采用I-7188微控制器的實現(xiàn)分布式塑膠機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

開發(fā)背景以及使用I-7188的理由

隨著現(xiàn)代工廠信息自動化進程的加快，企業(yè)急需要將管理、決策、市場信息和現(xiàn)場控制信息結(jié)合起來，實現(xiàn)ERP、MES、PCS三層信息一體化的解決方案。同時，企業(yè)內(nèi)、外部交換信息的需求也在不斷擴大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時還要求把現(xiàn)場信息和管理信息結(jié)合起來，建立一套全集成的、開放的、全廠綜合自動化的信息平臺，通過對經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制等信息的綜合處理，形成一個意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)。在PCS層中，只有具有Web功能的SCADA系統(tǒng)，才能滿足企業(yè)信息自動化信息平臺的要求，它使采集和監(jiān)控的數(shù)據(jù)得以開放，能被更多的管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和使用者所訪問。

武漢泓華電線廠是一家合資企業(yè)，專門生產(chǎn)油田、礦山用的塑膠電線，共有Φ20～Φ80mm的塑膠機6臺和3臺小型成纜機。塑膠機的功能是將塑料熔化并擠制在電線上，工藝要求：擠制在電線上的塑料厚度必須均勻，電線的收/放由牽引電機一臺、放線電機一臺、張力電機一臺控制，見示意圖1。由于塑膠機的轉(zhuǎn)速一定，擠出的熱塑料量一定，因此只需調(diào)節(jié)牽引電機、放線電機、張力電機的轉(zhuǎn)速，便可調(diào)整擠制在電線上塑料厚度。而在電線廠往往由于牽引電機、放線電機、張力電機相互配合不當，導致塑料厚度不均勻，造成的廢品和次品較多，為了提高其工藝執(zhí)行效率，同時便于工廠對生產(chǎn)能實時在線控制，同時能將控制信息與生產(chǎn)信息無縫連接到工廠的管理系統(tǒng)MIS中去，我們采用了泓格的嵌入式網(wǎng)絡通信微控制器I-7188EAD和I/O擴展控制器I-87K4模塊，構(gòu)成了一基于工業(yè)Ethernet的分布式控制系統(tǒng)，取得了較好的經(jīng)濟效益。

I-7188微控制器本身是一個含有80188/40M主頻CPU的PC機，其分別有256K-512K的FLASH ROM和SRAM，內(nèi)置量身定做了比ROMDOS執(zhí)行效率更高的MINIOS7操作系統(tǒng)（為泓格專利），且含有一個與NE2000兼容的10M 的工業(yè)Ethernet接口及多種串行通信口，可以說是是真正意義上的帶Ethernet接口的新一代嵌入式網(wǎng)絡控制器，正好滿足了我們基于Web的SCADA的需要。（系統(tǒng)也可選用I-8431嵌入式控制器，但由于塑膠機組比較分散、控制點數(shù)較少，為節(jié)約系統(tǒng)資源以及HUB資源，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i效應，我們選用了I－7188與I－87K4結(jié)合的方法）

2 系統(tǒng)設計

為真正實現(xiàn)具有Web功能的SCADA以及將生產(chǎn)工藝控制參數(shù)無縫連接到廠級Intranet的MIS系統(tǒng)中，在設計中，車間級Intranet主要由車間Web服務器（用于外部Ethernet連接以及與班組網(wǎng)絡連接）、車間生產(chǎn)計劃服務器（用于生產(chǎn)計劃、調(diào)度、報表統(tǒng)計等）以及車間控制服務器（車間生產(chǎn)控制流程、生產(chǎn)工藝控制、設備實時監(jiān)控等）組成，與外部連接采用光纖通信介質(zhì)，I-7188與車間數(shù)據(jù)交換機HUB之間采用10M Ethernet連接。在塑膠機組控制過程中，考慮到設備的實時控制要求，采用了總線式連接方式的I-87K4控制器為前端現(xiàn)地信號處理器，同時每三臺塑膠機構(gòu)成一個小型RS-485網(wǎng)，再通過I-7188數(shù)據(jù)網(wǎng)關與交換機相連，目的是能較為實時地控制各生產(chǎn)設備的運行，降低數(shù)據(jù)的瓶頸效應，另外，Ethernet采用的CSMA/CD的通信方式，數(shù)據(jù)通信控制存在某種不確定性，不利于控制。

