油漆车间电气与信息控制

一、项目简介

本文描述了上海通用汽车南厂油漆车间典型电气控制技术与IT信息管理技术，以及OPC技术在油漆车间以及IT系统中的成功应用实例。油漆车间由德国杜尔公司负责设计、安装调试，大量采用西门子S7 300与S7 400系列PLC，主要采用西门子Softnet和INAT OPC Server进行上下位机的数据交换与通讯。整个系统涉及大量的数据交换与信息处理，控制过程复杂，实时性要求较高，且部分区域采用西门子SCALANCE W无线模块，获得良好应用效果。

二、车间级的控制方案

整个控制系统分为IT信息控制与车间电气控制，如图1所示。其中：

1．信息控制汇总现场各个车间的信息情况，进行综合监视与处理等。分为AVI系统、Andon系统、PMC系统，其中大量采用了西门子的Softnet OPC Server与底层的PLC进行数据交换，并传递给上层的HMI系统。

2．车间电气控制只是处理单个车间的电气信息，整个油漆车间PLC总数达30余台，分为输送链部分、工艺部分和机器人喷涂部分，有着系统数据量大、控制复杂、数据交换多等特点。所有操作画面系统均采用杜尔公司自己开发的EMOS HMI系统，采用INAT OPC Server与底层的PLC进行数据交换。

图  1 车间级控制方案 

三、IT部分控制系统构成    

1．AVI系统

现场采用西门子Moby-I进行车辆数据读取与传输，采用S7 416-2 PLC，接合CP443-1实现与工业以太网的通讯；HMI系统到底层PLC的数据读取通过Softnet OPC Server完成， Moby-I数据读取原理如图2所示。

2．Andon系统

车间级的现场生产信息监视与故障报警处理等，包括暗灯大屏幕、声音报警。HMI系绩 OPC Server实现与工业以太网的通讯。OPC的系统结构如图3所示。

图2  Moby-I数据读取原理

图3 0PC系统结构图

3．PMC系统

过程监视系统通过工业以太网读取PLC内与生产相关的数据，放到HMI上面显示出来。涵盖整个车间的设备状况，操作运行等，且只是监视所用，不参与控制。

四、油漆车间控制系统构成

1．输送链部分

控制系统采用多套S7 416-2 PLC，接合CP443-1网卡，实现与工业以太网的通讯，其中大量采用西门子的软启动器和低压电气产品。而在现场，则使用SEW的Movisitch和Movidrive控制器，如图4所示。

2．工艺设备与过程部分

控制系统采用多套S7 317-2 PLC，接合CP343-1网卡，实现与工业以太网的通讯，其中采用大量西门子MM 440变频器。

3．机器人喷涂

控制系统采用S7 416-2 PLC，进行机器人喷涂的协调主控，接合CP443-1网卡，实现与工业以太网的通讯；其中西门子的PLC主要负责系统的数据交换，协调各个部分的运动控制，并给定伺服驱动器的输出，如图5所示。

图4输送链部分控制图

图5机器人喷涂部分控制图

五、OPC技术分析以及其在油漆车间的应用

1．OPC简介

过去，用于各个设备制造商的接口标准不统一，所以专用系统间的通信困难是相当普遍的，而设备驱动程序只是适用于特定设备的应用程序或内部应用程序的组合，于是限制了最终用户的选择。而应用软件或现场设备升级后，与其他现有的应用软件之间的通讯往往会出现不协调，影响系统的正常运行，甚至造成系统崩溃。

OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）规范是一个通用的工业标准，其在 Microsoft公司的合作下，由全世界在自动化领域中处于领先地位的软、硬件供应商协作制定的。 OPC是一个基于COM技术的接口标准，OPC提供了一种从不同数据源（包括硬件设备和应用软件）获得数据的标准方法。

OPC采用客户，服务器结构。一个OPC客户程序可与多个厂商提供的OPC服务器连接，并通过OPC服务器，从不同的数据源存取数据。OPC服务器是一个典型的现场数据源程序，它收集现场设备数据信息，通过标准的OPC接口传送给OPC客户端应用程序。OPC客户端应用程序是一个典型的数据接收程序，如人机界面软件(HMI)、数据采集与处理软件(SCADA)等。OPC客户端应用程序通过OPC标准接口与OPC服务器通信，获取OPC服务器的各种信息。符合OPC标准的客户端应用程序可以访问来自其他生产厂商的OPC服务器。

OPC规范定义了两套接口标准，包括自动化标准（Automation Interface Standard）和自定义接口标准( Custom Interface Standard)。自动化接口是为了向VB之类的脚本语言编写的客户程序提供服务，而自定义接口适用于C和C++应用程序，它比自动化接口更高效，功能更强大。已发布的OPC规范主要有数据存取、报警与事件处理、历史数据存取以及批处理等服务器规范。

如图6和图7所示，可以通过OPC Server在Excel和VB程序中访问PLC的数据。

图6在VB应用程序中访问PLC数据

图7在Excel中访问PLC数据    

2．现场情况介绍与OPC Server的选择

现场中采用西门子的S7系列PLC，与PMC和暗灯(Andon)系统的Cimplicity进行数据交换，此外还需要与VB．Net编写的应用程序进行数据交换，所以选用西门子的Softnet OPC Server。

对于西门子系统，OPC可以运行在Profibus和工业以太网上。其中，可以通过CP5613、CP5614、 CP5611、CP5511等网络部件连接OPC服务器。通过用于工业以太网的SOFTNET，PG/工控机，工作站可与PLC（如SIMATIC S7）相连接，并可提供以下的应用接口：用于SIMATIC S7的PG/OP通讯、S5兼容通讯(SEND/RECEIVE)、用于与SIMATIC S5和S7的通讯、S7通讯。

