废旧钢桶翻新自动化生产线系统设计（2）-生产线控制系统总体设计

文/解俊强

第2章  生产线控制系统总体设计

本文所研究的翻新生产线其实质是机电一体化系统。机电一体化技术又被称为机械电子技术，是结合了机械技术、电子技术和多种新兴技术的综合性高技术。机电一体化系统或产品功能不尽相同，而且组成结构繁简各异，但是其基本组成要素主要大致相同，包括：构造要素、计测要素，功能要素、控制要素、动力要素等。如图 2-1 为机电一体化系统要素与生产线基本要素对照示意图。

构造要素一般为产品的机构组成，它相当于人体骨骼结构，如机床本体等，本文研究的油桶翻新生产线的构造要素则是生产线的机械本体，包括连杆传动机构、机械手爪机构、转台机构、喷砂机机构等；计测要素和功能要素分别负责控制信息的采集和指令的执行，计测相当于人的感官和功能相当于肌肉，控制系统则通过传感技术采集信息，输入给计算机处理，计算机再发出指令给执行机构，使机械传动机构动作；控制要素则像人的大脑一样，对外部输入的信息进行存储、分析，将输入按照程序发出指令，控制输出执行元件；动力要素为系统提供能量和动力，驱动执行机构，包括电能、气压站等。

图 2-1 机电一体化系统要素与生产线基本要素对照示意图

2.1 PLC 控制系统的总体结构分析

机电一体化涉及技术领域非常广，是多种技术科学相互交叉渗透的结果，主要可归纳为六个方面：机械技术、检测传感技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术和系统技术。随着这些技术的发展，机电一体化技术也逐步呈现出以下特点：微型化、智能化、模块化、数字化、集成化等。

油桶翻新生产线控制系统主要涉及了检测传感技术、自动控制技术以及系统技术等，构成了控制系统总体架构，如图2-2为油桶翻新生产线系统总体结构图。控制系统的设计内容主要包括工艺流程分析、软硬件设计以及选型，所以其总体架构主要由两个方面的系统组成，即生产线控制系统硬件组成和软件组成。利用PROFIBUS现场总线的搭建了一个分布式的PLC控制系统，并利用西门子网络技术PROFINET工业以太网，与上层网络进行数据交换和管理，系统分为现场层、监控层、管理层。现场层：现场层的基础层级是AS-I（Actuator Sensor Interface）传感执行交互层，它构建了控制现场的信号采集与指令执行的基础网络，现场层以控制器如PLC为核心，与传感器、执行元件等构成的现场控制网络；监控层：以控制器PLC为系统主控装置，通过PROFIBUS网络通信以及MPI网络通信实现上位机和计算机与PLC的通信，通过WinCC组态实现系统的可视化管理监控；管理层：利用PROFINET通信技术将PLC的通信模块CP与交换机连接，通过工业以太网将数据传送到管理层级。PROFINET通信技术具有应用广泛，通信速率高，资源共享能力强，可持续发展潜力大等优势，可以实现监控管理一体化，是其他总线技术无法比拟的。

图 2-2 油桶翻新生产线系统总体结构

生产线控制系统总体方案设计首先要对生产线功能要求、工艺流程、加工环境等进行系统分析，并用工程化的方法对被控对象进行描述，为控制系统设计打好基础。控制系统总体方案设计需要从以下几方面进行展开:

1）系统规模

控制系统规模以I/O点数作为规模大小划分标准，128点以内为小规模系统，120到512点为中型规模系统，512点以上为大规模控制系统。油桶翻新生产线系统的点数根据现场汇总估算在224点，其中输入点132个，输出点92个，属于中型规模，但经过对工艺流程的分析，由于信号主要为开关量，而且逻辑结构较为简单，所以选用S7-200即可达到控制要求。

2）硬件配置

控制系统的硬件主要包括传感器、执行器和控制器。在系统硬件设计中需要确定传感器与执行器。传感器就像人的感官，用来测量范围、精度，保证安全、可靠性等；执行器相当于人的肌体，要明确输出范围，保证输出精度。控制系统设计需要根据系统规模、控制要求估算输入输出点数，或者可以根据现场进行I/O点数汇总，确定系统硬件的配置用量，在此基础上还需要留有10%-20%的冗余量。

3）软件配置

根据控制系统设计要求选择合适软件，一般包括编程软件、系统平台软件、上位机监控软件等。PLCSIM可以与STEP7实现软PLC的仿真分析，WinCC需要进行二次开发搭建生产线的组态系统。

