西门子6ES7221-1BH22-0XA8接线图形贝加莱的可编程自动化控制器（PCC）与数据通讯网络具有全开放、易扩展、处理能力强和通讯功能强大等优点。本文介绍了以其为主构建的东海粮油食用油罐区监控管理系统，着重描述了该系统的硬件构成、主干通讯网络的分布式体系和冗余环网结构、实时数据库软件与标准OPC协议以及该系统的主要功能及其特点。 关键词：食用油罐区；监控管理系统；贝加莱可编程自动化控制器；实时数据库软件；OPC协议 中图分类号：TP29 文献标识码：B 0 东海粮油工业（张家港）有限公司（以下简称东海粮油）是由两家世界500强企业——中国粮油食品 (集团)有限公司、美国ADM公司与新加坡KENSPOT公司联合，共同投资兴建的大型企业。它是的“福临门”系列食用油的主要生产基地之一，也是全球大的综合粮油食品加工基地之一。为了配合国家食用油战略储备计划的实施，东海粮油在原有一、二号罐区的基础上，新建了三号和四号罐区，并还将陆续增建其它罐区，形成庞大的食用油战略储备基地。所有新建罐区的监控系统目前均采用贝加莱工业自动化提供的成熟产品——可编程自动化控制器PCC—2005系列作为其现场数据采集及控制站。 1 监控系统的结构 1.1 系统硬件构成 如图1所示，该系统的数据通讯网络包括两层主干通讯网络——上层的管理网（工业以太网）和中层的控制网（高可靠性的冗余光纤环网）以及底层的现场总线。管理网与控制网通过光纤环网的光纤交换机和工业以太网的电气交换机连接。若按功能划分，则该系统可分为数据采集与控制级（I级）和监视管理级（II级）。 I级系统以多台贝加莱的PCC为核心，包括各现场PCC站、中控室监控计算机和码头监控系统等设备。各PCC均挂接于控制网（冗余光纤环网）上，它们与各自的远程扩展装置分别通过POWERbbbb、PROFIBUS-DP和CAN等现场总线实现数据交换。 II级系统则以系统的数据服务器为核心，包括两台工作站和多台Web客户机和局域网客户机。它们均通过数据交换机接入工业以太网以实现数据资源共享。 1.2 主干通讯网络的分布式体系和冗余环网结构 整个罐区的通讯网络采用基于TCP/IP协议以及Server/Client配置方式的分布式体系结构，支持实时数据共享和分布式数据库，易于扩展采用以太网和TCP/IP协议构建的通讯网络平台，并通过标准OPC协议实现数据服务器与各PCC之间的数据交换。控制器的各设备供应商均提供以态网接口，能实现从底层到上层的无缝连接和实时、高速的数据传输。 为了确保整个网络系统的安全性和可靠性，采取了以下措施： （1）在主干通讯网络上使用冗余的光纤和电气交换机，确保了整个通讯网络的可靠性。 （2）在数据交换技术上采用接点带宽控制、围栏技术和liuliang有序控制技术，使数据在传输过程中碰撞和堵塞的几率大大降低。 （3）网络传输介质采用冗余环行光纤回路，若发生任意一处光纤介质的损坏，通讯路径仍可以自动路由到其它通道，这样就确保了整个数据通讯链路不会由于局部损伤而导致中断。 1.3 实时数据库软件与标准OPC协议 在数据服务器中装入实时数据库软件，通过标准的OPC协议采集贝加莱PCC的实时数据，以PCC作为OPC server，实时数据库软件作为OPC client。数据服务器将采集的数据直接以web 的形式提供给局域网上的各用户，各客户端能利用标准的IE浏览器进行数据浏览和分析等操作。实时数据库用来存放原始数据和修正后的数据，来自该系统中各生产过程PCC分站的采集数据和手工录入数据以及修正后的数据，均应保存在实时数据库中。数据服务器软件应对各种来源、各种类型的数据进行合理组织，以标准化的数据结构存储于实时数据库中，既应保证数据的完整性和一致性，也应方便数据的查询和应用。 