PC和PLC总线控制技术在海底光缆护套生产线上的应用

我国拥有300万平方公里的海域、近二万多公里长的海岸线以及众多岛屿，是一个海洋大国。沿海各省不仅是我国经济最发达地区，而且在近海蕴藏着丰富 的石油和天然气资源，对通讯的需求日益增加;另外，原来铺设的海底通信电缆，由于电缆通信容量小，抗干扰性差，老化现象严重，在大多数情况下必须使用海底 光缆才能彻底解决岛屿的通信问题。早在1986年，我单位就生产出国内第一条海底光缆。此后，海缆的结构不断变化，设备制造工艺也在不断的更新。我单位研 制的海底光缆生产线也采用了不少国内外先进技术，其中PC和西门子S7系列PLC在海底光缆护套生产线电气主控系统上的应用就是一个主要方面。
2 海底光缆护套生产线
海 底光缆护套生产线主要用途是海底光缆用光纤松套不锈钢管护套的大长度生产，该生产线主要有Φ2500地轨龙门行走式主动放线架、主动放线张力控制装置、 SJ30卧式挤出机(挤热熔胶)、SJ90挤出机、2m移动冷水冷却水槽及水箱、8m热水冷却水槽及水箱、12m温水冷却水槽及水箱、30m冷水冷却水 槽、吹干装置、履带式牵引机、火花试验机、测径仪、收线张力同步器、Φ3150地轨龙门行走式收排线架和相应的电气控制系统等组成(如图1所示)。整条生 产线的长度为83m。








3 生产线电气控制系统结构
海底光缆护套生产线电气控制系统是一个较大的控制系统，整个系统主要控制对象为:地轨龙门的放线，SJ30的加热和护套挤出，SJ90的加热和外护套挤出，牵引同步，地轨龙门的收排线，水槽温度的控制，张力的控制，外径的控制等。系统控制点数的分类情况与统计见表1。





由 于控制点数多，生产线较长，加之采用占地面积较小、承重能力较高的地轨龙门行走式主动收放线架，如果采用单PLC控制系统，不仅系统复杂，不适应于生产线 的易安装、易维护和低故障率的要求，而且可靠性不能保证。我们经过综合分析，决定采用了分布式的PROFIBUS-DP现场总线网。
PROFIBUS 是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线(传输率可达12M波特)，它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标 准、众多厂商的支持，已成为最重要的现场总线标准，在很多领域内有广泛地应用。正是基于PROFIBUS现场总线技术上的成熟和开放性，以及在实际应用后 的经济效果，因此我们在海底光缆护套生产线控制系统中选用了MPI+DP的总线控制方式。





如 图2所示，整个控制系统由1台上位机、1台Profibus-DP主站和2台Profibus-DP从站及其他控制设备组成。我们之所以在生产线中选择使 用西门子公司的S7系列PLC，是因为它具有高速、多功能、系统化、网络化、结构简单、安装方便、系统组织灵活、可靠性高、维护方便等特点。PLC的每一个I/O出现故障时，只需要调换有故障的模块，而不需长时间的停产进行设备维修，特别适合于我们当前竞争日益激烈的光缆市场。网络化和通讯强化通讯能力也 是该PLC的一个重要特点。



3.1 PROFIBUS
Profibus-DP主站采用SIMATIC S7-300的系列模块，作为控制中心的CPU采用西门子公司新推出的CPU313C-2DP，它具有强大的数据处理能力，不仅集成了MPI通讯口，而且集成了Profibus-DP现场总线接口，同时还可插入MMC存储卡，可以有效的防止以前由于使用电池保存程序而造成的PLC程序易丢失的问题;还集成 了16点的数字量输入和16点的数字量输出，具有较高的性价比。主站还配有两块SM334和一块SM321，可进行除放线和收线从站控制部件外的生产线其 它部分的直接控制。
Profibus-DP从站处于经济方面考虑采用SIMATIC S7-200的系列模块。CPU采用cpu224，EMM277从站模块经过I/O总线连接到CPU224中，Profibus网络经过EMM277的 DP通讯口，从而将S7-224CPU连接到Profibus--DP网络中。作为DP从站，EMM277可从主站接受和发送数据，从而完成从站 CPU224与主站CPU313C-2DP的数据交换。通过PROFIBUS-DP网络可使操作人员方便的、实时的掌握生产线运行状况。
在设备安 装过程中，我们用Profibus网络总线连接器和Profibus电缆将3个CPU连接起来，再利用编程工具STEP7对S7-300进行硬件组态，建 立一个PROFIBUS-DP网络。为将EMM277作为一个DP从站适用，用户必须通过EMM277模块上的旋转开关设定与主站组态中地址相匹配的DP 端口地址。



