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1 引言

    某家大型的跨國公司主營業務為生產和經銷電子元器件,其中又以生產二極管,半導體可控硅為主。該公司在中國有一家的大型獨資企業,以生產汽車,計算機等產品所需二極管為主。二極管是比較簡單的電子器件,單只的體積小,價格低廉,但其生產工藝確并不簡單,并且在生產過程中對環境條件的要求十分嚴格,比如環境溫度.空氣濕度等。一旦這些條件不能滿足,就會生產出的不合格產品,又由于此種產品的特性決定了它不可能全部精確檢驗,因此不合格產品就會導致其它產品的質量問題,所謂"千里之提,毀與蟻穴"就是這個道理。

    為了確保產品質量,從而進一步增強產品市場競爭力,該公司委托我們為其設計并實施一套廠務監控系統,將全廠的生產輔助設備的工作狀態以及生產環境等參數集中監視起來,使設備管理人員能夠及時了解設備狀況及生產情況,從而能夠及時調整生產環境,排除設備隱患,使產品質量充分得到保證。

2 信號組成

    廠務系統主要包括生產輔助設備及輔助條件,這里不包括元器件的生產設備。該廠半導體的生產主要需要以下一些輔助設備及條件:

    a.工廠配電設備.
    b.負責在冬天保持環境溫度的鍋爐供水系統.
    c.負責在夏天平抑環境溫度的空調系統.
    d.冷卻水及冰水系統. 
    e.為保持空氣溫度及相對濕度而建立的新風系統.
    f.生產設備所需的壓縮空氣
    g.生產設備所需的高壓水
    h.消防系統

    以上系統所需采集的信號大致可分為以下幾種:

    a.壓力信號
    b.流量信號
    c.液位信號
    d.溫度信號
    e.濕度信號
    f.露點信號
    g.電壓,電流信號
    h.功率,功率因數,電量信號

3 技術構思

    根據用戶要求及現場情況,我們決定采用西門子公司S7-400型PLC承擔信號采集工作,又根據現場將要采集的信號位置分散的特點,采用了西門子公司Profibus現場總線中的遠程I/O即DP技術。各傳感器信號就近接入Profibus子站,這樣可以最大限度的減少現場接線工作,并且因為走線距離短,可以減少信號衰減和各種干擾對信號的影響。

    作為監控系統的核心的人機交互系統,我們采用西門子工業控制計算機和工業顯示器作為人機交流的物理介質,計算機上除運行Windows NT操作系統外還運行西門子公司Windows Control Center組態軟件作為人機界面,通過計算機屏幕將組態的信息以文本,畫面,報警等多種形式呈現給管理人員。為了對生產及設備進行更好的管理,擬運用WinCC的數據歸檔功能將所有監控的信號做為期一年的存檔,這樣,用戶可以隨時查閱過去一年與生產有關的參數的值及其變化曲線。

4 網絡結構及網絡特性

    監控系統的主干網絡采用Profibus網絡, Profibus現場總線網絡共有三種協議方式,分別為FMS,DP和PA。我們本次應用的為DP方式。DP網絡結構為主從結構,一條DP網可包含一個主站和最多126個從站, 網絡傳輸距離在不使用中繼器的情況下可達到1000米,傳輸速率從9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可選。網絡傳輸速率達到12Mbit/S 時其傳輸距離最長為100米。

    本監控系統的Profibus DP主站為S7-400PLC,從站是分布于全廠的8個ET200M子站,它們之間通過標準的屏蔽雙絞線連接,其中由于第5與第6和第7號站之間的距離比較遠,為保證通訊速率及可靠性,我們在這三個子站之間增加了兩個中繼器以確保設計傳輸速率1.5M。作為監控系統的主要組成部分的工控機,它在物理上也掛接到DP現場總線上,但它與作為網絡主站的PLC之間的通訊不再是DP協議,而是S7協議。

    在所監控的設備中包含有ATLAS公司的空壓機和施耐德公司的中壓控制器,此兩種設備中預裝有施耐德公司的MODBUS通訊模板,為在實現功能的前提下盡量減少用戶的負擔,我們采用西門子公司的CP341通訊模板直接與此兩種設備通過MODBUS協議進行通訊,MODBUS網絡結構與Profibus DP網絡結構類似也為主從結構,一個主站可以連接32個從站,通訊速率為9.6Kbit/S到38.4Kbit/S可選。當然如果能在兩種設備中增加Profibus DP通訊模板將會使網絡結構更加合理,.工程實施更加方便,但考慮到合理利用現有資源,我們還是采用了前一種方案。

