葉片線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

段榮華

（紅塔集團(tuán)大理卷煙廠 制絲車間，云南 大理 671000）

1 葉片線工藝流程與設(shè)備及監(jiān)控功能分析

1.1 葉片線工藝流程與設(shè)備

葉片線整個生產(chǎn)流程分為上煙包、切片、一潤、二潤、異物剔除、潤葉加料和貯葉等7個基本工序，如圖1所示。整個生產(chǎn)線主要由切片機(jī)、超級回潮機(jī)（一潤）、熱風(fēng)潤葉機(jī)（二潤）、異物剔除機(jī)、潤葉加料機(jī)、貯葉柜、喂料機(jī)、振動輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、電子秤、計量秤、水分儀等組成。生產(chǎn)流程中的每一道工序都由相應(yīng)的設(shè)備來完成，各生產(chǎn)工序之間用振動輸送機(jī)或帶式輸送機(jī)來連接，構(gòu)成了生產(chǎn)流水線。各工序的工藝任務(wù)如下：①上煙包：按葉組配方要求，將不同等級的煙包拆掉外包裝箱，均勻地放在上包臺上，通過平臺計量秤對煙包進(jìn)行稱重計量；②切片：計量后的煙包由切片機(jī)切成厚度為220mm～230mm的煙片；③超級回潮（一潤）：首先按一定比例將薄片摻兌到煙片中，然后對煙片進(jìn)行松散、加溫和加濕，制成具有一定溫度和水分的葉片；④熱風(fēng)潤葉（二潤）：對一潤中沒有松散的煙片進(jìn)行再次松散、加溫和加濕，使葉片的水分和溫度更加穩(wěn)定一致；⑤異物剔除：剔除葉片中的非煙草雜物，提高葉片的純凈度；⑥潤葉加料：對葉片均勻、準(zhǔn)確地施加糖料，調(diào)整葉片的含糖成分，改善葉片的品質(zhì)；⑦貯葉：將葉片貯存一定的時間，使葉片充分均勻地吸收糖料和水分，為下一步的切絲工序作準(zhǔn)備。

1.2 數(shù)據(jù)采集與控制功能

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)字量包括光電管狀態(tài)、接近開關(guān)狀態(tài)、限位開關(guān)狀態(tài)、按鈕狀態(tài)、隔離開關(guān)狀態(tài)、空開狀態(tài)、380V交流電源檢測繼電器狀態(tài)、24V控制電壓檢測狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)供電電壓檢測狀態(tài)等。模擬量主要包括電子秤的瞬時流量和累計重量；一潤、二潤入口與出口葉片水分、溫度；加水瞬時流量和累計量；蒸汽瞬時流量和累計量；潤葉加料后的水分、溫度；料液的料位、料溫和瞬時流量等。只有準(zhǔn)確地采集到這些過程數(shù)據(jù)，才能對生產(chǎn)過程進(jìn)行PID控制和集中顯示生產(chǎn)過程參數(shù)。

圖1 葉片處理線流程圖

1.2.2 控制功能

（1）數(shù)字量控制。①電動機(jī)順序啟停：切片機(jī)前的各臺帶式輸送機(jī)由檢測煙包的各組光電管進(jìn)行順序啟?？刂?，以保證給切片機(jī)連續(xù)均勻地喂料，此外，各臺電子秤前的喂料機(jī)底帶和陡角帶由檢測高、中、低料位的各組光電管進(jìn)行順序啟?？刂?，以保證給電子秤連續(xù)均勻地喂料；②指示燈：以發(fā)平光、閃光、不發(fā)光或者發(fā)光顏色的變化等方式引起操作者注意或者指示操作者進(jìn)行某種操作，并用以指示設(shè)備處于某一種狀態(tài)或指令正在執(zhí)行或已被執(zhí)行；③電磁閥：用于控制壓縮空氣、蒸汽、料液和水等管路中閥門的開啟和關(guān)閉。

（2）電動機(jī)變速控制。在生產(chǎn)過程中，許多設(shè)備應(yīng)根據(jù)情況調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足不同工況的需要。

