CN104102196B

CN104102196B - 基于批量生产的工业自动控制系统

Info

Publication number: CN104102196B
Application number: CN201410317572.2A
Authority: CN
Inventors: 龙韬; 夏永亮; 朱卿林
Original assignee: SHANGHAI DECHUAN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI DECHUAN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2034-07-04
Also published as: CN104102196A

Abstract

本申请一种工业自动控制系统，基于批次生产的基础上，通过设置包括有可编程控制器实现对生产配方的存储及编辑，进而使得客户端可根据不同的生产设备所需进行的生产工艺灵活的对生产配方进行编辑操作，进而使得本申请工艺自动控制系统能够适应不同种类的生产设备，有效提高了其兼容性，且其还能实现与传统的工业自动控制系统的完美兼容，大大降低了现有的生产系统升级的成本。

Description

基于批量生产的工业自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业自动化领域，具体涉及一种基于批量生产的工业自动控制系统。

背景技术

人们根据输出产品的状态(如连续的产品流、离散的批次或离散的数量)，将工业生产过程划分为连续生产过程、批量生产(Batch)过程(间歇生产过程)和离散生产过程。

随着科技的发展和社会的进步，近年来，工业生产的产业结构出现了明显的变化，即由大批量、少品种生产方式向小批量、多品种生产方式转变，所以使得批量生产过程成为现代工业生产过程的一个重要分支。

在ISA S88中，批量生产过程的定义：将有限量的物料按规定的加工顺序在一个或多个设备中加工以获得有限量的产品的加工过程，即将以顺序的操作步骤进行批量产品生产的过程称为批量生产过程。

目前，由于批量生产过程具有诸如系列化(即在同一设备上生产品种多样的产品)、多批量(即负荷可调节)、柔性好(即生产装置容易结合)、设备投资小、生产更新快及高附加值等优点，使得其被广泛的应用于精细化工、食品饮料及医药等行业中，且其均是按照给定的配方生产一定量成品。

但是，随着微电子技术的快速发展，许多大的厂家均会根据ISA S88开发出具有自己特点的Batch产品，由于每个厂家所开发出来的Batch大多都是基于自己自动控制产品开发的产品，兼容性很低，而由于Batch开发的价格相对较高，使得中小企业难以承受，进而限制了其快速的发展。

发明内容

本申请记载了一种工业自动控制系统，其中，所述系统包括：

控制模块，存储有生产配方；

用户端，与所述控制模块通讯连接，可对存储在所述控制模块中的生产配方进行编辑和选择；

生产设备，通过现场总线与所述控制模块通讯连接，所述控制模块根据所述用户端选择的生产配方控制所述生产设备进行批量生产，并将生产数据实时记录存储，且显示于所述用户端上；

