摘要：針對某輪胎廠硫化車問控制系統(tǒng)設(shè)計實例，介紹了利用開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC完成生產(chǎn)的步序控制，并由以太網(wǎng)模塊完成PLC與上位工控機之問的數(shù)據(jù)通訊 關(guān)鍵詞:硫化機；算機控制；工業(yè)以太網(wǎng)：MC協(xié)議 1 引言 隨著4C技術(shù)的發(fā)展（Computer，Contro1，CRT），由監(jiān)控軟件和PLC（可編程控制器）組成的控制模式已成為計算機控制系統(tǒng)的流行趨勢。此類控制模式中，系統(tǒng)一般分為上、下兩個層次，工業(yè)控制計算機為上位機，主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲、分析處理、復(fù)雜運算、狀態(tài)顯示以及打印輸出等功能；PLC為下位機，主要完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別、輸入輸出控制等功能。這種模式充分利用了微機和PLC各自的特點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。本文源于某輪胎廠硫化機車問擴建改造工程實例，考慮到工業(yè)以太網(wǎng)良好的可靠性和實時性，采用其作為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)輪胎硫化過程的關(guān)鍵參數(shù)實時檢測、記錄、存儲和報警等功能。 　　輪胎硫化過程是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，也是輪胎制造工藝流程中的最后一個關(guān)鍵階段。為了使得最終產(chǎn)品滿足規(guī)定的質(zhì)量標準，這一過程中所發(fā)生的各種化學(xué)、物理反應(yīng)都必須嚴格按照預(yù)定的方式進行。因此，必須使用PLC對硫化機設(shè)備的溫度、壓力、時問等關(guān)鍵參數(shù)進行嚴格控制，使其按照預(yù)定的軌線波動。除此之外，現(xiàn)場工作人員，必須清楚地知道每個輪胎的硫化情況，因此必須實時地對這些關(guān)鍵參數(shù)進行各種方式（數(shù)字或曲線等）的顯示、記錄和報警等，本文所述監(jiān)控系統(tǒng)很好地完成了上述工作。 2 系統(tǒng)構(gòu)成 該車間主要生產(chǎn)乘用車輪胎和輕型、中型卡車輪胎，其裝置的硫化室內(nèi)徑一般在65°以下，因此采用國內(nèi)廣泛運用的液壓式膠囊雙模定型硫化機，一個硫化裝置能同時對兩個輪胎進行硫化。對硫化機的控制情況直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量，本文所述監(jiān)控系統(tǒng)通過控制站的PLC直接完成對硫化機的控制，因此控制站的結(jié)構(gòu)直接影響著整個系統(tǒng)的性能。 　　硫化過程步序控制采用的三菱Q（Q02）系列PLC，并使用與其相配套電源模塊、基本機架、模擬量輸入（AI）模塊、模擬量輸出（A0）模塊、數(shù)字量輸入（DI）模塊、數(shù)字量輸出（DO）模塊和一些溫度壓力傳感器等對關(guān)鍵參數(shù)進行檢測、控制和報警。采用三菱的觸摸屏或平板電腦完成對單臺硫化機關(guān)鍵參數(shù)顯示、控制參數(shù)設(shè)置等功能，平板電腦采用與PLC進行通訊，觸摸屏直接讀取PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)單元的值，因此PLC機架上安裝了三菱串口通訊模塊（C24）與平板電腦進行通訊，通訊中遵循三菱公司制定的串口通訊協(xié)議。平板電腦運行一個用VB編寫的程序通過串口采集關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，并用以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸給上位機，觸摸屏所在的硫化機通過三菱以太網(wǎng)模塊E71與上位工控機通訊。 　　監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和信息傳遞的可靠性、實時性，監(jiān)控計算機和PLC之間采用高速可靠的標準工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，通訊速率達10Mbps，這種方式可在無需增加任何硬件的前提下方便地與其它信息管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，形成管理控制一體化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以提高全公司的管理水平。 　　監(jiān)控站主要完成實時數(shù)據(jù)的記錄和顯示、監(jiān)控硫化過程的參數(shù)變化、各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和報表、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。它主要由兩臺高性能工業(yè)控制計算機來完成的，其硬盤容量為，根據(jù)其要求的數(shù)據(jù)采集速率，可以存儲不少于10年的數(shù)據(jù)。其基本硬件構(gòu)成為： 　　研華高性能_T控機2臺：CPUPIII1.OG，內(nèi)存128M，硬盤30G，顯示器17、J‘彩顯，網(wǎng)卡和集線器等。 　　軟件基本構(gòu)成為： 　　系統(tǒng)軟件：Windows2000professional。 　　