醋纤生产装置数据采集系统的设计与实现

倪佳俊 吴胜昔 向国海 顾幸生

(华东理工大学自动化研究所1，上海 200237;上海慧时软件有限公司2，上海 200233)

醋纤生产装置数据采集系统的设计与实现

倪佳俊1吴胜昔1向国海2顾幸生1

(华东理工大学自动化研究所1，上海 200237;上海慧时软件有限公司2，上海 200233)

醋酸纤维生产现场电机的电流、电压、电能等电力参数对产品质量分析和生产安排都具有重要的指导意义，因此对电机电力参数的采集是生产环节中至关重要的一部分。结合生产中对数据采集的具体要求，对采集系统进行了分析设计以及现场实现;采用S7-400读取现场网络仪表和变频器的参数，并使用AnyBus网关实现Modbus与Profibus协议转换。基于该设计思想的数据采集系统能够平稳地运用到生产现场，并能带来良好的生产效益。

醋酸纤维 电力参数 数据采集 硬件组态 通信

0 引言

经过多年的技术改造和设备引进，我国的烟草工业企业生产自动化水平基本达到国际水平。烟草工业企业在管理自动化方面已经初步建立了以企业资源计划系统(enterprise resouce planning，ERP)为核心的管理信息系统，ERP中虽有生产控制模块，但由于得不到制造过程实时信息的支持，所以并不能帮助和指导工厂进行产品质量分析和生产排产。数据采集系统是现场自动化控制设备与管理层之间的信息枢纽，建立和完善自动数据采集系统已成为烟草工业企业信息化建设的重点［1］。

在醋纤厂的整个生产过程中，需要实时获取和存储生产电机、变频器等设备的电流、电压等电力参数，并且需要记录报警等状况，以便更好地进行控制操作［2］。数据采集的准确及时也为后续的整理、分析和能耗统计提供了便利。因此，数据采集是整个生产过程中的一个重要环节。随着生产能力的日益提高，传统的数据采集方式在精度、采集频率以及数据查询等多方面均已不能满足现时生产的要求。

本文以开发醋酸纤维生产能源管理系统为目标，设计了醋纤厂的数据采集系统，给出了数据采集系统的结构设计、功能和实现。

1 数据采集系统的设计思路

某醋纤公司设计的数据采集系统是进一步开发能源管理系统的基础。该采集系统除了要求具有基本的采集与记录实时历史生产数据的功能外，还应具有图形显示、趋势报警、报表及信息发布等其他功能。

1.1 数据采集及归档

①通过标准接口与PLC或数据采集器通信，并能够对实时数据进行二次处理。

②支持每秒10 000点的数据采集速率。

③基于实时数据库技术，能够以高速、高压缩比对实时数据进行分段归档，并支持高速提取。

④支持在线更新的功能，提交修改的配置时不需要中断数据采集服务。

1.2 图形显示

①显示网络、通道、设备的实时通信状态。

②结合前端设备，显示指定设备参数的实时和历史趋势(带时标)，并能对曲线参数进行统计和分析;显示系统中故障录波设备记录的数据和图形(带时标);显示与监控系统相吻合的动态系统图、柜图;显示监控对象的谐波含量和柱状图信息;实时、多画面显示监控对象的其他各电气参量。

③支持用户对各类图形显示的添删、修改、编辑。

1.3 趋势报警

①支持实时和历史数据趋势，结合前端设备，系统应能真实有效采集、记录和显示的数据时间间隔最小为1 s且不影响系统的运行速度。支持用户对曲线的自定义编辑，可以无级缩放和设置报警范围。支持对曲线按自定义格式的打印或拷贝存储。图形中所缺数据可人工置入或添加附注［3］。

②支持测量值越限报警、设备状态异常报警、系统软件及硬件出错报警。报警能手动或自动确认。

③结合前端设备，能实现对设备、系统的时间顺序记录。

1.4 报表及信息发布

①具备用户管理功能，根据不同的用户权限，定义不同的信息访问内容。

②各种检测数据通过报表的形式进行管理，分为各种设备管理报表、检测数据日报表、检测数据月报表、检测数据年报表以及综合报表等各种形式的报表。

③支持报表按预定的时间和时间段自动生成以及手动生成;支持对故障事件、故障信息的报表输出;支持对实时数据进行统计分析以及对报表数据的运算功能;支持用户对报表的自定义编辑、链接，支持对报表按自定义格式的打印，兼容用户自定义的Excel报表的输出功能，任意时段、任意设备［4］。

