統評價分析方法

系統設計的基本原則是使設計工作獲得最大效果，在保證目的功能要求與適當使用壽命的前提下不斷降低成本。因此控制系統的總體設計方案在應用之前需要進行評價分析，設計評價標準不僅設評價系統水平的標準，也可以作為系統設計原則為系統設計提供指導思想，主要從下面幾方面做分析參考：

1）工效實用性

工效實用性是控制系統首要評價內容，就本文的控制系統而言，最重要的就是要實現功能控制，使生產線實現自動化運行。評價指標形式一般為效率、精度、產量、容量、質量、功率等。

2）運行穩定性

穩定性是指當輸入量受到干擾作用或發生改變時，輸出量會被動偏離原穩定值并過渡到另一個新的穩定狀態的過程中，輸出量是否會超過設定限度區間或者發生收斂性狀態，是系統是否穩定的標志。要保證系統的穩定性一方面要保證系統邏輯的設計合理性，另一方面則需要外部硬件系統選型、配置的合理規范性。

3）操作宜人性

現代工業設計越來越重視人、機、環境的統一，以人為中心把人機交互作為切入點，研究機、環境對人的友好性。例如本文體中控制柜操作按鈕的位置設計、工控機可視化操作界面的設計等，要考慮人的操作習慣以及顏色、溫度、濕度、角度、形狀、觸感等方面，這些都應該以人機工程設計原則為設計準則，以此加以評價。

4）環境無害性

工業對于環境的影響越來越受到社會各界重視，而控制系統的環境無害性主要表現在控制系統的人機交互以及操作環境方面，一般也是一操作宜人性評價作為參考標準。

5）還有結構工藝性、造型藝術性、技術經濟性、成果規范性等各方面的評價內容。需要從系統的裝配、運輸以及其形、質、色的合理運用等方面進行評價。其中規范性最重要的是標準化，產品標準化是要產品各方面指標都符合國家規定的技術標準，其重要性一方面在于標準化產品可有效保證系統可靠性以及穩定性，另一方面從設計角度出發也有利于系統的優化拓展。

2.5 本章小結

本章介紹了總體構架，以此為切點逐步展開：首先設計了系統總體方案；然后基于PLC設計硬件系統和軟件系統方案，硬件系統以系統層級為單元分別進行硬件配置分析，軟件系統以控制軟件的設計和監控軟件的開發為主要內容進行研究；最后給出系統設計評價內容作為系統評價方案。