SOFTNET可用于以下的连接设备：CP 1612 (PCI) /CP 1512（PC卡）、集成的工业以太网接口、Modem/ISDN（远程访问服务RAS）、CP 1613。

3．OPC相关基本硬件配置

(1) OPC Server:西门子Softnet-S7，带64点授权。    

(2)订货号：6GK1 704-1 CW61-3AAO。

(3)西门子Softnet-S7 Lean，带8点授权。    

(4)订货号：6GK1 704-1 LW61-3AAO。

(5) OPC Client:  GE Fanuc Cimpilicity HMI; VB．Net用户程序。    

(6)网卡：普通的以太网卡。

(7) PLC:西门子S7 317-2DP和S7 416-2DP    

4．组态过程中几个关键的地方组态过程中，有几个地方应该加以注意

(1)在Netpro中为通讯选择连接方式，单击OPC Server，在屏幕的下方插入新的连接。如图8所示，此处有很多种连接方式。

图8连接类型

1) S7连接：可以组态用于所有的S7/M7设备以及各种类型的子网(MPI、PROFIBUS、工业以太网)，可以使用BSEND/BRCV、USEND/URCV等系统函数在S7/M7设备间交换数据。

2)点到点连接：提供CPU到连接伙伴间的点到点连接。

3) FMS连接：采用PROFIBUS FMS协议，用于传送结构化数据（FMS变量），可以与非西门子设备在PROFIBUS上进行通讯。

4) FDL连接：只用于PROFIBUS，采用PROFIBUS FDL协议，按照SDA功能约定，用于支持SEND/RECEIVE的通讯伙伴(如，SIMATIC S5或PC)。

5) ISO传输连接：只用于工业以太网，按照ISO传输协议，用于支持SEND/RECEIVE的通讯伙伴(如SIMATIC S5或PC)。

6)  ISO-on-TCP连接：只用于工业以太网，按照ISO-on-TCP传输协议，用于支持 SEND/RECEIVE的通讯伙伴（如，SIMATIC S5或PC）。

7) TCP连接：只用于工业以太网，按照TCP/IP传输协议，用于支持SEND/RECEIVE的通讯伙伴（如非西门子设备或PC）。

8) UDP连接：用于工业以太网（TCP/IP协议），允许在节点间连续传输。

9) E-Ma．|连接：用于工业以太网（TCP/IP协议），使用IT通讯处理器，允许通过E-mail发送数据块。

(2)其中，在组态连接时，需要填写连接对象的信息，此处注意填入正确的机架和插槽号，如图9所示，连接资源( Connection Resource)的含义如下   

图9连接资源

1) 01、02、03分别为自由连接。

其中，01系统预留用于编程器连接；02系统预留用于操作面板连接；03用于不同类型应用连接。

2) OxlO-OxDF为组态连接，一个连接资源只是用于一个连接，且需要双向组态，即在PLC侧也需要进行此连接组态处理。

(3)组态完成后的下载，注意与通常的下载到现场PLC不同的是，在此处的相关组态信息用于PC机上的OPC服务器，所以需要在设置PC,PG上选择PC INTERNAL( LOCAL)选项，具体区别如图10所示。

图10下载示意图

(4)下载完成后，组态编辑器内的设备状况如图11所示，则说明系统配置正确。5．系统连接首先可以手动Ping -下现场的设备，如果可以Ping通，则打开OPC Scout进行数据读写，查看连接是否正确，如图12所示。

HMI连接，在Cimplicity下面，通过组态OPC客户端，可以进行现场数据读取，如图13所示。

图11  下载后设备正常运行示意图

图12  使用OPC Scout读取现场设备数据

图13 Cimpilicity通过OPC Server的数据读取

六、无线技术在油漆车间的应用

在油漆、车身与总装车间连接处的BDC区域，有一个分配车辆的stocker，在固定的导轨上高速运行。此处，使用了西门子的无线客户端SCALANCE W 744-1与IT系统的CISCO AP进行通讯，采用802.11b（也可以使用802.11a）频段，进行现场PLC系统与IT系统的信息传输。如图14所示。

图14现场Stocker小车的网络结构图

现场无线网络采用WEP加密技术，并可以实现在802.11b频段和802.11g频段之间进行冗余切换，加强了系统的安全性。

并且在总装车间的发动机运输线和仪表盘运输线上，也计划采用和已经采用了西门子的 SCALANCE W 744-1与IT系统的CISCO AP进行通讯，采用802.11a频段与802.11b频段，实现与IT系统的快速稳定通讯。

七、结论

本文描述了油漆车间的西门子产品应用以及典型的IT信息管理技术，其中大量采用了OPC控制技术，实现了上层HMI软件和应用程序与底层PLC的无缝快速连接，使得系统处于良好的开放状态，具有很好的可扩展性。且大量使用西门子SCALANCE W无线模块，其价格经济，功能全面，涵盖范围广且防护等级高，获得一致好评。

参考文献

1．西门子公司在线帮助文档，http://www4.ad.Siemens.de/

2．刑建春，工业控制软件互操作标准OPC综述【J】。工业控制计算机，2000. 13 (1)：29 – 32

3.  Routing of data records using a gateway CPU and S7 Communication (BSEND/BRCV),  西门子在线文档。

4.  AL CHISHOLM,A Technical Overview of the OPC Data Access Interface[C]. ISA Exp0 98,    1998