腈綸紡絲生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李江平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司,安徽 安慶 246002)

腈綸紡絲生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李江平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司,安徽 安慶 246002)

針對(duì)腈綸紡絲生產(chǎn)線缺少上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)給生產(chǎn)帶來不便這一現(xiàn)狀,基于WinCC設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng),并編寫了對(duì)應(yīng)的監(jiān)控程序。系統(tǒng)具備異常信號(hào)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)歸檔、現(xiàn)場(chǎng)過程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視等功能。介紹了動(dòng)態(tài)界面、報(bào)警界面、趨勢(shì)界面的組態(tài)以及WinCC與PLC之間的通信。多年運(yùn)行結(jié)果表明,該監(jiān)控系統(tǒng)控制方便、工作穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng),為生產(chǎn)線的長期平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件。

腈綸紡絲 監(jiān)控 組態(tài) WinCC PLC

0 引言

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、設(shè)備檢測(cè)和控制于一體,以直觀友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線的監(jiān)控,極大地提高了生產(chǎn)線的效率。目前,國內(nèi)外較多采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]。

在腈綸紡絲控制系統(tǒng)中,上位機(jī)即工控機(jī)采用WindowsNT+WinCC作為軟件平臺(tái),通過多點(diǎn)接口(multi point interface,MPI)網(wǎng)絡(luò)與S7-300 PLC連接,PLC再通過Profibus與生產(chǎn)線上的驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接,從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定并易于擴(kuò)充的硬件環(huán)境。

在充分了解腈綸紡絲生產(chǎn)工藝的情況下,設(shè)計(jì)了基于WinCC的腈綸紡絲線監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控組態(tài)。通過人機(jī)界面對(duì)話,可以實(shí)現(xiàn)文件歷史數(shù)據(jù)的記錄、故障的自動(dòng)診斷/報(bào)警以及動(dòng)態(tài)畫面的演示等功能,從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)控制方便、工作穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)。

1 腈綸紡絲線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 腈綸紡絲工藝流程

腈綸紡絲生產(chǎn)線分為前紡和后紡兩個(gè)工段,其工藝流程可以概述為:將聚合原液裝置制備的紡絲原液經(jīng)成型、牽伸、水洗、定型、卷曲等工藝加工成腈綸長絲束,以絲束形式出廠,或由成品裝置加工成短纖維,也可由毛條裝置加工成毛條。圖1為腈綸紡絲生產(chǎn)工藝的流程圖,其中F1～F15為前紡工段,F16～F20為后紡工段。

圖1 腈綸紡絲生產(chǎn)工藝流程圖Fig.1 The technological process of acrylic spinning production

1.2 腈綸生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目共有6條設(shè)計(jì)功能相同的紡絲生產(chǎn)線,每條生產(chǎn)線由17臺(tái)不同功率的變頻器構(gòu)成相應(yīng)的電力拖動(dòng)部分。為提高控制系統(tǒng)的可靠性,另外設(shè)計(jì)了一條備用控制系統(tǒng)。其控制設(shè)備與生產(chǎn)線上的控制設(shè)備相同,并采用“一備多”的方法,即當(dāng)某條生產(chǎn)線上的變頻器發(fā)生故障需要維護(hù)時(shí),可用備用線相應(yīng)工位的變頻器進(jìn)行備用。

在控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上,采用MPI和Profibus-DP構(gòu)建了3層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控級(jí)完成全廠6條生產(chǎn)線的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的采集與管理以及控制軟件的上傳與下載等,現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用兩層實(shí)時(shí)性好的通信網(wǎng)絡(luò),完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、信號(hào)的采集與傳輸。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用MPI網(wǎng)作為監(jiān)控級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò),由備用PLC控制站、工控機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),由備用線PLC將生產(chǎn)線的運(yùn)行參數(shù)通過MPI網(wǎng)絡(luò)發(fā)給上位機(jī),供監(jiān)控之用。同時(shí),備用的PLC控制站作為7#Profibus-DP的主站,備用線變頻器F1～F20和6條生產(chǎn)線的PLC控制站作為7#Profibus-DP的從站。對(duì)于每條生產(chǎn)線的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò),生產(chǎn)線的PLC控制站為主站,17臺(tái)變頻器和分布式I/O(ET200M)為從站。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the control system

圖2中,TDS-PA01為總線適配器,INV為變頻器。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WinCC是由西門子公司開發(fā)的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件,擁有豐富的圖形庫、工具箱和操作向?qū)?。由于采用可視化的組態(tài)方式,從而減少了工作人員在軟件設(shè)計(jì)過程中的重復(fù)性工作,提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期[4-5]。此外,在Step7中集成WinCC項(xiàng)目,將使PLC與WinCC之間的通信變得非常方便。