其中，所述控制模块包括至少一个可编程控制器，以实现对所述生产配方的存储与编辑。

上述的工业自动控制系统，其中，所述控制模块包括相互独立的生产单元和清洗单元；

所述生产单元中包括第一可编程控制器，以控制所述生产设备进行工艺生产操作；

所述清洗单元包括第二可编程控制器，以控制所述生产设备进行清洗工艺；

其中，所述生产单元和所述清洗单元通过以太网实现数据共享。

上述的工业自动控制系统，其中，所述生产配方的编辑包括：

添加所述生产配方和/或删除所述生产配方和/或修改所述生产配方。

上述的工业自动控制系统，其中，所述生产配方包括主配方、控制配方、生产批次信息和生产过程信息；

其中，所述主配方包括设备性能信息和过程单元信息，所述控制配方包括生产所需要控制的设备信息。

上述的工业自动控制系统，其中，所述可编程控制器中嵌入设置有过程控制程序和批次控制程序；

所述过程控制程序的结构包括过程单元层、单元层、设备模块层和控制模块层；

所述批次控制程序的结构包括批次控制层；

所述批次控制层根据所述生产配方协调控制所述过程单元层、所述单元层、所述设备模块层和所述控制模块层；

其中，采用FC块实现所述过程单元层、所述单元层和所述设备模块层，采用FB块和DB块实现所述控制模块层，采用FC块、FB块和DB块实现所述批次控制层。

上述的工业自动控制系统，其中，所述生产配方存储在所述DB块中。

上述的工业自动控制系统，其中，所述控制模块还包括连接模块，以实现所述可编程控制器所控制的系统与工控机所控制的系统之间的数据共享。

综上所述，本申请一种工业自动控制系统，基于批次生产的基础上，通过设置包括有可编程控制器实现对生产配方的存储及编辑，进而使得客户端可根据不同的生产设备所需进行的生产工艺灵活的对生产配方进行编辑操作，进而使得本申请工艺自动控制系统能够适应不同种类的生产设备，有效提高了其兼容性，且其还能实现与传统的工业自动控制系统的完美兼容，大大降低了现有的生产系统升级的成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本申请工业自动控制系统的模块结构示意图；

图2是本申请一实施例中过程设备控制程序结构示意图；

图3是本申请一实施例中Batch控制层的程序结构示意图；

图4是本申请一实施例中Batch控制层的模块结构示意图；

图5是本申请工业自动控制系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

本申请记载了一种工业自动控制系统，可应用于传统工控机控制的工业生产控制系统的基础上进行升级时，实现批次生产(Batch)的工业自动化控制。

图1为本申请一种工业自动控制系统的模块结构示意图，如图1所示，一种工业自动控制系统，包括用户端、生产设备和控制模块；该用户端(该用户端为一种终端设备，具有数据输入/输出功能，如计算机等)与控制模块可通讯连接，能够实现对存储在控制模块中的生产配方进行编辑和选择，且该用户端显示工艺自动控制系统的单元功能及运行过程中的相关数据记录等，即工艺工程师可通过该用户端对上述显示的单元功能进行操作(如查询生产工艺相关数据、编辑/选择工艺配方、启动/停止程序等相关控制生产工艺的操作)。

进一步的，上述的控制模块为实现控制生产工艺相关的软硬件的集合，如根据生产配方编辑形成的单元组合形成的程序组合及相关设备等；生产设备则通过现场总线与控制模块通讯连接，以使得控制模块能够根据用户端选择的生产配方控制生产设备(包括被控设备和采集设备)进行批量生产，并将生产数据实时记录存储，且显示于用户端上，以供工艺工程师实时查看生产工艺的实时状况。

优选的，上述的控制模块包括至少一个可编程控制器，每个可编程控制器均控制一个独立的子系统，以实现对生产不同的操作，且每个可编程控制器还均能实现对上述生产配方的存储与编辑操作。

优选的，本实施例中的自动控制系统包括的硬件设备有主PLC、辅PLC、触摸显示设备和工控机，而软件产品则可采用如Step7V5.5、WinCC V6.2和WinCC Flexible 2008SP2；上述的主PLC、辅PLC均通过以太网与上位机(OS)连接，进而实现数据通信的；而触摸显示设备与主PLC、辅PLC之间也可通过以太网实现数据通信。

优选的，本实施例中的自动控制系统中是采用系统总线(如Profibus-DP)实现与现场的一些设备之间的数据采集和交换(数据通信)；上述的现场设备可为MM440、赫优信协议转换器(Profinet转Profibus DP)、称重仪等驱动(Driver)类产品。

优选的，本实施例中的自动控制系统中可化为清洗单元和生产单元，并通过利用上述的主PLC(如CPU 315-2DP)实现生产单元的控制任务，而利用上述的辅PLC(如CPU 317-2DP)实现清洗单元的控制任务，且清洗单元与生产单元之间功能相互独立的同时，其数据可利用以太网实现共享。

优选的，本实施例中的自动控制系统中PLC程序部分可通过基于工控软件(如Step7中的LAD、STL、FBD程序编辑器)进行设计，进而实现具有直观易懂、逻辑思路清晰、结构性和条理性较强的PLC程序。