PLC程序采用S7-300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制，编译完成后下载到CPU313C- 2DP中。用户程序由组织块(OB)、功能块(FB、FC)和数据块(DB)构成。其中，OB用于控制程序的运行，FB、FC是用户子程序，DB是用户定 义的用于存储取数据的存取区，本系统中它是上位机监控软件与PLC程序的数据接口。
当组态DP主站时，需要定义CPU224变量V存储器内的字节 位置，从这个位置开始作为输出数据缓冲区。也要定义I/O配置，他是写入到CPU224的输出数据总量和从CPU224返回的 输入数据总量。在从站与主站正常进行数据交换模式时，主站将输出数据写入到EMM277模块。然后，EMM277响应最新的CPU224的输入数据，不断 更新，以便向主站CPU313C-2DP提供最新的输入数据。然后，EMM277将输出数据传送给CPU224，从主站来的输出数据放在输出缓冲区。在编程S7-200程序时，在编程时也要注意从主站来的数据必须经过传送指令，从输出缓冲区转移到其它数据区，类似的，传送到主站的数据也必须通过传送指令从各种数据区传送到输入缓冲区，进而发送到主站中。
这 样在程序运行时，主站CPU313C-2DP根据存储卡存储的程序和从站PLC一样，分别通过相应的数字量和模拟量输入、输出模块采集生产线各种运行状 态，控制硬件设备，并读取总线上的所有I/O模块的状态字，实现在现场总线上的数据采集和控制信号的输出，并实现一些简单的诸如张力控制等控制算法。现场的PLC把分散的数据集中到DP主站，并通过MPI通讯送到上位机，从而实现PC的直接控制生产线的运行。
3.2 上位工业计算机
我 们的工业计算机选用台湾研华公司的IPC-610作为上位机，因为它们在国内工业控制市场上占有较大的份额，可靠性也较高。通过MPI通讯卡CP5611 使工控机与DP主站进行MPI通讯，从而实现工业PC机与DP总线的硬件连接。并可通过RS232C与生产线的外径测量仪等智能仪表进行串口通讯，从而实 现生产线其它控制数据的采集。
我们在上位机采用的组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件，使我们可根据实际生产需要任意组态， 快速生成应用软件，并可方便的的实现监控软件的实时数据更新、历史曲线和实时曲线显示、报警、数据存储、查询等功能，大大缩短了监控软件的开发周期，提高 了软件运行的可靠性、维护性、延续性和可扩充性。 字串5
对于本系统的PROFIBUS网络，我们定义了I/O变量后，组态软件通过MPI驱动程序软件接 口获取DP主站相应的数据，我们可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示，这样就可以实现工业流程画面上动态地显示现场各 过程硬件的运行状态，数据也可以按相应的顺序写回现场过程硬件，执行控制操作，实现生产线的人工控制功能。
在监控软件画面中，点击相应设备按钮就可对该设备进行单独控制;还可显示生产线各部件的当前运行状态，如当前电机速度以及一些故障信息等。对系统实时采集的数据进行判断，发出报警信号，并按技 术要求进行处理并自动进行相应的设备控制，如对故障信号的解锁及其恢复等，还可利用软件的DDE功能实现报表打印功能以及实时数据和历史趋势曲线显示等功能。

4 结束语
在海底光缆护套生产线控制系统中，我们通过应用Profibus-DP现场总线取得了很 好地运行效果。Profibus-DP总线不仅满足了生产线的各项功能要求，并且使用合理。由于通讯方式的实现，省去大量的电缆、桥架等安装物资，可减少 设备生产成本;总线控制方式，维护简单，维护量小。在本控制系统的设计、安装和调试过程中，Profibus-DP的应用无疑是正确的，我们的经验是在现 场安装过程中仍要注意对现场各类干扰因素的防范以及现场的接地系统对总线通讯的影响。
总之，海缆的生产是一项专业性很强的技术工作，需要有专门的 各种生产线来实现生产。通过本次Profibus-DP现场总线在海底光缆护套生产线上的应用，随着将数字信号和模拟信号混合的系统改造为全数字信号系统 的发展，Profibus-DP会在光纤光缆生产线中得到越来越广泛的应用。