（3）電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。喂料機(jī)和貯葉柜的布料小車在工作時按一定規(guī)律做往復(fù)運(yùn)動，要求對布料小車的電動機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。此外，貯葉柜上下層柜底帶電動機(jī)要求進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，以滿足進(jìn)柜、倒柜和出柜等不同需要。

（4）整線集中控制。整個生產(chǎn)線的設(shè)備比較分散，且占線很長，現(xiàn)場開關(guān)只能用于控制單個設(shè)備，無法對整線設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對整線的所有設(shè)備進(jìn)行組合控制，有利于整個生產(chǎn)流程各環(huán)節(jié)之間的相互協(xié)調(diào)和銜接。

（5）模擬量PID控制。整個葉片線生產(chǎn)流程中，應(yīng)對關(guān)鍵過程和特殊過程進(jìn)行PID控制。關(guān)鍵過程PID控制，是指在一潤和二潤工序中對加水比例進(jìn)行PID控制，以保證加工后葉片水分在工藝要求的范圍內(nèi)。特殊過程PID控制，是指對潤葉加料比例進(jìn)行PID控制，以使糖料按一定比例準(zhǔn)確地施加到葉片上。在關(guān)鍵過程和特殊過程的PID控制中，加水流量或加料流量是以葉片流量為基準(zhǔn)的，葉片流量穩(wěn)定與否直接影響加水比例和加糖料比例的準(zhǔn)確性，故要對電子秤流量進(jìn)行PID控制以恒定葉片流量。

2 葉片線監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

2.1 監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

葉片線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。上位機(jī)系統(tǒng)由兩臺SCADA服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、工程師站、操作員站、ERP站和工藝質(zhì)量管理站等組成。上位機(jī)系統(tǒng)通過TCP／IP以太網(wǎng)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，所有設(shè)備都掛接到一臺可網(wǎng)管以太網(wǎng)的交換機(jī)上。SCADA服務(wù)器負(fù)責(zé)采集下位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，采用兩臺SCADA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余，當(dāng)一臺SCADA服務(wù)器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換到另一臺SCADA服務(wù)器上工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)歸檔、網(wǎng)頁發(fā)布分別由多臺不同的服務(wù)器獨(dú)自承擔(dān)，減少了單個服務(wù)器的數(shù)據(jù)吞吐量和工作量，提高了整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度和可靠性，保證了生產(chǎn)過程監(jiān)控的實(shí)時性。此外，SCADA系統(tǒng)還為工藝質(zhì)量管理系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與工藝質(zhì)量管理系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)進(jìn)行了有效的集成，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理信息化的要求。下位機(jī)系統(tǒng)由S7－400PLC主站及其ET子站、S7－300PLC從站、觸摸屏、水分儀、流量計和變頻器等一些智能設(shè)備組成，所有設(shè)備通過DP接口掛接在PROFIBUS－DP總線上。主站選用帶有DP接口的CPU 414－3DP模塊，配置CP 443－1以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。整個生產(chǎn)線的各工序都設(shè)有相應(yīng)的ET子站箱，每個子站箱都配備了若干個數(shù)字量輸入和輸出模塊、模擬量輸入和輸出模塊以及饋電器模塊等。各工序由各自的ET子站箱完成數(shù)據(jù)采集和控制，整個監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，層次分明。

圖2 葉片線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制

2.2.1 數(shù)字量的采集與控制

數(shù)字量信號由各工序相應(yīng)的ET子站箱的數(shù)字量輸入模塊進(jìn)行采集，信號指示燈和電磁閥的控制由數(shù)字量輸出模塊完成；各工序設(shè)備中不需要變速的電動機(jī)均由相應(yīng)的ET子站箱的饋電器控制啟停，而需要變速的電動機(jī)通過掛接在DP總線上的變頻器來實(shí)現(xiàn)啟停與變速控制；整個生產(chǎn)線電動機(jī)的順序啟停和連鎖由S7－400PLC主站進(jìn)行統(tǒng)一控制。