2.2 硬件系统的构成分析

PLC控制系统主要可以由一个PLC，一个通信处理器(CP)和一个分布式输入/输出(I/O)模块，以及执行器和传感器实现。随着工业技术的发展，现代控制系统受到最大影响之一在于更加智能化、网络化。控制系统简单地说就像一个人体系统一样，采集外界信息后通过通信将信息传递给控制器，控制器经过信息处理给执行机构发出指令，完成动作。不同人体系统之处在于控制器的逻辑程序是通过工程人员应用控制算法、程序语言等对控制对象工作流程的设计获得，相对人体系统来讲较为简单，因此控制系统需要进行监控并对系统进行优化。本文重点应用 PLC 为控制核心，应用 WinCC 组态实现控制系统监控，PLC的控制通过应用编程软件 SIMATIC STEP7 MicWIN_V4SP3编写；通信层分为三层，即现场层、监控层、管理层。三个网络层级的构成如下：

1）现场层

PROFIBUS网络通信是制造业自动化控制系统中常用的现场级通信方式，是搭建现场层与监控层的有效通信方式，PROFIBUS现场总线具备传输快、结构简单、抗干扰等优良性能，广泛应用于自动控制系统与分散I/O之间的高速通信。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、设置简单、成本低、功能强等特点得到广泛应用。现场层的基础是构建一个最小的AS-I网络，它必须具备四类组成单元：AS-I 主站，AS-I总线网络为单主站系统，主站在精确的时间间隔内向其它站点从站传送数据；从站模块，I/O从站模块用于连接现场普通I/O，如按钮、指示灯、蜂鸣器、电磁阀、继电器、接触器、传感器、电机起动器等；供电单元，用于对从站供电，电压等级为24VDC；网络部件，如电缆、信号线等。

2）监控层

监控层的核心则是控制器，通过MPI（MultiPoint Interface）通信方式可以实现PLC与计算机之间通信，可用于控制系统的编程和现场的系统调试与控制。MPI 物理接口符合RS-485接口标准，计算机需要配一块MPI卡，或者通过PC/MPI、USB/MPI适配器与PLC进行通信。监控层实现可视化监控需要配置触控屏或者上位机，通过现场总线通信方式并应用WinCC组态更好的实现控制系统的监管。

3）管理层

管理层应用PROFINET总线技术，PROFINET网络控制适用于各种复杂的生产过程控制，具有较好的实用价值。以工业以太网作为通信网络，通过以太网模块CP243-1与工控机通信将数据传送到管理层级。西门子S7-200 CPU226CN配置了两个通信端口为RS-485，而且支持PPI通信协议，所以将S7-200连接到PROFINET，管理层通过以太网模块即可实现上位机与PLC之间通信。

PLC控制系统的设计，需要根据系统的控制要求，以PLC为控制核心确定系统所需的全部输入设备和输出设备。输入设备主要包括按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等，输出设备主要包括接触器、电磁阀、信号指示灯、气缸油缸及其它执行器等。图2-3为PLC系统硬件组组成图。PLC控制系统，来自外部的开关信号都是输入变量，首先这些信号经过输入接口被存储到PLC的内部数据存储器当中，接下来经过数据处理或者逻辑运算以输出变量的方式送到输出接口，完成对输出设备的控制。

图 2-3 PLC系统硬件组组成

2.3 软件系统的构成分析

2.3.1 控制软件设计

控制软件以编程软件为主要应用对象，以西门子S7-200的编程软件为例，设计流程一般包括：生产线的工艺流程分析、程序逻辑流程设计、I/O点数分配、顺序功能图设计、控制程序设计。S7-200的程序的组成主要由主程序、子程序、中断程序三种程序构成。主程序只有一个，名称为OB1；子程序编写多达64个，分别以SBR0~SBR63来进行命名，子程序通过主程序、子程序或中断程序调用；中断程序可以达到128个，分别以INT0~INT127来进行命名，中断方式由输入中断、定时中断、高速计数中断、通信中断等中断事件引发，当CPU响应中断时，可以执行中断程序。PLC程序的结构类型 STEP7提供了三种：线性化、模块化和结构化。三种结构的程序有如下特点:

线性化编程：线性化编程的方法适用于以顺序控主、简单的、不带分支的逻辑控制程序；缺点是由于每个扫面周期要执行程序中所有命令，所以程序中某些部分命令不需要执行时会造成CPU资源浪费，而且当需要执行多次重复命令时需要对程序重新编写。

模块化编程：模块化编程方法适用于较为复杂的系统控制，它的设计思想是将控制任务分成若干独立任务块，把任务块设计成可供主程序OB1调用的模块化子程序SBR0~63，将较为逻辑复杂的流程用类似于方程降阶的思想设计成若干简单的顺序流程。可以说模块化程序是由若干线性化程序组成的。由于子程序只有在需要时调用，所以相比线性化编程可以提高CPU利用率。

