采用I-7188微控制器的实现分布式塑胶机监控系统的设计
开发背景以及使用i-7188的理由
随着现代工厂信息自动化进程的加快，企业急需要将管理、决策、市场信息和现场控制信息结合起来，实现erp、mes、pcs三层信息一体化的解决方案。同时，企业内、外部交换信息的需求也在不断扩大，现代工业企业对生产的管理要求不断提高，这种要求已不局限于通常意义上的对生产现场状态的监视和控制，同时还要求把现场信息和管理信息结合起来，建立一套全集成的、开放的、全厂综合自动化的信息平台，通过对经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息的综合处理，形成一个意义更广泛的综合管理系统。在pcs层中，只有具有web功能的scada系统，才能满足企业信息自动化信息平台的要求，它使采集和监控的数据得以开放，能被更多的管理系统、控制系统和使用者所访问。
武汉泓华电线厂是一家合资企业，专门生产油田、矿山用的塑胶电线，共有φ20～φ80mm的塑胶机6台和3台小型成缆机。塑胶机的功能是将塑料熔化并挤制在电线上，工艺要求：挤制在电线上的塑料厚度必须均匀，电线的收/放由牵引电机一台、放线电机一台、张力电机一台控制，见示意图1。由于塑胶机的转速一定，挤出的热塑料量一定，因此只需调节牵引电机、放线电机、张力电机的转速，便可调整挤制在电线上塑料厚度。而在电线厂往往由于牵引电机、放线电机、张力电机相互配合不当，导致塑料厚度不均匀，造成的废品和次品较多，为了提高其工艺执行效率，同时便于工厂对生产能实时在线控制，同时能将控制信息与生产信息无缝连接到工厂的管理系统mis中去，我们采用了泓格的嵌入式网络通信微控制器i-7188ead和i/o扩展控制器i-87k4模块，构成了一基于工业ethernet的分布式控制系统，取得了较好的经济效益。
i-7188微控制器本身是一个含有80188/40m主频cpu的pc机，其分别有256k-512k的flash rom和sram，内置量身定做了比romdos执行效率更高的minios7操作系统（为泓格专利），且含有一个与ne2000兼容的10m 的工业ethernet接口及多种串行通信口，可以说是是真正意义上的带ethernet接口的新一代嵌入式网络控制器，正好满足了我们基于web的scada的需要。（系统也可选用i-8431嵌入式控制器，但由于塑胶机组比较分散、控制点数较少，为节约系统资源以及hub资源，减少数据传输的瓶颈效应，我们选用了i－7188与i－87k4结合的方法）
2 系统设计
为真正实现具有web功能的scada以及将生产工艺控制参数无缝连接到厂级intranet的mis系统中，在设计中，车间级intranet主要由车间web服务器（用于外部ethernet连接以及与班组网络连接）、车间生产计划服务器（用于生产计划、调度、报表统计等）以及车间控制服务器（车间生产控制流程、生产工艺控制、设备实时监控等）组成，与外部连接采用光纤通信介质，i-7188与车间数据交换机hub之间采用10m ethernet连接。在塑胶机组控制过程中，考虑到设备的实时控制要求，采用了总线式连接方式的i-87k4控制器为前端现地信号处理器，同时每三台塑胶机构成一个小型rs-485网，再通过i-7188数据网关与交换机相连，目的是能较为实时地控制各生产设备的运行，降低数据的瓶颈效应，另外，ethernet采用的csma/cd的通信方式，数据通信控制存在某种不确定性，不利于控制。
生产车间的基于web 的scada系统结构图见图2所示。各个现地控制单元i-87k4的控制与通讯由i-7188模块完成，它用来与各采集模块通讯，并对采集到的数据进行处理，同时处理参数的显示和用户键盘输入的处理。同时i-7188还用来与控制中心的工艺控制计算机主机通讯，实现中央监控，通讯采用x.28协议。
2.1 数据网关控制器i-7188
在车间班组级scada设计中，重点需考虑苛刻的工业现场环境、稳定性以及电磁兼容等问题，同时还要避免操作人员非工作时间使用计算机而造成的不必要的麻烦。为此，选用了泓格公司的具有pc功能的工业级嵌入式数据网关－i-7188，它集计算机、通信、控制于一体，同时具有防尘、抗震、抗冲击等特性，能满足苛刻工业现场要求。是一款真正的具有“网络就是控制器”概念的工业级嵌入式网络控制器。它使网络实现了从现场控制单元到internet 、intranet，管理层的直接通信。