生產(chǎn)車間的基于Web 的SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。各個現(xiàn)地控制單元I-87K4的控制與通訊由I-7188模塊完成，它用來與各采集模塊通訊，并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，同時處理參數(shù)的顯示和用戶鍵盤輸入的處理。同時I-7188還用來與控制中心的工藝控制計算機主機通訊，實現(xiàn)中央監(jiān)控，通訊采用X.28協(xié)議。

2.1 數(shù)據(jù)網(wǎng)關控制器I-7188

在車間班組級SCADA設計中，重點需考慮苛刻的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、穩(wěn)定性以及電磁兼容等問題，同時還要避免操作人員非工作時間使用計算機而造成的不必要的麻煩。為此，選用了泓格公司的具有PC功能的工業(yè)級嵌入式數(shù)據(jù)網(wǎng)關－I-7188，它集計算機、通信、控制于一體，同時具有防塵、抗震、抗沖擊等特性，能滿足苛刻工業(yè)現(xiàn)場要求。是一款真正的具有“網(wǎng)絡就是控制器”概念的工業(yè)級嵌入式網(wǎng)絡控制器。它使網(wǎng)絡實現(xiàn)了從現(xiàn)場控制單元到Internet 、Intranet，管理層的直接通信。

由于I-7188嵌入式控制器配有MiniOS7嵌入式操作系統(tǒng)，它與MS-DOS以及ROM-DOS兼容，與ROM-DOS相比，MiniOS7更適合于嵌入式應用，如更短的加電啟動時間，內(nèi)置硬件診斷功能等，因此I-7188控制器可編程獨立運行。同時，它具有獨特的雙看門狗安全設計，即軟件看門狗和硬件看門狗組成，萬一主控計算機當機，所有的輸出模塊就進入預設的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求。RS-485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線，主控計算機和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟件看門狗。軟件看門狗的設計非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統(tǒng)安全性。在本系統(tǒng)中，塑膠機需要控制的I/O點數(shù)不多，且工業(yè)環(huán)境比較惡劣，控制功能比較容易實現(xiàn)，I－7188正好滿足我們所需的所有條件。因此，可以說I-7188特別適合于小型的嵌入式機電控制系統(tǒng)。

2.2 I-87K4

I-8000用于擴充輸入/輸出模塊的數(shù)量，每一個擴展單元包括一個電源和一個底板。底板上帶4個串行輸入/輸出擴展槽。每個擴展單元均具有115.2K的RS-485總線，用于與主控單元通訊，是一種模塊化的、基于網(wǎng)絡的小型控制系統(tǒng)。它即可通過本機的總線連接 I/O，也可通過I/O擴展或網(wǎng)絡擴展去連接I/O。是智能型分散式數(shù)據(jù)采集前端產(chǎn)品的理想選擇，而與之相連的I-7188 可運行標準的SCADA軟件包。在本系統(tǒng)中，為了與I-7188EAD配合使用，我們選用了有4個擴展I/O功能的基本型I-87K4。

2.3 現(xiàn)地控制單元I-87K4的配置

2.3.1 I-87K4的特性

* COM2為RS-485，最大115.2K bps，且與16C550兼容，16字節(jié)FIFO

* 可直接驅(qū)動256個I-7000模塊

* 最大距離4000英尺（1.2Km）

* 隔離電壓2500VDC

* 輸入/輸出擴展槽支持串行輸入/輸出模塊

2.3.2 擴展I/O模塊

* 數(shù)據(jù)采集模塊：I-87017。主要用于：

1）實時采集三個電機處導線的力矩變送器的輸出張力信號，用以控制確定各個電機的轉(zhuǎn)速使之相互協(xié)同工作，使電線的張力達到平衡；（需三路）

2）實時采集塑膠機擠制塑料后冷卻水的溫度，以使冷卻水的溫度達到恒定；（三路）

其特性為：模擬輸入通道數(shù)為8、分辨率為16bit、輸入類型采用差分、輸入范圍為±10V、采樣方式為6通道掃描模式。

* 模擬輸出模塊：I-87024。為了使牽引電機、放線電機以及張力電機平穩(wěn)起停、保護控制系統(tǒng)，采用了變頻調(diào)速技術對這三臺電機進行控制，利用I-87024的模擬輸出信號，給變頻器提供0～10V的控制信號，使變頻器的輸出信號變?yōu)?～50Hz達到變速的目的。由于I-87024采用了光隔離方式，從而保護了控制系統(tǒng)，避免了電機的反電勢容易使控制系統(tǒng)尤其是I-8000當機的現(xiàn)象發(fā)生。