2 数据采集系统设计

本数据采集系统的总体设计思想如图1所示。

图1 系统总体设计思想Fig.1 The overall design concept of the system

生产现场用于采集数据的设备有变频器和网络仪表等，通常这些设备都带有支持Modbus协议的数据采集卡。而可编程控制器PLC支持Profibus，因此需要在采集卡和PLC之间增加一个具有协议转换的网关。PLC通过以太网和PC机连接，在PC机上通过人机界面HMI实现人机交互操作。另外增加一个触摸屏，可使工作人员在现场就能够及时了解相关生产信息。

采用这种设计思路，可以利用网关实现两种不同协议间的相互转换，达到数据及时传送的效果。整个系统硬件兼容性强、运行稳定，适合工业现场长时间不间断工作的要求。

3 数据采集系统实现

3.1 现场采集数据设备

生产现场采用罗克韦尔公司的PF700变频器以及DIRIS公司的A40网络仪表。其中PF700交流变频器是罗克韦尔公司推出的一款简单易用且性能卓著的产品，通常可用来控制三相异步电动机，应用范围从最简单的速度控制系统到要求最高的向量控制系统。DIRIS A40型网络仪表是一种用于低压或高压电压电量测量的多功能仪表。它可以通过面板设置和显示所有参数，并且实现测量和计时功能。A40型网络仪表测量精度高、稳定性好、测量范围广、变比可任意设定，且具有通信功能，支持全数字校表，无可调电位器。

在醋纤生产现场，变频器需要采集的数据有电流、电压、频率、功率、功率因素和故障代码。现场网络仪表需要测量的数据有三相电流、电压、频率、功率因素以及有功、无功、视在电能。

3.2 硬件及软件

基于系统的总体设计思路，结合生产现场需要的采集设备，采用如下硬件设备来采集数据和转换通信协议:Siemens S7-400可编程控制器;AnyBus AB7000网关;Multi-plane 377，15英寸(1英寸=25.4 mm)触摸屏;Rockwell 20-comm-H数据采集卡。对应使用到的上位机人机界面和相关配置软件为:配置可编程控制器软件Step7;配置网关软件AnyBus Configure Tool;配置触摸屏软件WinCC Flexible2008;PLC仿真软件PLC_Sim;Modbus仿真软件Modbus_Simulator;HMI人机界面编程软件Wonderware InTouch。

3.3 硬件组态

“组态”指的是在站窗口中对机架、模块、分布式I/O(DP)机架以及接口子模块等进行排列。使用组态表表示机架，就像实际的机架一样，可在其中插入特定数目的模块［5］。

在组态表中，Step7自动给每个模块分配一个地址。如果站中的CPU可自由寻址(意思是可为模块的每个通道自由分配一个地址，而与其插槽无关)，那么可改变站中模块的地址［6］。

将组态任意多次复制给其他Step7项目并进行必要的修改，然后将其下载到一个或多个现有的设备中。当可编程控制器启动时，CPU将比较Step7中创建的预置组态与设备的实际组态，从而可立即识别出它们之间的任何差异并报告。

利用Step7软件进行硬件组态，按照技术协议书上给出的硬件型号，在S7的hardware中进行组态。将CPU作为DP主站、AnyBus作为 DP从站［7］。需要指出的是，AnyBus本身不在S7的硬件目录内，用户需要在AnyBus公司网站上下载相关设备的GSD文件，然后导入到S7。根据本项目所采用的硬件设备完成组态，编译保存。

3.4 通信

通信是本数据采集系统中极为关键的一部分，各设备间的通信通常都有各自的软硬件与之对应。以下着重介绍几个设备之间的通信。

3.4.1 Step7和S7-400硬件通信

西门子Step7是用于Simatic S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。

由于S7-400带有以太网口，因此它可直接与装有Step7的PC机通过以太网连接。但如果是首次连接，则需要采用多点接口(multi-point interface，MPI)传输方式(“Set PG/PC Interface”应选择 MPI模式)。完成首次传输后，可改用Profibus模式。需要注意的是，CPU的IP地址应该和工作站中的计算机IP地址在同一个网段内。