由于i-7188嵌入式控制器配有minios7嵌入式操作系统，它与ms-dos以及rom-dos兼容，与rom-dos相比，minios7更适合于嵌入式应用，如更短的加电启动时间，内置硬件诊断功能等，因此i-7188控制器可编程独立运行。同时，它具有独特的双看门狗安全设计，即软件看门狗和硬件看门狗组成，万一主控计算机当机，所有的输出模块就进入预设的安全状态，符合工业的安全要求。rs-485通讯网路如因故障或断线，主控计算机和模块间将无法互锁或无法通讯时，也会启动软件看门狗。软件看门狗的设计非常巧妙，使用方便，可大幅增加系统安全性。在本系统中，塑胶机需要控制的i/o点数不多，且工业环境比较恶劣，控制功能比较容易实现，i－7188正好满足我们所需的所有条件。因此，可以说i-7188特别适合于小型的嵌入式机电控制系统。
2.2 i-87k4
i-8000用于扩充输入/输出模块的数量，每一个扩展单元包括一个电源和一个底板。底板上带4个串行输入/输出扩展槽。每个扩展单元均具有115.2k的rs-485总线，用于与主控单元通讯，是一种模块化的、基于网络的小型控制系统。它即可通过本机的总线连接 i/o，也可通过i/o扩展或网络扩展去连接i/o。是智能型分散式数据采集前端产品的理想选择，而与之相连的i-7188 可运行标准的scada软件包。在本系统中，为了与i-7188ead配合使用，我们选用了有4个扩展i/o功能的基本型i-87k4。
2.3 现地控制单元i-87k4的配置
2.3.1 i-87k4的特性
* com2为rs-485，最大115.2k bps，且与16c550兼容，16字节fifo
* 可直接驱动256个i-7000模块
* 最大距离4000英尺（1.2km）
* 隔离电压2500vdc
* 输入/输出扩展槽支持串行输入/输出模块
2.3.2 扩展i/o模块
* 数据采集模块：i-87017。主要用于：
1）实时采集三个电机处导线的力矩变送器的输出张力信号，用以控制确定各个电机的转速使之相互协同工作，使电线的张力达到平衡；（需三路）
2）实时采集塑胶机挤制塑料后冷却水的温度，以使冷却水的温度达到恒定；（三路）
其特性为：模拟输入通道数为8、分辨率为16bit、输入类型采用差分、输入范围为±10v、采样方式为6通道扫描模式。
* 模拟输出模块：i-87024。为了使牵引电机、放线电机以及张力电机平稳起停、保护控制系统，采用了变频调速技术对这三台电机进行控制，利用i-87024的模拟输出信号，给变频器提供0～10v的控制信号，使变频器的输出信号变为0～50hz达到变速的目的。由于i-87024采用了光隔离方式，从而保护了控制系统，避免了电机的反电势容易使控制系统尤其是i-8000当机的现象发生。
* 数字量输入/输出模块：i-87054。主要是为了实时控制电机的起停以及监测某些连接器、断路器、吸合器的开关状态，便于系统自检和系统故障诊断。其数字量输出信号通过继电器组二次放大后启动三相大功率继电器，用以控制牵引、放线、张力三相交流异步电机的电源的开关，达到控制电机的目的。
* 定时/计数模块：i-87082，为了实时反馈电线的长度，便于生产计划、统计，在牵引轮上的上方安装有一计米器，导线在上滑动时，带动计米器转动，计米器每转动一周，便发送一个脉冲信号，i-87082便采集此时的脉冲数，脉冲数与计米器的周长的乘积便是电线的长度。
每个现地单元控制器i－87k4通过编码开关设置唯一的id号，与i－7188的通信波特率采用19200bps的通讯速率（太高会导致通信不稳定），误码低于10e-6（接收电平-110dbm时），将工业现场分散的点信号传输到i－7188乃至班组工艺控制服务器上，同时也可由工艺控制服务器控制远程各点。i－7188具有独特的双看门狗安全设计，即软件看门狗和硬件看门狗组成，当模块万一当机时，可瞬间重新开机，且和每个i/o模块有软件看门狗互锁，万一i－87k4当机，所有的输出模块就进入预设的安全状态，符合工业的安全要求，rs－485通讯网路如因故障或断线，主控计算机和模块间将无法互锁或无法通讯时，也会启动软件看门狗。i－7188以及i－8000模块的硬/软件看门狗的设计非常巧妙，使用方便，可大幅增加系统安全性。这是泓格公司产品与其他公司类似产品不同之处，而正因为这一独特的性能，便可仅用一组双绞线即可实现数据的高速和长距离的发送和接收，各节点并行连接，模块与模块、模块与网络之间相互独立，极大地提高了系统的可靠性。