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)步驟

基于WinCC設(shè)計(jì)人機(jī)界面,可按如下步驟進(jìn)行。

①啟動(dòng)WinCC,新建項(xiàng)目。

②打開變量管理器,選擇添加PLC的驅(qū)動(dòng)程序,配置MPI協(xié)議系統(tǒng)參數(shù)。

③打開Step7,組態(tài)PC Station與AS站的通信網(wǎng)絡(luò)連接。

④將Step7中的變量等信息傳送給WinCC。

⑤制作監(jiān)控畫面;制作數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)表、報(bào)警等。

⑥編譯、下載、調(diào)試。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面組態(tài)

本項(xiàng)目的監(jiān)控系統(tǒng)具有一系列的監(jiān)控界面,這些都是在WinCC的圖形編輯器中進(jìn)行編輯和動(dòng)態(tài)鏈接,相互之間可以切換。下面介紹基于WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫面及其編程。

2.2.1 項(xiàng)目建立

第一次運(yùn)行WinCC時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框,選擇建立新項(xiàng)目的類型(有單用戶、多用戶、客戶機(jī)項(xiàng)目3種),確定項(xiàng)目名并為項(xiàng)目選擇路徑。通過在WinCC與自動(dòng)化系統(tǒng)間組態(tài)一個(gè)通信連接,就可以用WinCC來訪問自動(dòng)化系統(tǒng)(PLC)的當(dāng)前過程值。

2.2.2 變量管理

WinCC的變量管理器負(fù)責(zé)管理WinCC中所使用的所有變量,包括外部變量、內(nèi)部變量和腳本變量。

WinCC的外部變量也稱為過程變量,由外部過程為其提供變量值,一般用于WinCC與PLC間的通信。內(nèi)部變量指過程沒有為其提供變量值的那些變量,使用時(shí)不需要建立相應(yīng)的通道連接,多用于WinCC項(xiàng)目的調(diào)試階段,例如,用于實(shí)現(xiàn)畫面的動(dòng)態(tài)效果[6-7]。在實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)監(jiān)控畫面的動(dòng)態(tài)演示中,用到的內(nèi)部變量數(shù)據(jù)類型有二進(jìn)制數(shù)和無符號(hào)整型數(shù)。在WinCC的全局腳本及畫面腳本中可以定義并使用變量,這些變量稱為腳本變量,只能在其定義時(shí)所規(guī)定的范圍內(nèi)使用。

2.2.3 過程畫面組態(tài)

WinCC的圖形編輯器用于創(chuàng)建過程畫面并使其動(dòng)態(tài)化。為使監(jiān)控界面中的輥?zhàn)映霈F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)效果,以F6輥?zhàn)訛槔?其設(shè)計(jì)過程如下。

在全局腳本中建一個(gè)C動(dòng)作,觸發(fā)方式選為250 ms周期觸發(fā),并編制程序:

其中,"S7$Program(7)/PLC_COM.L2F6_running")是PLC中的F6的運(yùn)行狀態(tài)(1表示運(yùn)行,0表示停止)。

在繪圖區(qū)繪制12幅輥?zhàn)愚D(zhuǎn)過不同轉(zhuǎn)角的狀態(tài)圖,并將它們分別導(dǎo)出到一個(gè)文件夾中,保存為.emf格式的圖像文件;接著,在圖形編輯器的右側(cè)對(duì)象選項(xiàng)板中,選擇智能對(duì)象中的狀態(tài)顯示對(duì)象,在彈出的變量選擇對(duì)話框中選擇與其相連的內(nèi)部變量“run6”,并將更新(變量變化后其所連接狀態(tài)畫面的變化時(shí)間)選為根據(jù)變化;最后,選擇12幅畫面各自對(duì)應(yīng)的變量(“run6”)的值(0～11),便組態(tài)好了輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)的畫面。狀態(tài)畫面的數(shù)量越多,動(dòng)態(tài)顯示效果越連貫。

采用同樣的繪制方法可進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示流程圖中絲束的移動(dòng)、松弛垂環(huán)的上下移動(dòng)等,變頻器的狀態(tài)可以通過相應(yīng)工位的輥?zhàn)酉旅娴臓顟B(tài)欄顯示。

WinCC圖形編輯器中還包含輸入/輸出域、棒圖、圖形對(duì)象等智能對(duì)象,以及按鈕、復(fù)選框、滾動(dòng)條等窗口對(duì)象。正確使用這些圖形對(duì)象便可繪出符合要求的過程畫面。其中輸入輸出域可用于變頻器頻率和電流的顯示,只需選擇相對(duì)應(yīng)的變量連接即可。利用按鈕對(duì)象及其屬性的設(shè)置,可實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控畫面之間的動(dòng)態(tài)切換,從而管理各監(jiān)控畫面[6-8]。