优选的，本实施例中的自动控制系统系统无需Batch服务器，Batch的数据处理可在PLC与WinCC中通过脚本实现，且可通过通信实现与传统系统的生产信息数据的共享。

优选的，本实施例中的自动控制系统系统可应用于一些中小行业(如精细化工、食品饮料和医药等行业)的批生产自动控制中，例如可作为于某企业洗衣液类产品的厂区新扩加的一套批生产自动控制系统，其可与旧自动控制系统一起投入使用，通过加入新批生产自动控制系统后，其规模可比原来扩大一倍，且产量比以前扩大一倍以上，以使得产品产量、质量、时间利用率等在很大程度上得到有效的提高。

另外，本实施中批生产自动控制系统具有操作画面清晰明了，操作简单，很容易上手等特点，且工艺配方的输入方便简单，一般的操作工人只需鼠标和键盘的数字键就可以操作(如输入配方等)，还能提供多个工艺配方的存储、提取，并可对工艺配方进行添加、保存、修改等操作；系统中的设备都可以通过鼠标在画面上操作以实现手动的启动和停止。

同时，如果是走自动程序，通过少数几个步骤的操作即能实现整个系统的运行；显示设备上还能实时的系统详细的显示了设备的状态信息、报警信息(如电机、泵、阀的开关状态，是否处于报警状态等)、现场管道中的料液的温度、压力、流量的瞬时值，也可在该显示设备上进行查看当前配方、当前运行到的步、启动/停止Batch控制等操作。

下面就某洗衣液类产品进行应用该批生产自动控制系统进行具体说明：

一种批生产自动控制系统，具体在工厂中实现批生产自动控制可包括：过程设备控制程序设计部分、Batch控制程序设计部分、WinCC Runtime图及WinCC脚本设计部分。

图2是本申请一实施例中过程设备控制程序结构示意图，如图2所示，上述的过程设备控制程序设计部分主要包括以下4层结构：

(1)过程单元层，其主要由管道、阀、电机、泵、锅子等基本单元构成的，且该过程单元层的程序可通过FC块实现；

(2)单元层，其主要由管道、阀、电机、泵、锅子等基本单元构成的，且该单元层还是过程单元的其中的一个子单元，同样该单元层的程序可通过FC块实现；

(3)设备模块层，其主要由一些电气设备(如阀、电机、泵等)构成，且该设备模块层的程序可通过FC块实现；

(4)控制模块层，其主要涉及到一些具体的电气设备的控制，如泵的控制、电机控制、阀控制等，且该控制模块层的程序可通过FB块(如泵块、电机块、阀块等)实现。

优选的，上述的程序设计可通过工控软件中(如通过SIEMENS工控软件Step7的LAD、STL、FBD)实现。

图3是本申请一实施例中Batch控制层的程序结构示意图，图4是本申请一实施例中Batch控制层的模块结构示意图；如图3～4所示，上述的Batch控制程序设计部分则主要包括Batch控制层，该Batch控制层的程序可通过FC块、FB块和DB块实现，且进行生产的生产配方存储在DB块中，具体的：

上述的Batch控制(即批生产控制)层，可根据工艺工程师提供的配方来协调控制过程单元层、单元层、设备模块层、控制模块层，即Batch控制协调控制自控部分的主配方(包括原料、过程单元层的选择和单元层的选择)和控制配方(包括设备模块层和控制模块层)，以及工艺部分的生产批次(包括生产产品数量)和生产过程(包括搅拌、加热、冷却、加料、循环、保温等相关参数)，且上述的工艺工程师还可通过输入设备中(如在Excel中根据一定的格式编辑工艺配方)工艺配方。如在一个厂区，生产一种最终成品的产品，一般要经过一个或多个过程单元层(如可将一个项目划分成：预配区、主锅阀阵区、主锅循环区、成品储罐区、灌装区、DIP区、水处理区等)，且各个过程单元层区各自处理自己的任务。