3 系统软件设计
软件设计分为scada软件与web程序，整个系统中较为复杂的部分就是控制、通信模块i-7188的程序编写部分，因为i-7188模块负责协调其它所有i-87k4系列模块的正常工作，以及与控制中心通讯，工作负荷比较大，所以必须考虑周到，反复调试，才能获得较为满意的结果。scada主要是i-7188现地单元控制模块的控制程序，采用tc2.0编写，调用了i-8000相应的库函数，主要有初始化模块、定时采集模块、数据通信模块、逻辑输出模块（电机顺序控制）等，共分为：系统配置阶段、测试执行阶段（完成当前测试任务的数据采集工作）、数据处理阶段以及数据输出阶段。主程序首先初始化系统，包括对各串口的初始化及系统运行参数的初始化，并安装用户时钟中断。然后便是功能模块的运行，主要完成各个工作节拍之间的协调问题，上位机主要是windows2000与i-7188ead之间的通信程序。这一部分我们采用了组态软件mscg完成，并利用了泓格公司提供的i-7188的opc服务器，进一步简化了编程工作，主要的程序框图见图2所示。
4 应用体会
目前该系统完成了六台塑胶机的监控以及上位机实时监控一线设备运行状态，自2002年正式投入运行以来，一直运行良好，现我们正在进行3台小型成缆机的实时监控，监控的过程与塑胶机相似，同样采用i-7188ead与i-8000配合使用，由于继电器控制点数较多，还要外挂一些i-7000模块，这对于i-7188而言，完全能胜任。
由于i-7188与i-8000系列模块采用rs-485方式通讯，可远距离通信，系统所有模块只需用一条通讯线即可联结，具有强抗干扰和双看门狗设计，使系统的可靠性强。而且主机与i-7188使用tcp网络连接，使设备的互换性好，维护人员的工作难度和工作量也很小，减少了设备的投资成本，同时，满足了使用单位生产工艺要求和高性能价格比的原则，也使工厂的自动化控制和管理水平上了一个新台阶。
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2 系统设计
为真正实现具有web功能的scada以及将生产工艺控制参数无缝连接到厂级intranet的mis系统中，在设计中，车间级intranet主要由车间web服务器（用于外部ethernet连接以及与班组网络连接）、车间生产计划服务器（用于生产计划、调度、报表统计等）以及车间控制服务器（车间生产控制流程、生产工艺控制、设备实时监控等）组成，与外部连接采用光纤通信介质，i-7188与车间数据交换机hub之间采用10m ethernet连接。在塑胶机组控制过程中，考虑到设备的实时控制要求，采用了总线式连接方式的i-87k4控制器为前端现地信号处理器，同时每三台塑胶机构成一个小型rs-485网，再通过i-7188数据网关与交换机相连，目的是能较为实时地控制各生产设备的运行，降低数据的瓶颈效应，另外，ethernet采用的csma/cd的通信方式，数据通信控制存在某种不确定性，不利于控制。
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2.1 数据网关控制器i-7188
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2.2 i-87k4
i-8000用于扩充输入/输出模块的数量，每一个扩展单元包括一个电源和一个底板。底板上带4个串行输入/输出扩展槽。每个扩展单元均具有115.2k的rs-485总线，用于与主控单元通讯，是一种模块化的、基于网络的小型控制系统。它即可通过本机的总线连接 i/o，也可通过i/o扩展或网络扩展去连接i/o。是智能型分散式数据采集前端产品的理想选择，而与之相连的i-7188 可运行标准的scada软件包。在本系统中，为了与i-7188ead配合使用，我们选用了有4个扩展i/o功能的基本型i-87k4。
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2.3.1 i-87k4的特性