3.4.2 Step7与WinCC Flexible通信

由于Step7与WinCC Flexible都是西门子公司的产品，因此具有很好的集成性。在WinCC Flexible“项目”选项下选择“在Step7中集成”。集成之后，设定一个连接，通过选择这个连接，就可直接在WinCC Flexible中利用在Step7中已定义好的符号，或直接利用Step7程序的符号地址在WinCC Flexible中建立变量。

3.4.3 WinCC Flexible与触摸屏MP377通信

触摸屏的种类有很多，因此在新建WinCC Flexible项目时应选择本项目中所采用的“MP377 15'Touch”。对于触摸屏，应先在屏幕上操作设置IP地址。

程序编译无误后，连接触摸屏和工作站计算机，先测试两者之间的网络通信是否已建立。通信建立后选择“项目”下的“传送”，在跳出的新对话框中选择“以太网”模式，并输入已设置的IP地址，即可进行传送。

通常情况下，如果触摸屏内部已经存在一个程序，则在再次下载时需重新上电。

3.4.4 Step7和InTouch通信

Step7与InTouch通信需要使用System management Console(SMC)软件。在通信前，需要安装Wonderware公司提供的“Device Intergration 2010 V2”集成包内的西门子DAServer驱动。

打开SMC软件，依次新建工程项目后点击“New_S7Cp_000”，在右面的设置框“New_S7Cp_000 Parameter”中的“Network Address”栏输入 S7-400的 IP地址，接着在“Remote Slot No”中填入 CPU地址，“Connection Resource”默认选择“2”。然后在“Device Groups”中新建新主题，例如主题名为“Step7”。完成新建后，必须保存，设置才能生效。

在InTouch程序中添加新的访问名，其中的“应用程序名”为“DASSIDirect”，主题名即为上述设定的主题名“Step7”。在InTouch中添加标记名时，只需在“访问名”中选择“PLC1”，即完成Step7与InTouch的通信。

4 结束语

本设计方案充分利用了软硬件在内存容量、运行周期、读写速率等方面的优势，具有读取方便、更新及时、查错简便、扩展性好等特点。

本数据采集系统的设计思想现在已经运用在某醋酸纤维厂。一段时间的运行表明该系统能够将工业现场仪表、变频器的电力参数稳定、快速、及时地采集到数据库，并供上位机调取分析使用。系统不仅能够辅助分析产品质量，而且可以合理安排生产、节能降耗，为工厂带来了良好的经济效益。

［1］接道良.烟草企业自动数据采集系统的研究与实践［J］.自动化仪表，2006，27(3):53-55.

［2］陈睿，王欢，李炳法.烟草制造行业中的数据采集系统［J］.计算机应用，2007，27(6):414-416.

［3］王琳，商周，王学伟.数据采集系统的发展与应用［J］.电测与仪表，2004，41(8):5-8.

［4］王琰.从马钢生产实践看Wincc在生产数据报表上的应用［J］.冶金动力，2008，6(1):91-95.

［5］崔健，李佳.西门子工业网络通信指南［M］.北京:机械工业出版社，2004:34-41.

［6］黄峥，古鹏.基于S7系列PLC通讯方式与设计研究［J］.机电工程技术，2010，39(6):45-48.

［7］夏继强，梁超众，耿春明，等.Profibus-DP主站网关设计及其关键技术［J］.北京航空航天大学学报:自然科学版，2011，37(8):36-39.

Design and Implementation of the Data Acquisition System for Acetate Fiber Production Plant

The electrical parameters of motor in the acetate fiber production site，e.g.，current，voltage，power energy，etc.，are significant to product quality analysis and production arrangement，so collecting the electrical parameters of the motor is one of the critical parts in production process.In combination with the specific requirement to the data acquisition，the acquisition system is analyzed，and designed as well as implemented on-site.The S7-400 is applied to read the parameters of field networking instruments and inverters，and the AnyBus gateway is used to implement the transformation between the Modbus and Profibus protocols.The data acquisition system based on this design concept can be stably applied into the production site，and bring good production benefit.

Acetate fiber Power parameters Data acquisition Hardware configuration Communication

TP274

A

上海市重点学科建设基金资助项目(编号:B504)。

修改稿收到日期:2012-08-31。

倪佳俊(1989-)，男，现为华东理工大学控制工程专业在读硕士研究生;主要从事设备监控、系统工程方面的研究。