基于WinCC實現(xiàn)的卷包除塵監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鄭小珍，王懷杰，吳超

(1.廣州卷煙廠，廣東 廣州510385；2.衡陽三力高科技開發(fā)公司，湖南衡陽421001；3.江蘇中煙南京卷煙廠，江蘇南京210012)

0 前言

卷煙廠內(nèi)卷接包工序除塵系統(tǒng)是現(xiàn)代卷煙生產(chǎn)中的重要組成部分，是保障卷包車間各類生產(chǎn)設備正常運行的基礎。卷接包除塵系統(tǒng)為各類設備提供生產(chǎn)工藝所需的負壓風力，已經(jīng)成為當前卷包車間技術(shù)升級改造工程中的關鍵環(huán)節(jié)。

廣州卷煙廠卷包車間分A、B、C三個生產(chǎn)區(qū)域。A區(qū)布置卷接機組30套，B區(qū)布置濾棒成型機組24套、C區(qū)布置卷接機組26套。對應于卷包車間生產(chǎn)設備的分布區(qū)域，E區(qū)除塵房、F區(qū)除塵房、G區(qū)除塵房，分別為上述三個區(qū)域的生產(chǎn)設備提供工藝風力、煙絲輸送、梗簽收集及風選、負壓清掃、環(huán)境除塵、粉塵處理等多種功能類別的除塵服務［1］。

1 系統(tǒng)設計

考慮到車間空間較大、布局較為分散等現(xiàn)場實際情況，本控制系統(tǒng)采用分布式I/O控制，按照生產(chǎn)工藝組成二級工業(yè)網(wǎng)絡。主控制器選用主流的西門子S7-400系列PLC，為方便組態(tài)、資源共享，監(jiān)控軟件采用西門子公司的Wincc6.0版本(運行版和開發(fā)版)。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

圖1是E區(qū)除塵房網(wǎng)絡架構(gòu)拓撲圖，由西門子S7-4163PN/DP CPU和CP443-1工業(yè)以太網(wǎng)卡構(gòu)成的控制主站與交換機連接，工控機(PC677)通過交換機與PLC進行連接，DP網(wǎng)絡下掛16臺FC312系列變頻器；PLC的PN接口通過交換機、現(xiàn)場I/O耦合器與安裝在機臺的操作單元TP177B構(gòu)成Profinet網(wǎng)絡。交換機之間通過光纖和網(wǎng)線構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡。各I/O箱子站把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的主控制系統(tǒng)，根據(jù)主控制系統(tǒng)下達的命令執(zhí)行控制任務。

圖1 E區(qū)除塵房設備控制層工業(yè)以太網(wǎng)拓撲圖

除塵監(jiān)控系統(tǒng)全面監(jiān)控各個除塵系統(tǒng)、各臺卷接機組、成型機組所安裝的各類傳感器、執(zhí)行器的運行參數(shù)和工作狀態(tài)，操作員可以通過E、F、G三個區(qū)域的PC677工控機分別完成除塵系統(tǒng)的啟動/停止、參數(shù)設定、網(wǎng)絡診斷、開機診斷、故障定位、數(shù)據(jù)分析等工作任務。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

1)PLC編程

系統(tǒng)采用西門子STEP7編程軟件完成對S7-416 3PN/DP CPU和CP443-1的設計及配置。STEP7具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。

2)WinCC組態(tài)軟件

WinCC基本軟件是西門子SCADA集成系統(tǒng)的核心?；拒浖旧硖峁┝藦姶?、通用的過程可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提供成熟的HMI軟件的所有功能。具有可擴展性的基本系統(tǒng)可利用WinCC選件在各個方面擴展。通過細分授權(quán)，基本軟件可以滿足結(jié)構(gòu)的不斷復雜化。