图1 罐区监控系统的硬件结构2 监控管理系统的主要功能及其特点 食用油罐区进、销、存数据采集、监控、管理系统，是集成了网络信息管理技术而设计开发的针对不同应用场合的油品储运计算机监控管理系统，它通过信息的集成和网络化管理实现了对油品进、销、存的自动化监控和管理。在整个自动化监控管理系统中，贝加莱PCC产品的许多功能和优势都得到很好的发挥。 2.1高精度实时测量模块的应用 罐内油的工艺参数测量包括液位、温度、压力、密度、liuliang、净油量等的实时数据和趋势曲线。所有罐体均采用高精度激光雷达液位计进行测量液位，再根据罐容表、密度、压力、温度等参数计算出罐内油的重量。由于雷达液位计的测量精度可达1mm，普通模拟量输入模块的精度不够，选用了贝加莱的AI780高精度模块，其分辨率可达16bit，该模块的供电方式灵活，可节省硬件成本。 针对liuliang计检测信号的特点，选用了贝加莱DI450高速计数模块，准确地获得了liuliang测量数据。 2.2 PCC的超大内存容量和强大的计算功能 这是贝加莱PCC产品的优势所在。对于计算每个罐体内油品的重量，过去常用的方法是通过PLC采集各相关参数，上位计算机再根据罐容表进行查询，并利用相关公式进行计算。由于整个罐区内共有数百个罐体，仅罐容表（数据）就有厚厚一打书，电脑查询和计算一遍所需的时间很长，经常造成计算机死机。该系统采用在PCC中开辟内存，把罐容表中的各项数据直接写入PCC的FIXROM中，根据实际检测到的液位参数，使用动态指针直接查询罐容表，再按照有关公式即可立即计算出油品重量，上位计算机只需实时显示即可。整个过程可在毫秒级内完成，这极大地减轻了上位计算机的计算任务，使整个监控系统的实时性大大tigao。 2.3 方便、灵活的I/O扩展方式 整个罐区（1#~4#）的PCC均采用了扩展I/O配置方式。如比较常用的远程I/O扩展方式，以及贝加莱致力推广的POWERbbbb总线扩展方式。 （1）远程I/O扩展方式：大距离为1200m，扩展站的数目多可达31个远程从站，传送速率在100k~2M Band之间，成本低廉，结构简单，通过屏蔽双绞线即可连接。 （2）ETHERNET POWERbbbb总线扩展方式 (采用B&R的快速以太网协议)，完全建立在标准快速以太网上，它完全符合标准以太网的拓扑结构和物理特性。它的传输速率高为100Mbps，使用带RJ45插头的标准双绞线电缆（超五类电缆）连接。网段长度为100m，支持星型和树状结构。 2.4 强大的通讯功能 （1）PROFIBUS-DP主要用于自动化系统的主控设备与分散的I/O和控制装置之间的数据通信。它能实现控制底层的较高速度的数据传输，主站周期地读取从站的信息并向从站发送信息。码头监控系统的PCC通过PROFIBUS—DP现场总线与和六套托利多的称量仪表进行通讯，实时采集每次称量的重量和累计重量，并进行称量值的实时趋势分析，以控制管道阀门的开闭和油泵的启停。 （2）通过RS485串口进行数据通讯。在PCC站中配置RS485通讯卡，它与布勒打包称的称重终端进行点对点通讯，实现数据采集。 （3）UDP /TCP协议。UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面有所不同。TCP协议中包含了专门的传递保证机制，当数据接收方收到发送方传来的信息时，会自动地向发送方发出确认信息，发送方只有在接收到该确认信息后才能继续传送其它信息，否则将一直等待直到收到确认信息为止。与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报文的丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。