整個監控系統的網絡結構見下圖:

5 通訊網絡配置

    網絡配置分為軟件配置和硬件配置兩部分,軟件部分通過STEP7編程軟件對S7-400 CPU414-2DP進行配置包括通訊速率,子站數量及站地址等。當軟件配置完成后,各接入的監控信號在CPU中的對應地址將會自動生成。硬件配置主要是將各ET200M子站的接口模塊IM153上的地址撥碼開關設置成與軟件設置相同。MODBUS的軟件設置較復雜,除了要設置通訊地址及通訊速率外,因為是用CP341做主站,因此還要對CP341做特殊的設置,包括對CP341進行驅動程序下載(LOAD DRIVER)。此監控系統中的MODBUS網絡在物理介質上也采用了屏蔽雙絞線,在總線的末端接入120歐姆做為終端電阻。

6 監控功能簡介

    本監控系統將監控內容按照所接入的Profibus分站分為八個部分。每個分站均含有一幅或幾幅畫面用來顯示要監視的信號,這些信號有些把實際數值直接顯示在屏幕上,有些則是通過動態棒圖或其它的形式來展示。每幅畫面中均包含進入其它分站的按鈕,點擊這些按鈕就可直接進入其它分分站。這使瀏覽路徑盡量簡化。

    系統提供了全部被監視信號在最近半年或一年的過程值的連續記錄,并可以通過連續曲線圖表現于歷史查詢畫面中,每個畫面中均有一個或幾個曲線圖窗口,窗口包括過程值的數值坐標,時間坐標,在當前時間坐標內的變化曲線, 并有趨勢圖設置菜單條，包括模板調整、時間范圍設定、局部放大等功能。

    本監控系統為用戶提供了及時與詳盡的故障報警,報警共分為三個等級,按照故障的主次程度排列,與生產關系最緊密的設備故障或最重要的過程值超過設定值被列為一級報警。二級、三級報警依次類推。對于一級報警，系統除在報警畫面中作出相應提示外，還以警鈴與警燈提醒用戶報警的嚴重性。如果發生第二級報警，系統除在報警畫面中作出相應提示外，還以警燈提醒用戶這是次一級的報警。對于第三級報警，系統只在報警畫面中作出相應提示。

    在除報警畫面以外的所有畫面中的底部均有一個報警條，隨時刷新出現的報警,報警條中包含報警級別,報警時間,報警設備等信息。監控人員在發現有報警出現后即可對報警設備作出及時的處理。

    報警條的顯示有三種型式:

    1.報警出現: 此時報警條的顏色為紅色.
    2.報警消失: 此時報警條的顏色為綠色.
    3.報警確認: 此時報警條的顏色為黃色.

    系統提供方便的打印功能,能夠將監控值的瞬時值按照順序打印出來,也可將某一過程值在某一時間段內的變化曲線打印出來。

7 應用狀況

    上面介紹的監控系統從2000年1月至今一直正常運行于上面提到的半導體二極管生產廠, 信號采集可靠,網絡傳輸穩定,人機界面清晰明確,為設備管理人員把握設備狀況,及時發現設備隱患及總結設備管理經驗提供了極大的幫助。在此監控系統投入使用以前,該廠的設備管理人員必須不停的奔走于各個設備之間,記錄設備的各種運行參數,既浪費人力又浪費時間。現在設備管理人員只需要對設備進行循檢,既定期對設備進行檢查,記錄參數并與監控系統的指示進行比較。

8 結語

    本文介紹的廠務監控系統不僅適合與這樣的電子生產廠,也適于其它設備分散,又需要對設備及生產環境進行長期監控的場合。本文所述的廠務監控系統因是在已完全建成并正常生產的工廠建立,因此缺少控制功能,如果在建廠初期就設計監控系統,則既可以實現集中監視功能又可以集中控制功能,這樣將使監控系統發揮更大的優勢。