2.2.4 歸檔過程變量

利用WinCC組態(tài)軟件具有的變量記錄器,在定義了采樣類型、周期以及歸檔周期等屬性之后,數(shù)據(jù)庫采用循環(huán)刷新方式存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息,即通過周期性的方式或事件觸發(fā)的方式記錄變量值并且存于系統(tǒng)自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)庫中,以防丟失數(shù)據(jù)。采樣之后的過程值可以做一些運(yùn)算(如求平均值、最大值等),之后再歸檔或者直接歸檔。

在圖形編輯器中,利用WinCC組態(tài)軟件提供的ActiveX控件(WinCC Online Trend Control和WinCC Online Table Control),將歸檔過程值以曲線和表格的形式顯示在系統(tǒng)的監(jiān)控畫面或者采用打印機(jī)輸出。其中,WinCC Online Table Control控件可以對(duì)頻率變量進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄;WinCC Online Trend Control控件可以對(duì)頻率變量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔。系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行趨勢(shì)圖Fig.3 Trend graphic of system running

2.2.5 報(bào)警畫面組態(tài)

及時(shí)對(duì)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的故障報(bào)警,對(duì)保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的安全是十分重要的。在WinCC中,系統(tǒng)會(huì)采用報(bào)警記錄編輯器負(fù)責(zé)消息的采集并且顯示、確認(rèn)和歸檔過程信息。WinCC中的消息系統(tǒng)提供有關(guān)操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息,由于能提早通知每一個(gè)臨界狀態(tài),進(jìn)而可以避免停機(jī)或縮短停機(jī)時(shí)間。如果需要對(duì)消息編輯屬性,可以通過組態(tài)軟件信息塊中的用戶文本塊、過程塊以及系統(tǒng)塊進(jìn)行編輯。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí),系統(tǒng)將報(bào)警信息保存在硬盤的報(bào)警檔案中,并借助WinCC Alarm Control控件將這些報(bào)警信息及時(shí)顯示出來。

通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)過程量報(bào)警組態(tài),可以對(duì)變頻器過電流、過電壓以及松弛環(huán)路位置超限進(jìn)行報(bào)警,利于提高系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性、平穩(wěn)性和安全性,并減少操作工消除故障恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間。

3 WinCC項(xiàng)目在Step7項(xiàng)目中的集成

集成式組態(tài),是指在Step7項(xiàng)目中組態(tài)管理WinCC工程。作為全集成自動(dòng)化的一個(gè)部分,在Step7中可以對(duì)WinCC項(xiàng)目進(jìn)行集成[9]。如果把WinCC的項(xiàng)目文件集成在Step7項(xiàng)目中,則可以在WinCC中直接調(diào)用Step7變量。

為實(shí)現(xiàn)WinCC項(xiàng)目在Step7中的集成,必須在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝WinCC和Step7,且必須是先安裝Step7,后安裝WinCC,Step7與WinCC的版本必須兼容。在Step7項(xiàng)目中,可以在Simatic Manager里新建WinCC項(xiàng)目,也可以對(duì)已有的WinCC項(xiàng)目進(jìn)行集成。當(dāng)采用集成組態(tài)方式時(shí),WinCC中不需要采用組態(tài)變量和通信,在Step 7中定義的通信參數(shù)和變量可直接傳輸?shù)絎inCC中。采用集成式組態(tài)的組態(tài)任務(wù)量可減少一半以上,并且可以減少組態(tài)錯(cuò)誤的發(fā)生。鑒于上述原因,本項(xiàng)目采用集成式組態(tài)方式。

4 結(jié)束語

本文基于WinCC組態(tài)軟件,設(shè)計(jì)了腈綸紡絲生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)人機(jī)界面美觀、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定,在確保腈綸紡絲生產(chǎn)線長期連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行工作中發(fā)揮了重要作用。事實(shí)證明,WinCC是優(yōu)良的工業(yè)組態(tài)軟件,利用WinCC能夠較快地完成監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作,易于安裝、維護(hù)和使用。

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Design of the Monitoring System for Acrylic Spinning Production Line

To overcome the inconvenience caused by lack of host computerized monitoring system in acrylic spinning production line,the monitoring system based on WinCC has been designed and corresponding monitoring program is written.The system offers various functions, e.g.,real time monitoring of the field process data,alarm when abnormal signal occurs,and historical data achieving.The configuration for dynamic interface,alarm interface,trend interface,and the communication between WinCC and PLC are introduced.The operation results in many years indicate that this monitoring system is ease to control,stable in operation,and features good practicability,it creates an excellent environment and good conditions for long term stable operation of the production line.

Acrylic spinning Monitoring Configuration WinCC Programmable logic controller(PLC)

TP13

A

修改稿收到日期:2014-02-17。

作者李江平(1968-),男,1989年畢業(yè)于華東化工學(xué)院生產(chǎn)過程自動(dòng)化專業(yè),學(xué)士學(xué)位,高級(jí)工程師;主要從事自動(dòng)化技術(shù)的管理工作。