通常人们把UDP协议称为不可靠的传输协议。 在整个罐区监控系统中的1#~4#罐区子系统，它们既是各自独立又是互为连锁的，为此，各套PCC站的CPU之间需要通过冗余光纤环网保持双向数据通讯。该系统采用了TCP/IP协议和UDP报文协议，较好地实现了不同罐区之间的倒罐和码头远程启/停泵等功能。 2.5 丰富的罐区动态功能画面 为了给该系统的操作和管理人员提供便于监视和操作的人机界面，该系统设计并组态了数十幅动态功能画面，其中某些主要画面示例如下： 图2 油罐区画面 图3 油泵房画面2.6 其它功能 （1）当发生罐或管道泄露、油位超限、水位超限、可燃气体超标等异常状况时，发出声光报警信号。（2）该系统集成了各种控制功能，如油罐进/出油操作与液位之间的联锁、泵与阀门的联锁控制和报警系统等。 （3）配备了开放型接口，可以与现有的及新的各种罐区测量系统连接，并可利用标准网络技术扩展系统 。 （4）可进行油罐库存历史数据查询，并显示其历史趋势曲线，还可根据历史数据完成各种统计和计算，如历史库存量、进出油量等。 （5）可实现油站进货管理、库存管理、销售管理和客户管理。 （6）利用网络技术可进行远程访问，对数据访问者有登录权限管理，保证了系统的信息安全和可靠。1 前 言 目前国内外染整设备技术发展总的趋势是向环保、绿色、节能、低耗、高效、智能化方向发展。磨毛整理机的发展仅有几十年的历史。以德国、意大利为主的一些超柔软磨毛整理机诞生于上世纪90年代，到已经形成了广泛应用计算机控制等高新技术的发展趋势。随着电子技术的迅猛发展，国内磨毛机技术的进步也相当的快，新一代磨毛机研发于21世纪初，但到目前为止其技术水平和国际先进磨毛机尚有一定差距 。国内外磨毛机产品的技术现状对比分析如表1.1所示。织物的张力 是织物与磨毛辊接触松紧度的表现。在磨毛过程中,布面张力越大,布面与磨毛辊接触越紧密,磨毛效果越好。但张力不能过大,否则织物强力下降也越多,影响织物性能,使磨毛效果变差,出现布面发花、绒毛不均匀,导致磨柳等疵品。织物保持恒定的张力可避免出现表面绒毛出现裂缝等瑕疵，在高速运行的磨毛机上，实现织物的实际张力保持恒定非常关键。 2 磨毛机主要工作单元 其中进布辊、前导辊、后导辊、上导辊和出布辊为导布系统辊，是由伺服系统控制。锡林、左右磨辊和可调速扩幅辊由变频控制。不可调速扩幅辊跟随可调速扩幅辊启动、停止。 张力控制过程为：以织物张力为控制量，以导步辊转动速度为控制量建立恒张力闭环控制子系统。PCC通过模拟输入端口实时接收张力传感器检测回来的值，从而判断各处张力大小，根据张力设定值，运用PCC内部的PID控制算法，计算出伺服电机转速变化量，通过高速脉冲输出端口发送脉冲信号给伺服驱动器驱动电机旋转，保证运行过程中系统张力恒定。 图2.1磨毛机主要工作单元构成 (1)进布辊(2)前导辊(3)后导辊(4)上导辊(5) 出布辊 (6)锡林(7)左磨辊(8)右磨辊(9)可调速扩幅辊(10)不可调速扩幅辊3 电控系统框图 本项目的电控系统主要由触摸屏、PCC控制器、张力传感器、伺服控制系统、变频控制系统这5个部分组成 。其系统控制框图如图3.1所示。 图3.1 磨毛机电控系统总体框图本项目中电控系统设计的核心主要是保证织物在正常运行过程中的张力恒定，通过张力传感器检测和织物进布速度的闭环控制，用通讯方式同步，实现恒张力的实时控制以及多电机之间的同步协调运动。即采用多轴传动张力控制系统，设计能够反应真实变化的张力采样方式，在运行过程中织物的实时张力通过4个张力传感器进行检测，与设定的张力值进行比较， PCC内部的PID模块对实际张力进行自动调整，保证织物在运行过程中张力恒定。