1 引言
隨著科學技術的發展，基于以太網、計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、人機界面(HumanComputer Interface，HMI)、智能儀表的自動化已成為現代工廠的技術支柱。與傳統的基于現場總線的工業控制網絡體系相比，工業以太網具有通信速率高、成本低廉、資源共享能力強、可持續發展潛力大等優勢。
我國涂料行業生產線的自動化程度相對落后，隨著涂料行業的技術改造和新建項目中計算機技術的廣泛應用，采用PLC控制取代了繼電器控制；工藝流程的人機界面動態顯示取代了模擬顯示；PC機與以太網技術使整個生產線處于遠程控制和管理下，從而徹底改變了傳統涂料行業生產的落后面貌。
本系統主要研究由PC、PLC和HMI組成的遠程控制系統在涂料生產線的應用。從工藝流程的控制要求人手，對涂料生產線綜合分析，通過PLC編程實現基本控制要求，通過觸摸屏設計一套人性化、簡單化的人機界面，再通過現場調試對工藝參數進行調整。上位機監控軟件采用北京亞控科技發展有限公司的“組態王6．53”組態軟件，設計了工藝流程圖顯示、動態數據畫面顯示、報表顯示、報警顯示等功能，實現對生產的過程監控及數據處理。通過以太網，管理者可以遠程監控整個生產過程，定時查看生產數據，從而最終滿足控制和管理要求。
2 工藝流程簡介
涂料生產包括基料配對、配料、兌稀、包裝、入庫等環節。總體工藝流程如圖1所示。涂料生產工藝流程是：將膠料和助劑混合，并進行低速攪拌；將顏填料、助劑和水混合后進行高速分散，必要時進行研磨制成白漿；把白漿分批慢速加入到乳液中，形成初涂料；用增稠劑調整初涂料的粘稠度，用色漿調配初涂料的顏色及其深淺度，或再加入消泡劑即為乳膠漆成品，經過濾、稱量、包裝、檢驗合格后就可入庫或上市銷售。
圖1 總體工藝流程圖
3 控制系統結構設計
根據工藝流程和生產要求，涂料生產過程控制中最重要的是對各種物料進出量實現精確控制。生產所用的物料都存放在物料罐中，每次用料量都很大。由于現場條件的限制，無法直接采用重量傳感器來計量。而且從節約成本出發，采用質量流量計也不經濟。因此，本系統中采用液位變送器檢測物料罐中物料液位的變化，利用罐的截面積得到進出物料量的體積，再利用該物料的密度就可得到進出物料的量。同時，該遠程控制系統還要求具有以下功能：
(1)對整個工藝流程實現自動檢測和控制；
(2)以組態王6．53web為技術平臺，實時顯示系統的監控畫面；
(3)通過以太網通訊，實現不同樓層的人機界面資料共享以及生產的遠程監測；
(4)生產過程自動控制中具有多重安全措施；
(5)實現“現場無人值班，控制室少人操作”的目標，減輕操作人員的工作量和勞動強度，并加強對操作人員的監督和管理。
整個系統分為四層：現場控制級、PLC控制站、上位計算機監控系統和遠程監控系統。系統結構如圖2所示。
圖2 系統結構圖
3．1現場控制級
現場控制級主要有兩部分功能：一是對現場的生產進行手動操作；二是現場的液位變送器與PLC連接，將物料量的變化信號傳送到PLC，PLC輸出控制泵，從而實現進出物料量的自動控制。
3．2 PLC控制站
PLC控制站由可編程控制器、觸摸屏、配電器、中間繼電器和報警器等組成。
本系統中可編程控制器采用歐姆龍公司CPIH，主要完成對現場設備相關模擬量和開關量的數據狀態采集及輸出控制。觸摸屏采用威綸通公司的MT8000。觸摸屏與PLC配套使用，使得PLC的應用更加靈活。觸摸屏可以設置參數、顯示數據、以動畫等形式描繪生產過程，使得PLC的應用可視化。采用RS232接口將觸摸屏與PLC通過通信電纜進行連接。遠程觸摸屏(HMI A)和本地觸摸屏(HMI B)通過以太網連接，二者均可顯示儀表數據和設備狀態，都能對現場設備進行控制。
3．3上位計算機監控系統
上位計算機監控系統既能完成系統的組態、調試，檢測參數的在線修正和控制參數的設置，又能實現對生產數據的采集，報表的生成和打印，異常信號的報警及生產現場信息的網絡發布等功能。利用組態王6．53的web功能，上位監控計算機同時作為系統的web服務器，組態王工程可通過web服務器完成web發布。
3．4遠程監控系統
遠程監控系統指廠長室通過以太網與現場PC相連，操作人員可以隨時隨地通過以太網和IE瀏覽器實施遠程監控。
4 控制系統軟件設計
4．1 PLC控制系統設計
PLC控制系統運行流程如圖3所示。PLC控制分手動、自動控制兩種，系統一般使用自動控制，手動控制主要在系統檢修或參數調試時使用。現場手動控制是由用戶在現場通過手動操作按鈕決定各執行機構的輸出狀態，現場手動控制具有比PLC控制更高的優先權。
