某家大型的跨国公司主营业务为生产和经销电子元器件,其中又以生产二极管,半导体可控硅为主。该公司在中国有一家的大型独资企业,以生产汽车,计算机等产品所需二极管为主。二极管是比较简单的电子器件,单只的体积小,价格低廉,但其生产工艺确并不简单,并且在生产过程中对环境条件的要求十分严格,比如环境温度.空气湿度等。一旦这些条件不能满足,就会生产出的不合格产品,又由于此种产品的特性决定了它不可能全部检验,不合格产品就会导致其它产品的质量问题,所谓"千里之提,毁与蚁穴"就是这个道理。
为了确保产品质量,从而增强产品市场竞争力,该公司委托我们为其设计并实施一套厂务监控系统,将全厂的生产辅助设备的工作状态以及生产环境等参数集中监视起来,使设备管理人员能够及时了解设备状况及生产情况,从而能够及时调整生产环境,排除设备隐患,使产品质量充分得到保证。
2 信号组成
厂务系统主要包括生产辅助设备及辅助条件,这里不包括元器件的生产设备。该厂半导体的生产主要需要以下一些辅助设备及条件:
工厂配电设备.
负责在冬天保持环境温度的锅炉供水系统.
负责在夏天平抑环境温度的空调系统.
冷却水及冰水系统.
为保持空气温度及相对湿度而建立的新风系统.
生产设备所需的压缩空气
生产设备所需的高压水
消防系统
以上系统所需采集的信号大致可分为以下几种:
压力信号
流量信号
液位信号
温度信号
湿度信号
露点信号
电压,电流信号
功率,功率因数,电量信号
3 技术构思
根据用户要求及现场情况,我们决定采用西门子公司S7-400型PLC承担信号采集工作,又根据现场将要采集的信号位置分散的特点,采用了西门子公司Profibus现场总线中的远程I/O即DP技术。各传感器信号就近接入Profibus子站,这样可以大限度的减少现场接线工作,并且因为走线距离短,可以减少信号衰减和各种干扰对信号的影响。
作为监控系统的核心的人机交互系统,我们采用西门子工业控制计算机和工业显示器作为人机交流的物理介质,计算机上除运行bbbbbbsNT操作系统外还运行西门子公司bbbbbbs ControlCenter组态软件作为人机界面,通过计算机屏幕将组态的信息以文本,画面,报警等多种形式呈现给管理人员。为了对生产及设备进行更好的管理,拟运用WinCC的数据归档功能将所有监控的信号做为期一年的存档,这样,用户可以随时查阅过去一年与生产有关的参数的值及其变化曲线。 
4 网络结构及网络特性
监控系统的主干网络采用Profibus网络,Profibus现场总线网络共有三种协议方式,分别为FMS,DP和PA。我们本次应用的为DP方式。DP网络结构为主从结构,一条DP网可包含一个主站和多126个从站,网络传输距离在不使用中继器的情况下可达到1000米,传输速率从9.6Kbit/S一直到12Mbit/S可选。网络传输速率达到12Mbit/S时其传输距离长为100米。
本监控系统的ProfibusDP主站为S7-400PLC,从站是分布于全厂的8个ET200M子站,它们之间通过标准的屏蔽双绞线连接,其中由于第5与第6和第7号站之间的距离比较远,为保证通讯速率及可靠性,我们在这三个子站之间增加了两个中继器以确保设计传输速率1.5M。作为监控系统的主要组成部分的工控机,它在物理上也挂接到DP现场总线上,但它与作为网络主站的PLC之间的通讯不再是DP协议,而是S7协议。
在所监控的设备中包含有ATLAS公司的空压机和施耐德公司的中压控制器,此两种设备中预装有施耐德公司的MODBUS通讯模板,为在实现功能的前提下尽量减少用户的负担,我们采用西门子公司的CP341通讯模板直接与此两种设备通过MODBUS协议进行通讯,MODBUS网络结构与ProfibusDP网络结构类似也为主从结构,一个主站可以连接32个从站,通讯速率为9.6Kbit/S到38.4Kbit/S可选。当然如果能在两种设备中增加ProfibusDP通讯模板将会使网络结构更加合理,.工程实施更加方便,但考虑到合理利用现有资源,我们还是采用了前一种方案。
整个监控系统的网络结构见下图:
5 通讯网络配置
网络配置分为软件配置和硬件配置两部分,软件部分通过STEP7编程软件对S7-400CPU414-2DP进行配置包括通讯速率,子站数量及站地址等。当软件配置完成后,各接入的监控信号在CPU中的对应地址将会自动生成。硬件配置主要是将各ET200M子站的接口模块IM153上的地址拨码开关设置成与软件设置相同。MODBUS的软件设置较复杂,除了要设置通讯地址及通讯速率外,因为是用CP341做主站,还要对CP341做特殊的设置,包括对CP341进行驱动程序下载（LOADDRIVER）。此监控系统中的MODBUS网络在物理介质上也采用了屏蔽双绞线,在总线的末端接入120欧姆做为终端电阻。
6 监控功能简介
本监控系统将监控内容按照所接入的Profibus分站分为八个部分。每个分站均含有一幅或几幅画面用来显示要监视的信号,这些信号有些把实际数值直接显示在屏幕上,有些则是通过动态棒图或其它的形式来展示。每幅画面中均包含进入其它分站的按钮,点击这些按钮就可直接进入其它分分站。这使浏览路径尽量简化。
系统提供了全部被监视信号在近半年或一年的过程值的连续记录,并可以通过连续曲线图表现于历史查询画面中,每个画面中均有一个或几个曲线图窗口,窗口包括过程值的数值坐标,时间坐标,在当前时间坐标内的变化曲线,并有趋势图设置菜单条，包括模板调整、时间范围设定、局部放大等功能。
本监控系统为用户提供了及时与详尽的故障报警,报警共分为三个等级,按照故障的主次程度排列,与生产关系紧密的设备故障或重要的过程值超过设定值被列为一级报警。二级、三级报警依次类推。对于一级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警铃与警灯提醒用户报警的严重性。如果发生第二级报警，系统除在报警画面中作出相应提示外，还以警灯提醒用户这是次一级的报警。对于第三级报警，系统只在报警画面中作出相应提示。
在除报警画面以外的所有画面中的底部均有一个报警条，随时刷新出现的报警,报警条中包含报警级别,报警时间,报警设备等信息。监控人员在发现有报警出现后即可对报警设备作出及时的处理。
报警条的显示有三种型式:
报警出现: 此时报警条的颜色为红色.