结构化编程：结构化编程是将工艺流程中相同的控制进行分类，类似于将控制任务进行模块划分，不同的是这些子程序块编写时使用的是“形参”，因此在主程序调用时要给子程序赋值变成“实参”。这样的设计方法可以使同一个程序块被不同控制点的相同工艺要求重复调用，可以很大程度的减少编程时间，可以大大降低存储器存储用量。结构化编程需要对控制对象工艺流程有透彻的分析、理解。三种编成结构如图2-4所示。

图 2-4 PLC三种编成结构

经过项目前期对生产线工艺流程和控制要求的分析，生产线以顺序流程为主，中间包含循环工序，整体的逻辑结构较为简单清晰，采用模块化编程的方法，能提高PLC的CPU利用率，也便于程序的优化设计。

2.3.2 监控软件设计

监控软件的设计以实现搭建人机分离的可视化系统为目的。工业过程控制的监控系统实现方式一般选择控制器+组态软件+总线技术。如PLC+WinCC+PROFIBUS等，而随着物联网技术的发展应用，还可以通过搭建B/S（浏览器/服务器）架构实现远程监控。同样以PLC-200为系统控制核心为例，本文着重介绍WinCC组态软件的在监控系统设计中的应用。监控软件的设计内容主要有两大方面：软件设计和通信的实现。

软件的设计一般包括两个设计部分：程序设计和UI设计。控制柜触控屏软件程序的设计是应用WinCC组态软件完成的，组态的设计以编写完成的PLC程序为基础，要完成以下设计工作：运用WinCC创建新项目并建立PLC与组态的通信连接；在组态软件中完成变量的生成与组态和画面的生成与组态；最后用交叉网络线连接计算机与触控屏，将WinCC中组态的项目下载到触控屏，用Simatic MPI通信线实现触控屏与PLC的在线通信连接；控制柜的人机交互界面为触控屏，触控屏是一种电子通信设备，这类产品的界面设计在工业设计范畴中便是属于UI设计，即User Interface Design用户界面设计。人机交互为英文词汇的翻译，指的是Human Machine Interaction（HMI），人机交互设计的核心思想是以人为本，即在保证实现产品功能要求的同时，通过对产品的交互设计要达到符合人的生理、心理等多方面特点的要求，为的是不仅要提高工作生产效率，也要保证人的身心的健康愉悦。软件系统的设计在第四章会进行详细设计。

2.4 控制系统评价分析方法

系统设计的基本原则是使设计工作获得最大效果，在保证目的功能要求与适当使用寿命的前提下不断降低成本。因此控制系统的总体设计方案在应用之前需要进行评价分析，设计评价标准不仅设评价系统水平的标准，也可以作为系统设计原则为系统设计提供指导思想，主要从下面几方面做分析参考：

1）工效实用性

工效实用性是控制系统首要评价内容，就本文的控制系统而言，最重要的就是要实现功能控制，使生产线实现自动化运行。评价指标形式一般为效率、精度、产量、容量、质量、功率等。

2）运行稳定性

稳定性是指当输入量受到干扰作用或发生改变时，输出量会被动偏离原稳定值并过渡到另一个新的稳定状态的过程中，输出量是否会超过设定限度区间或者发生收敛性状态，是系统是否稳定的标志。要保证系统的稳定性一方面要保证系统逻辑的设计合理性，另一方面则需要外部硬件系统选型、配置的合理规范性。

3）操作宜人性

现代工业设计越来越重视人、机、环境的统一，以人为中心把人机交互作为切入点，研究机、环境对人的友好性。例如本文体中控制柜操作按钮的位置设计、工控机可视化操作界面的设计等，要考虑人的操作习惯以及颜色、温度、湿度、角度、形状、触感等方面，这些都应该以人机工程设计原则为设计准则，以此加以评价。

4）环境无害性

工业对于环境的影响越来越受到社会各界重视，而控制系统的环境无害性主要表现在控制系统的人机交互以及操作环境方面，一般也是一操作宜人性评价作为参考标准。

5）还有结构工艺性、造型艺术性、技术经济性、成果规范性等各方面的评价内容。需要从系统的装配、运输以及其形、质、色的合理运用等方面进行评价。其中规范性最重要的是标准化，产品标准化是要产品各方面指标都符合国家规定的技术标准，其重要性一方面在于标准化产品可有效保证系统可靠性以及稳定性，另一方面从设计角度出发也有利于系统的优化拓展。

2.5 本章小结

本章介绍了总体构架，以此为切点逐步展开：首先设计了系统总体方案；然后基于PLC设计硬件系统和软件系统方案，硬件系统以系统层级为单元分别进行硬件配置分析，软件系统以控制软件的设计和监控软件的开发为主要内容进行研究；最后给出系统设计评价内容作为系统评价方案。