從生產安全角度考慮，PLC控制系統中采用三重保護措施：
(1)低限即停。在自動狀態下出料時，物料罐內現有物料量低于150 kg后電機會立即停止，以防罐內料位低于變送器測量口，造成變送器無法測量物料變化而引起失控。
(2)出料量長時間不變即停。在自動狀態下出料時，如果出料量在10 s內無變化，說明變送器無法正常檢測物料變化，此時電機會立即停止。
(3)緊急停車。在自動狀態下出料時，如需立即中斷出料可點擊觸摸屏上的“緊急停車”按鈕，此時電機會立即停止。
圖3 PLC控制系統運行流程圖
4．2觸摸屏設計
4．2．1觸摸屏參數設置
本地觸摸屏HMI B與PLC通過串口通信，通訊參數設置必須一致。本系統中將“波特率、數據長度、停止位、奇偶校驗”設置為“19 200、7、2、E”。
遠程觸摸屏HMI A通過以太網與本地觸摸屏HMI B通信。以太網連接的方式有兩種：一種是使用平行網絡線，搭配集線器使用；另一種是使用跳接網絡線，不需使用集線器，這種方式只限使用在一對一聯機的情況下(HMI A對HMI B)。本系統采用第二種連接方式。兩臺HMl分別設置好局域網IP地址。為了兩臺HMI通訊成功，還需引入主、從機概念。主機外接PLC，從機通過主機連接PLC(遠端)。
4．2．2觸摸屏畫面設計
根據生產監控要求，共設計了登錄畫面、主畫面、斜率修正和基準修正畫面、出料設置畫面、報警記錄畫面和工況數據畫面等幾個主要界面。現場參數變化都可以在觸摸屏上顯示，并可以通過觸摸屏對現場進行實時調整和監控。
(1)登錄畫面。系統設定操作員、管理員兩個不同用戶，登錄界面需要用戶名和密碼，根據不用的用戶可以預先設置不同的操作權限。
(2)斜率修正和基準修正畫面。基準修正是用于修正每次出料時出現的固定偏差；斜率修正是用來修正由于溫度變化或者更換物料引起的物料密度變化。隨著環境溫度的變化、物料的改變，出料精度會受到影響，操作者可以通過微調參數，修正提高出料精度。此功能只有管理員具備。
(3)出料設置畫面。操作員在出料設置中不能自行設置出料，而是由管理員預先在觸摸屏上或通過上位計算機設置好出料量，供操作員選擇出料。通過此方式，管理員可控制操作員生產時過量使用原料，從而有效降低成本。
4．3上位機監控軟件設計
上位機監控軟件結構如圖4所示。軟件設計主要包括：主畫面、柱狀圖、實時數據、歷史數據查詢、報警記錄查詢、參數設置、web發布等。
遠程控制系統按結構分為客戶端／服務器(Client／Server，C／S)和瀏覽器／服務器(Browser／Server，B／S)兩種模式。C／S模式由客戶端和服務器組成，服務器具有數據采集、控制和與客戶端通信的功能，客戶端則包括與服務器通信和用戶界面模塊。C／S模式需要安裝客戶端軟件，對客戶端的性能要求較高，使用和維護不便。B／s模式由瀏覽器、Web服務器和數據庫服務器組成，B／S模式基于標準的Hn’P和TCW IP開放性協議，開發和維護完全集中在服務器端，減輕客戶端的負擔，而且客戶端只配置瀏覽器，具有良好的擴展能力和跨平臺性舊o。對B／s模式和C／S模式進行比較，B／S模式要優于C／S模式。組態王的Web發布功能采用B／S模式，可以實現畫面發布和數據發布。用于Web發布的計算機(Web站)要安裝并綁定TCP／IP協議，本系統中上位計算機既是控制站，又是Web服務站。
圖4上位機監控軟件結構圖
4．4網絡瀏覽
在進行IE訪問時，需要知道被訪問程序的端口號，默認為80。
遠程的計算機(客戶端)也要安裝有TCP／IP網絡協議，且上位計算機已發布工程，發布的工程正處于運行狀態，否則客戶端無法登錄。在網絡正常的前提下，客戶端打開Intemet Explorer瀏覽器，在地址欄中按以下格式輸入地址：http：／／發布站點機器名(或IP地址)：組態王Web定義端口號，按下回車鍵即可彈出用戶登錄對話框，輸入用戶名和口令后，會彈出發布的Web組、點擊Web組進入相應的畫面，即可進行相應的參數監控。
5 結束語
本系統實現了涂料生產中原料投放的自動控制、操作人員的生產管理和生產過程數據的記錄、報警等功能，既保證了生產的安全性和高效性，又降低了操作管理人員的勞動強度。同時，通過以太網實現了全廠集中管理和監控。該系統已經投入實際應用，控制效果理想。
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本文標題：一種基于以太網技術的涂料生產遠程監控系統
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