* 數(shù)字量輸入/輸出模塊：I-87054。主要是為了實時控制電機的起停以及監(jiān)測某些連接器、斷路器、吸合器的開關狀態(tài)，便于系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)故障診斷。其數(shù)字量輸出信號通過繼電器組二次放大后啟動三相大功率繼電器，用以控制牽引、放線、張力三相交流異步電機的電源的開關，達到控制電機的目的。

* 定時/計數(shù)模塊：I-87082，為了實時反饋電線的長度，便于生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計，在牽引輪上的上方安裝有一計米器，導線在上滑動時，帶動計米器轉(zhuǎn)動，計米器每轉(zhuǎn)動一周，便發(fā)送一個脈沖信號，I-87082便采集此時的脈沖數(shù)，脈沖數(shù)與計米器的周長的乘積便是電線的長度。

每個現(xiàn)地單元控制器I－87K4通過編碼開關設置唯一的ID號，與I－7188的通信波特率采用19200bps的通訊速率（太高會導致通信不穩(wěn)定），誤碼低于10E-6（接收電平-110dBm時），將工業(yè)現(xiàn)場分散的點信號傳輸?shù)絀－7188乃至班組工藝控制服務器上，同時也可由工藝控制服務器控制遠程各點。I－7188具有獨特的雙看門狗安全設計，即軟件看門狗和硬件看門狗組成，當模塊萬一當機時，可瞬間重新開機，且和每個I/O模塊有軟件看門狗互鎖，萬一I－87K4當機，所有的輸出模塊就進入預設的安全狀態(tài)，符合工業(yè)的安全要求，RS－485通訊網(wǎng)路如因故障或斷線，主控計算機和模塊間將無法互鎖或無法通訊時，也會啟動軟件看門狗。I－7188以及I－8000模塊的硬/軟件看門狗的設計非常巧妙，使用方便，可大幅增加系統(tǒng)安全性。這是泓格公司產(chǎn)品與其他公司類似產(chǎn)品不同之處，而正因為這一獨特的性能，便可僅用一組雙絞線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和長距離的發(fā)送和接收，各節(jié)點并行連接，模塊與模塊、模塊與網(wǎng)絡之間相互獨立，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計分為SCADA軟件與Web程序，整個系統(tǒng)中較為復雜的部分就是控制、通信模塊I-7188的程序編寫部分，因為I-7188模塊負責協(xié)調(diào)其它所有I-87K4系列模塊的正常工作，以及與控制中心通訊，工作負荷比較大，所以必須考慮周到，反復調(diào)試，才能獲得較為滿意的結(jié)果。SCADA主要是I-7188現(xiàn)地單元控制模塊的控制程序，采用TC2.0編寫，調(diào)用了I-8000相應的庫函數(shù)，主要有初始化模塊、定時采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、邏輯輸出模塊（電機順序控制）等，共分為：系統(tǒng)配置階段、測試執(zhí)行階段（完成當前測試任務的數(shù)據(jù)采集工作）、數(shù)據(jù)處理階段以及數(shù)據(jù)輸出階段。主程序首先初始化系統(tǒng)，包括對各串口的初始化及系統(tǒng)運行參數(shù)的初始化，并安裝用戶時鐘中斷。然后便是功能模塊的運行，主要完成各個工作節(jié)拍之間的協(xié)調(diào)問題，上位機主要是Windows2000與I-7188EAD之間的通信程序。這一部分我們采用了組態(tài)軟件MSCG完成，并利用了泓格公司提供的I-7188的OPC服務器，進一步簡化了編程工作，主要的程序框圖見圖2所示。

4 應用體會

目前該系統(tǒng)完成了六臺塑膠機的監(jiān)控以及上位機實時監(jiān)控一線設備運行狀態(tài)，自2002年正式投入運行以來，一直運行良好，現(xiàn)我們正在進行3臺小型成纜機的實時監(jiān)控，監(jiān)控的過程與塑膠機相似，同樣采用I-7188EAD與I-8000配合使用，由于繼電器控制點數(shù)較多，還要外掛一些I-7000模塊，這對于I-7188而言，完全能勝任。

由于I-7188與I-8000系列模塊采用RS-485方式通訊，可遠距離通信，系統(tǒng)所有模塊只需用一條通訊線即可聯(lián)結(jié)，具有強抗干擾和雙看門狗設計，使系統(tǒng)的可靠性強。而且主機與I-7188使用TCP網(wǎng)絡連接，使設備的互換性好，維護人員的工作難度和工作量也很小，減少了設備的投資成本，同時，滿足了使用單位生產(chǎn)工藝要求和高性能價格比的原則，也使工廠的自動化控制和管理水平上了一個新臺階。