應(yīng)用軟件：MicrosoftOffice，用VC白行編寫的監(jiān)控軟件。 　　圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)分為三個層次：第一層為兩臺工控機組成的上位機監(jiān)控站；第二層為由集線器、雙絞線和收發(fā)器等組成的工業(yè)以太網(wǎng)；第三層為控制站，根據(jù)具體的實現(xiàn)細節(jié)，分為平板電腦硫化機群和觸摸屏硫化機群兩種，圖中只給出了通訊涉及到的硬件連接。 [align=left] 監(jiān)控站和控制站的數(shù)據(jù)傳輸是基于以太網(wǎng)的，考慮到傳輸過程對實時l生和可靠性的要求，選擇TCP～P作為通訊協(xié)議，并采用C／S模式（客戶機／服務(wù)器模式）使控制站和監(jiān)控站實現(xiàn)面向連接的通訊。同時，由于下位控制站為三菱PLC，它通過以太網(wǎng)模塊E71與工控機進行通訊，因此，通訊過程所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包還必須遵循三菱的MC協(xié)議。 　　通訊過程中，上位I：控機為通訊模式中的服務(wù)器，它監(jiān)聽每個客廠1端的連接請求，并每隔一個時間段（通常為一個采樣周期）檢測每個連接的有效性，若有效，則按照MC協(xié)議的格式發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給下位機以讀取相應(yīng)參數(shù)的值；當接受到一個數(shù)據(jù)包以后，先檢查數(shù)據(jù)包的有效性，若有效，則解包并分析出相應(yīng)參數(shù)的值，否則丟棄該包。客廣端實際為E71模塊，它內(nèi)置有一個固化的通訊程序（初始時，需要對該固化程序用到的參數(shù)進行設(shè)置，如IP地址、端口號、使用的協(xié)議和通訊方式等），該固化程序負責(zé)分析每一個外部設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)包的正確性，若正確，則根據(jù)數(shù)據(jù)包中包含的命令信息執(zhí)行相關(guān)的操作（如讀寫PLC中的某個數(shù)據(jù)單元的值等），并把執(zhí)行后得到的數(shù)據(jù)信息按照MC協(xié)議格式封包發(fā)送給上位機，若不正確，則丟棄該包并開啟E71模塊的錯誤指示燈，若在一個設(shè)定的時間段以內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)包，就強行斷開該連接。由于固化程序中沒有包含建立連接的功能，而E71模塊作為通訊模式中的客，LI端，它必須在連接沒有打開的時候，主動嘗試打開與上位機的連接（發(fā)送建立連接請求），因此這項工作必須在中編寫相應(yīng)的指令來完成。 　　網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置此操作是通過GXDeveloper來完成的。運行該軟件，新建程序后，在Parameter項中的NetworkParameter中設(shè)置。主要設(shè)置項包括：網(wǎng)絡(luò)類型（Networktype），這里選擇以太網(wǎng)；開始10號（StartingI／ONo.），網(wǎng)絡(luò)號（NetworkNo.），組號（GroupNo.），站號（StationNo.），通過這些參數(shù)的設(shè)置來標識一臺PLC所在的網(wǎng)絡(luò)位置；操作設(shè)置指定以太網(wǎng)模塊的IP地址、通訊中的數(shù)據(jù)類型（二進制碼或ASCII碼）和連接打開的方式（PLC主動打開連接或外部設(shè)備主動打開連接）；初始設(shè)置指定以太網(wǎng)模塊在沒有收到數(shù)據(jù)包后多長時問確定外部設(shè)備的存在性、確定的次數(shù)、每次的問隔時間和DNS的設(shè)置等；開放設(shè)置（Openset）設(shè)定通訊使用的協(xié)議（TCP或UDP）、打開連接的方式（主動或被動）、是否需要確定外部設(shè)備的存在性、外部設(shè)備的IP地址、外部設(shè)備相關(guān)程序的端口號等。 　　客廣端連接建立步驟通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置，PLC作為客戶端需要主動建立與上位機的通訊連接，同時PLC必須保證它本身與上位機之間的連接的健壯性。存任何一個時刻，如果連接出現(xiàn)異常則要重新建立連接。因此在PLC的順控程序中，需要檢測連接的打開狀態(tài)位，若為OFF，則要用定時器循環(huán)建立連接，直到狀態(tài)為由變?yōu)镺N。而在這種方式中打開狀態(tài)位由ON變OFF有兩種方式： 　　·當接受到外部設(shè)備的關(guān)閉命令或PLC主動要求關(guān)閉時，執(zhí)行關(guān)閉指令。 　　·當以太網(wǎng)模塊在設(shè)定的時間內(nèi)沒有收到數(shù)據(jù)包，并在確認外部設(shè)備的存在性后認為外部設(shè)備不存在（外部設(shè)備非正常關(guān)機、監(jiān)控軟件非正常退出和網(wǎng)線脫落等情況），由模塊內(nèi)部的固化程序強行關(guān)閉連接。PLC端順控程序梯形圖邏輯步驟如圖2所示。當成功打開連接后連接打開狀態(tài)位將自動被設(shè)置為ON，成功關(guān)閉連接后連接打開狀態(tài)位將簍自動被設(shè)置為OFF。 [/align] [align=left]　　服務(wù)器端連接建立步驟服務(wù)器端監(jiān)控軟件是用VC編寫的，采用CSOCKET的派生類來完成通訊，CSOCKET類是對WINSOCKET的高層封裝，客戶端和服務(wù)器實行同步通訊，并且屏蔽了TCP／IP協(xié)議的實現(xiàn)細節(jié)，只需處理相關(guān)的WINDOWS事件和調(diào)用服務(wù)函數(shù)就可以完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。通訊部分定義了一個服務(wù)器套接字對象和幾個客戶端套接字對象（個數(shù)由下位機的臺數(shù)決定），并由一個客戶端套接字鏈來管理所有客戶端套接字。服務(wù)器套接字主要負責(zé)監(jiān)聽連接請求、客戶端套接字更新等，每次監(jiān)聽到新的連接請求后，根據(jù)發(fā)出請求的下位機IP地址生成新的客戶端套接字，并把它插入程序的客戶端套接字鏈中。客戶端套接字保存已建立的連接信息，當發(fā)出連接請求并成功建立后，生成一個客廣端套接字對象，它是上位機與下位機收發(fā)數(shù)據(jù)的依據(jù)。服務(wù)器端連接建立步驟的流程如圖如圖3所示。 [/align] 　　協(xié)議協(xié)議的全稱為，它包括串口和以太網(wǎng)兩個部分，本文討論的是其在以太網(wǎng)中的應(yīng)用，因此串口部分不做介紹。它規(guī)定了外部設(shè)備與以太網(wǎng)模塊進行數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)格式（幀中每個數(shù)據(jù)位的具體含義），同一種幀包含了ASCII碼和二進制碼兩個版本，本文僅討論它的ASCII碼形式。系統(tǒng)使用QnAcompatible3E幀，它是適合與E71模塊進行通訊的幀。其包含的域如圖4所示。 [align=left]　　其中，報頭為TCPhP報頭，由于在VC中使用的派生類通訊，所以該項已透明；消息類型標識數(shù)據(jù)包是外部設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)包（命令包，為“5000”時）還是以太網(wǎng)模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)包（響應(yīng)包，為“D000”時）；Q協(xié)議頭指定了數(shù)據(jù)包發(fā)至，發(fā)自的下位機在網(wǎng)絡(luò)中的位置以及此項以后還有多少個字節(jié)為幀的結(jié)尾；命令代碼為命令的類型，它由一個主命令和一個子命令來唯一標識，響應(yīng)包中不包括此項：數(shù)據(jù)域為命令數(shù)據(jù)或響應(yīng)數(shù)據(jù)。 　　4 監(jiān)控軟件設(shè)計 上位機監(jiān)控軟件主要完成對硫化過程的實時數(shù)據(jù)顯示、存儲、分析與報表和報警等功能，它采用VC編寫。軟件的功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 [/align] [align=left]　　網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要是按照上節(jié)所述的步驟進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)；實時數(shù)據(jù)顯示和報警，每當收到一組正確的數(shù)據(jù)后，根據(jù)其值進行實時數(shù)據(jù)顯示和實時曲線繪制，實時曲線采用圓盤坐標的形式繪制一天之內(nèi)的所有硫化機關(guān)鍵參數(shù)的實時曲線，并對超出規(guī)定范圍的實時數(shù)據(jù)進行報警以及網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)報警等數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)查詢部分主要是對歷史數(shù)據(jù)的操作，通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，對每臺硫化機已發(fā)生過的硫化過程進行數(shù)據(jù)和曲線等多方面的分析，找到硫化過程中潛在的錯誤；數(shù)據(jù)庫管理主要功能包括數(shù)據(jù)的存取和維護等，從網(wǎng)絡(luò)中接收到的數(shù)據(jù)需要立即存入數(shù)據(jù)庫中，以便以后分析，同樣在數(shù)據(jù)分析時需要查詢歷史數(shù)據(jù)庫，該部分采用來完成，為了方便數(shù)據(jù)的管理，程序每天自動產(chǎn)生一個文件，每個文件為每一臺硫化機維護一個表進行參數(shù)記錄報表功能主要包括歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計報表、已產(chǎn)生的歷史曲線數(shù)據(jù)和實時曲線、數(shù)據(jù)的打印輸出等。 5 總結(jié) 輪胎工業(yè)屬于混合工業(yè)，所涉及到的底層信息實時性強、數(shù)據(jù)量大、種類繁多，其車間自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實施具有一定的復(fù)雜性。系統(tǒng)通過現(xiàn)場調(diào)試、試運行，情況良好。實踐證明，采用本文所述系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動監(jiān)控，減輕了工作人員的勞動強度，提高了工作效率，能與其它車間的計算機制造系統(tǒng)一起構(gòu)成企業(yè)的計算機集成制造系統(tǒng)。[/align]