其触摸屏采用的是B&R Power Panel 300 bbbbbded，伺服电机采用的是B&R 8MS同步伺服电机。 4 基于PCC的软件框架设计 系统软件采用模块式编程，软件部分主要由“PT界面设计”、“主从通讯”、“变频器控制”、 “伺服电机控制”及“张力调节” 等模块组成。这里主要介绍张力调节模块的设计。 4.1 PCC控制的软件框架 开关量和4个伺服的控制程序及驱动程序等在PCC中编写。PCC的软件框架图如图4.1所示。 图4.1 PCC的软件框架图4.2 PCC的软件框架 上导伺服5和4个变频器的控制程序放在PCC中编写。PCC的软件框架图如图4.2所示。 图4.2 PCC的软件框架图4.3张力调节模块设计 由于伺服控制系统不仅能控制速度，还能控制位置，与变频调速相比，伺服控制更jingque、可靠。本设计中张力调节控制采用的是伺服控制系统，其控制软件采用PCC的内置PID调节 。 4.3.1 PID控制系统框图 PID调节器由比例调节器(P)，积分调节器(I)和微分调节器(D)构成，图4.3所示为PID控制系统框图。 图4.3 PID控制系统框图图中R为设定的期望值，Y为控制变量，S为实际输出值，e为控制偏差值(e=R-S)。 工作原理：直接采用PCC里面具备的PID指令编程模块，从模拟量输入通道获取指定的张力信号--->AD--->张力数字量--->进入PID模块，按照设定参数（比例系数、微分时间、积分时间等）通过PID计算---->调整后的张力值，将运算结果放到输出通道。通过公式转换计算出调整后的频率值。 4.3.2 PID控制算法 PID控制是根据给定值R(t)与实际输出值S(t)之间的偏差e(t)来进行控制的。将偏差的比例 (P)，积分(I)，和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制 。 PID控制算法的基本运算式如下： 将各变量用数字量表示，公式如下： 在张力控制中，综合考虑PCC的运算速度和伺服控制系统转速以及控制精度的要求，采样周期设为200ms。 式中SK为第K次伺服电机输出脉冲频率，控制伺服电机的速度。SK-1 为上一次脉冲输出频率值。 △ek为实际输出的脉冲数和应该要输出的脉冲数之差。 △ek= ek- ek-1为第K次采样所获得的偏差数。 △ek-1= ek-1- ek-2为第K-1次采样所获得的偏差数。 Kp,Ki,Kd分别为比例系数、积分系数、微分系数。 实际调试过程可对Kp,Ki,Kd进行调试，选定合理的值，保证偏差控制在合理的范围之内。 4.3.3 张力控制程序流程图 张力控制程序流程图如图4.4所示。 图4.4 张力控制程序流程图张力传感器的值被传送到PCC的模拟输入通道，通过模拟量转换为数字量，之后可以先进行张力预紧，使运行前各张力达到设定值的70%左右，以免全机启动后张力立即松掉。 全机启动后，伺服和变频控制系统由0开始加速运转，进行加速过程中张力的实时控制。在加速15s后系统进入匀速运转阶段，此时，加速张力控制关闭，开启匀速状态张力控制来实现匀速状态下张力的实时控制。在匀速状态改变设定值，就进入加速或减速状态，时间为5s。张力控制采用传统的PID控制。全机停止时，开启减速张力控制，直到机器停止。 5 本设计主要从控制系统工作原理、硬件结构及软件模块设计等方面探讨了磨毛整理机电控系统。采用PCC作为核心控制单元，将导布系统用伺服控制系统代替变频控制系统后，使磨毛机运行过程中各张力值更加稳定。实现了技术突破，大大tigao了生产效率和系统稳定性。织物经磨毛机加工后，手感柔软滑爽，绒毛短匀，有的织物可达到观之无毛摸之柔爽的效果，极大的tigao了织物的附加值。