报警消失: 此时报警条的颜色为绿色.
报警确认: 此时报警条的颜色为黄色.
系统提供方便的打印功能,能够将监控值的瞬时值按照顺序打印出来,也可将某一过程值在某一时间段内的变化曲线打印出来。
7 应用状况
上面介绍的监控系统从2000年1月至今一直正常运行于上面提到的半导体二极管生产厂,信号采集可靠,网络传输稳定,人机界面清晰明确,为设备管理人员把握设备状况,及时发现设备隐患及设备管理经验提供了极大的帮助。在此监控系统投入使用以前,该厂的设备管理人员必须不停的奔走于各个设备之间,记录设备的各种运行参数,既浪费人力又浪费时间。现在设备管理人员只需要对设备进行循检,既定期对设备进行检查,记录参数并与监控系统的指示进行比较。 8 结语
本文介绍的厂务监控系统不仅适合与这样的电子生产厂,也适于其它设备分散,又需要对设备及生产环境进行长期监控的场合。本文所述的厂务监控系统因是在已完全建成并正常生产的工厂建立,缺少控制功能,如果在建厂初期就设计监控系统,则既可以实现集中监视功能又可以集中控制功能,这样将使监控系统发挥更大的优势。
从PCS 7 V5.1开始，可以使用调试工具“PCS 7 PIDTuner”来优化控制器。这个工具可以通过测量方式识别控制对象参数并给出优化参数的设置建议。如果用户需要，可以立刻应用这些参数。 从PCS7 V7.1开始，可以优化“PCS 7 Library”和“PCS 7 Advanced ProcessLibrary”中的控制器，以及有类似功能的控制器。同样也可以调整步进控制器的马达启动时间。 要求：
说明： 更多信息可以参考对应的readme文件和PCS 7的PID 整定器的在线帮助文件。在文档“PID Control withGain Scheduling and PID Tuning”中，给出了一个基于PCS 7APL（过程功能库）模块的实际操作例子。 注意：
序号步骤1为控制器优化做准备优化之前，控制器需要切换到“优化”模式。可以在CFC中或者在上位机OS面板上设置。在CFC中将“OPTI_EN”管脚设为“Enable”，这个管脚默认隐藏。如果在OS面板上，在“Parameter”视图中勾选“EnableOptimiz”选项。图 01: 为控制器优化做准备2启动PCS 7的PID整定器选择控制器功能块，在CFC中通过菜单“Edit> Optimize PID Controller...”启动此工具。图 02:启动PID整定器3设置曲线记录参数为了使当前显示符合实际，停止曲线记录并点击“Settings...”按钮。图 03:参数化曲线记录4启动控制器优化点击"Start Controller Optimization" 按钮。图 04: PID整定器5读取测量值 (步骤 1 到5)步骤1到3中，需要定义读取测量值的条件。步骤4中读取测量值，监视曲线记录。这时可以取消过程仿真。选择过程特性(是否存在积分环节)选择操作模式（手动/自动），输入实现阶跃仿真的起始点输入新的设定值，实现阶跃仿真读取测量值取消过程仿真图 05:读取测量值6控制器的行为及结果(步骤 6 到8)在步骤6和7中选择控制器行为和类型。步骤8中使用优化控制器参数仿真控制回路。可以通过不同阶跃值和控制器参数来测试。设置控制器行为（适当的扰动/适当的主控动作）参数结果并选择控制器类型（比例积分微分,比例积分或者比例控制器）使用优化参数仿真控制回路图06: 参数结果图 07: 图表结果7设置控制器(步骤9)后一步，决定是否采用老的还是新的设置。点击“Finish”按钮结束参数优化。控制器参数选择 (老/新)图 08:载入优化参数8关闭PID整定器控制器已经采用新的参数设置。通过“End andsave”按钮关闭PID整定器。控制器被复位到初始的操作状态。 |