* com2为rs-485，最大115.2k bps，且与16c550兼容，16字节fifo
* 可直接驱动256个i-7000模块
* 最大距离4000英尺（1.2km）
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* 数据采集模块：i-87017。主要用于：
1）实时采集三个电机处导线的力矩变送器的输出张力信号，用以控制确定各个电机的转速使之相互协同工作，使电线的张力达到平衡；（需三路）
2）实时采集塑胶机挤制塑料后冷却水的温度，以使冷却水的温度达到恒定；（三路）
其特性为：模拟输入通道数为8、分辨率为16bit、输入类型采用差分、输入范围为±10v、采样方式为6通道扫描模式。
* 模拟输出模块：i-87024。为了使牵引电机、放线电机以及张力电机平稳起停、保护控制系统，采用了变频调速技术对这三台电机进行控制，利用i-87024的模拟输出信号，给变频器提供0～10v的控制信号，使变频器的输出信号变为0～50hz达到变速的目的。由于i-87024采用了光隔离方式，从而保护了控制系统，避免了电机的反电势容易使控制系统尤其是i-8000当机的现象发生。
* 数字量输入/输出模块：i-87054。主要是为了实时控制电机的起停以及监测某些连接器、断路器、吸合器的开关状态，便于系统自检和系统故障诊断。其数字量输出信号通过继电器组二次放大后启动三相大功率继电器，用以控制牵引、放线、张力三相交流异步电机的电源的开关，达到控制电机的目的。
* 定时/计数模块：i-87082，为了实时反馈电线的长度，便于生产计划、统计，在牵引轮上的上方安装有一计米器，导线在上滑动时，带动计米器转动，计米器每转动一周，便发送一个脉冲信号，i-87082便采集此时的脉冲数，脉冲数与计米器的周长的乘积便是电线的长度。
每个现地单元控制器i－87k4通过编码开关设置唯一的id号，与i－7188的通信波特率采用19200bps的通讯速率（太高会导致通信不稳定），误码低于10e-6（接收电平-110dbm时），将工业现场分散的点信号传输到i－7188乃至班组工艺控制服务器上，同时也可由工艺控制服务器控制远程各点。i－7188具有独特的双看门狗安全设计，即软件看门狗和硬件看门狗组成，当模块万一当机时，可瞬间重新开机，且和每个i/o模块有软件看门狗互锁，万一i－87k4当机，所有的输出模块就进入预设的安全状态，符合工业的安全要求，rs－485通讯网路如因故障或断线，主控计算机和模块间将无法互锁或无法通讯时，也会启动软件看门狗。i－7188以及i－8000模块的硬/软件看门狗的设计非常巧妙，使用方便，可大幅增加系统安全性。这是泓格公司产品与其他公司类似产品不同之处，而正因为这一独特的性能，便可仅用一组双绞线即可实现数据的高速和长距离的发送和接收，各节点并行连接，模块与模块、模块与网络之间相互独立，极大地提高了系统的可靠性。
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软件设计分为scada软件与web程序，整个系统中较为复杂的部分就是控制、通信模块i-7188的程序编写部分，因为i-7188模块负责协调其它所有i-87k4系列模块的正常工作，以及与控制中心通讯，工作负荷比较大，所以必须考虑周到，反复调试，才能获得较为满意的结果。scada主要是i-7188现地单元控制模块的控制程序，采用tc2.0编写，调用了i-8000相应的库函数，主要有初始化模块、定时采集模块、数据通信模块、逻辑输出模块（电机顺序控制）等，共分为：系统配置阶段、测试执行阶段（完成当前测试任务的数据采集工作）、数据处理阶段以及数据输出阶段。主程序首先初始化系统，包括对各串口的初始化及系统运行参数的初始化，并安装用户时钟中断。然后便是功能模块的运行，主要完成各个工作节拍之间的协调问题，上位机主要是windows2000与i-7188ead之间的通信程序。这一部分我们采用了组态软件mscg完成，并利用了泓格公司提供的i-7188的opc服务器，进一步简化了编程工作，主要的程序框图见图2所示。
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