2.2.2 模擬量的采集與控制

傳感器輸出的是模擬信號的，如一潤出口測溫儀等，此類信號通過ET子站箱的模擬量輸入模塊進(jìn)行采集；傳感器帶有DP通信接口的流量計和水分儀等設(shè)備則直接掛接在DP總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；每臺電子秤都配備有一臺S7－300PLC負(fù)責(zé)瞬時流量及其累計值的采集和流量的閉環(huán)PID控制，S7－300PLC通過DP通信接口掛接在PROFIBUS－DP總線上與S7－400PLC主站進(jìn)行主從通信，實(shí)現(xiàn)了與主站之間的信息交換。此外，關(guān)鍵過程和特殊過程的PID控制均由S7－400PLC主站來完成，相應(yīng)ET子站箱的模擬量輸入模塊負(fù)責(zé)流量計反饋值的采集，模擬量輸出模塊驅(qū)動流量調(diào)節(jié)閥。圖3為特殊過程（潤葉加料比例）PID控制原理框圖。

圖3 潤葉加料比例PID控制原理框圖

2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由過程參數(shù)與設(shè)備運(yùn)行狀況集中顯示、趨勢曲線、報表以及報警處理等幾個模塊組成。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）過程參數(shù)與設(shè)備運(yùn)行狀況集中顯示。在主監(jiān)控界面上顯示整個生產(chǎn)線流程圖，對生產(chǎn)過程進(jìn)行全流程動態(tài)模擬和過程參數(shù)實(shí)時顯示；此外，對設(shè)備進(jìn)行動態(tài)著色，設(shè)備正常運(yùn)行、故障和停機(jī)狀態(tài)分別用綠色、紅色和灰色等不同顏色顯示，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的集中監(jiān)視，有利于操作人員更好地監(jiān)控整個生產(chǎn)過程和設(shè)備的運(yùn)行狀況。

（2）趨勢曲線由實(shí)時趨勢曲線和歷史趨勢曲線兩部分組成。實(shí)時趨勢曲線能直觀地反映過程參數(shù)的當(dāng)前變化趨勢，歷史趨勢曲線能查詢過去某個時間段過程參數(shù)的變化趨勢。趨勢曲線有利于操作人員對生產(chǎn)過程參數(shù)的波動情況進(jìn)行查詢和分析，尋求生產(chǎn)工藝的最佳運(yùn)行規(guī)律，更好地指導(dǎo)生產(chǎn)操作，改善工藝，提高產(chǎn)品合格率。

（3）當(dāng)生產(chǎn)過程中的設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時發(fā)出聲光報警，并將發(fā)生故障設(shè)備的名稱、等級、位置、時間、報警信息處理以及應(yīng)答情況等顯示或記錄在各級計算機(jī)上，為設(shè)備維修人員故障查找提供了快捷有效的手段。

（4）為便于生產(chǎn)管理，系統(tǒng)提供了各種報表自動生成功能，按時生成各類報表，如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報表記錄設(shè)備開停機(jī)次數(shù)、故障情況、故障時間、運(yùn)行時間等；過程參數(shù)報表記錄溫度、水分、加料比例等過程參數(shù)在各時刻的情況。

（5）為提高系統(tǒng)安全規(guī)則或者安全策略，提供了用戶操作權(quán)限管理。工程師可以修改系統(tǒng)參數(shù)；中控操作員只能修改各個過程參數(shù)的設(shè)定值，而不能對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改；現(xiàn)場操作員只能查看設(shè)備運(yùn)行和過程參數(shù)的變化情況，而不能進(jìn)行參數(shù)設(shè)定值的修改等。

（6）為了分析和評價系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)提供了事件順序記錄功能，自動對報警與報警處理、用戶登錄信息、設(shè)備操作、重要參數(shù)與過程數(shù)據(jù)修改等事件進(jìn)行記錄，為預(yù)測和分析系統(tǒng)故障，快速查找故障原因，盡快修復(fù)故障提供了重要依據(jù)。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)已投入運(yùn)行多年，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、有序、過程參數(shù)控制精確，很好地完成了監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集功能，保證了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，降低了設(shè)備的故障率，提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程控制精確化和生產(chǎn)管理信息化的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果。

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