进一步的，上述的Batch控制(批生产控制)层的一系列动作可通过生产配方表现出来的，该生产配方可包括主配方(包括设备性能信息和过程单元信息)、控制配方(包括所需要控制的设备的信息)、生产批次(包括生产产品的数量如单环节的产品或最终产品的数量)、控制过程(包括一系列的设备的控制过程，如加LAS、加CAUS、加NI、加冷工艺水、加小料、转料、循环、均质、冷却、搅拌、调节PH值等)等，且上述的生产配方可为一个或多个。

优选的，上述的程序设计同样通过工控软件(如通过SIEMENS工控软件Step7的LAD、STL、FBD)实现。

进一步的，WinCC Runtime图及WinCC脚本设计部分的程序如下：

优选的，WinCC Runtime画面可通过WinCC的Graphics Designer编辑器设计，WinCC Runtime画面中的动态效果可通过C脚本、VB脚本等实现，WinCC Runtime画面中的配方环节的操作也可通过C脚本、VB脚本等实现。

图5是本申请工业自动控制系统一实施例的结构示意图；如图5所示，一种工业自动控制系统，通过终端总线(terminal-bus)与以太网及SAP或其他网络通信连接。

优选的，该工业自动控制系统的系统总线(system-bus)通过操作人员电脑(该操作人员电脑上集成了工业自动控制系统的人机界面、配方控制功能和系统数据库，且若有需要，还可将外部SAP接口也从该操作人员电脑上接入)连接至上述的终端总线上。

另外，上述的系统总线还连接有工程师电脑(工程师电脑用于项目执行时配置及调试如便携式笔记本等)、现场触摸屏(TP-PANEL，应用于各个工位)、主CPU(即主PLC)、辅CPU(即辅助PLC，主要用于辅助系统，如第三方的自动流程系统)和其他CPU(如旧的系统等)，且连接在系统总线上的设备设置有互不冲突的IP地址。

进一步的，上述的主CPU通过DPBUS1-REMOTEIO与若干Statio及MCC连接，进而实现对设备A(如电机、仪表、阀门等通过电信号连接的设备)的控制。

进一步的，上述的主CPU还通过DPBUS2-METER BUS与若干加载单元(load cell，如DP-NROM)连接，进而通过转换设备实现对设备B(如有终端转换的接入设备，通过通讯和主CPU连接，利用制备洗衣液的四个锅的重量通过一个称重显示面板，面板通讯连接主CPU)的控制。

进一步的，上述的主CPU还通过DPBUS3-METER BUS与若干X-gateway单元连接，进而实现对设备C(如需通过三方协议转换设备接入的仪表、阀门、电机等)的控制。

进一步的，上述的主CPU还通过PROFINET-VSD G120与若干设备D直接连接，进而实现对设备D(无需转换，支持本系统协议，可直接接入的设备)的控制。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种工业自动控制系统，其特征在于，所述系统包括：

控制模块，存储有生产配方；

其中，所述控制模块包括至少一个可编程控制器，以实现对所述生产配方的存储与编辑；所述可编程控制器中嵌入设置有过程控制程序和批次控制程序；

所述批次控制程序的结构包括批次控制层；

其中，采用FC块实现所述过程单元层、所述单元层和所述设备模块层，采用FB块和DB块实现所述控制模块层，采用FC块、FB块和DB块实现所述批次控制层；

所述生产配方存储在所述DB块中。

2.如权利要求1所述的工业自动控制系统，其特征在于，所述控制模块包括相互独立的生产单元和清洗单元；

3.如权利要求1所述的工业自动控制系统，其特征在于，所述生产配方的编辑包括：

4.如权利要求1所述的工业自动控制系统，其特征在于，所述生产配方包括主配方、控制配方、生产批次信息和生产过程信息；

5.如权利要求1～4中任意一项所述的工业自动控制系统，其特征在于，所述控制模块还包括连接模块，以实现所述可编程控制器所控制的系统与工控机所控制的系统之间的数据共享。