2 系統(tǒng)功能及通訊網(wǎng)絡設計

控制主站由西門子S7-400PLC和觸摸式一體化工控機PC677組成，PLC承擔除塵系統(tǒng)內(nèi)各類開關量、模擬量的監(jiān)測、控制任務，工控機PC677承擔數(shù)據(jù)采集和人機交互任務［4］。主站與I/O子站、操作單元之間的連接與數(shù)據(jù)交換采用PROFINET網(wǎng)絡，與變頻器之間的連接和數(shù)據(jù)交換采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡。分布式I/O子站與傳感器、電機驅(qū)動器、閥門執(zhí)行機構(gòu)、現(xiàn)場DI/DO連接，變頻器與風機連接，監(jiān)測其工作狀態(tài)，執(zhí)行主站下達的指令，使各工藝設備處于正常的工作狀態(tài)。PC677工控機與操作單元TP177B監(jiān)控除塵系統(tǒng)和各工藝設備的參數(shù)及工作狀態(tài)。

2.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

如前所述，各區(qū)域除塵控制室均配置觸摸式一體化工控機PC677。為了便于行文，僅以對應于A區(qū)卷接設備的E區(qū)除塵控制系統(tǒng)為例進行闡述，主要功能模塊如圖2所示。

圖2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 變量定義

在WinCC中，利用標簽管理器可以定義標簽變量，建立上位機系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)變量之間的映射關系，使標簽變量能夠訪問PLC數(shù)據(jù)塊中的各種變量的輸入/輸出地址，從而實現(xiàn)各類監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集、加工處理和調(diào)節(jié)控制。

基于項目規(guī)模較大，超過4 600個變量需要監(jiān)控，在PLC變量定義中，使用結(jié)構(gòu)體(UDT)方式，方便變量的設計與拓展，大大減少了變量設計時間，降低了出錯概率。WinCC中也提供了定義結(jié)構(gòu)體變量的功能，因此，通過建立與PLC同構(gòu)的UDT變量，可以方便而快捷地定義上位機監(jiān)控系統(tǒng)的所用變量。

2.1.2 動態(tài)工藝流程圖

為了形象、生動、全面地展示卷接包車間各類除塵系統(tǒng)的運行情況，監(jiān)控系統(tǒng)采用動態(tài)流程圖的形式，遵從由宏觀到微觀、由整體到局部，層層深入、逐步求精的設計理念，直達底層的具體細節(jié)。從整體到局部的角度看，監(jiān)控畫面共分四個層次，如圖3所示。

圖3 動態(tài)工藝流程圖層次結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.3 系統(tǒng)安全功能設計

為了保障系統(tǒng)安全、正確運行，系統(tǒng)設置用戶登錄窗口，以限制非法用戶的使用［5］。本系統(tǒng)采用分級授權(quán)制，分別為工程師、操作員和瀏覽者。工程師的權(quán)限是，可以修改系統(tǒng)設定參數(shù)，除塵系統(tǒng)的啟動和停止，保存和恢復設定參數(shù)；操作員的權(quán)限是，可以修改系統(tǒng)設定參數(shù)，除塵系統(tǒng)的啟動和停止。用戶可根據(jù)權(quán)限進行操作，如果越權(quán)，將出現(xiàn)“沒有許可權(quán)”的提示。

涉及系統(tǒng)啟動/停止、控制方式、運行方式以及參數(shù)設定等操作，屬于本系統(tǒng)專職操作員的工作范圍。本系統(tǒng)專職操作員在用戶登錄窗口輸入用戶名和口令，獲得可以使用這些功能的合法授權(quán)。

2.1.4 除塵系統(tǒng)操作功能/卷接機組參數(shù)設定功能

E區(qū)除塵房共有16個除塵系統(tǒng)。為了便于操作，設計了專門的除塵系統(tǒng)操作畫面。在用戶登錄得到合法授權(quán)后，畫面中的功能按鈕和參數(shù)將變?yōu)榭刹僮?、可修改狀態(tài)。操作員可以對各個除塵系統(tǒng)的運行狀態(tài)、工作模式及詳細參數(shù)進行設定與修改。

2.1.5 操作日志功能設計

a)本系統(tǒng)對下列操作進行全程記錄:

1)除塵系統(tǒng)和卷接機組各類設定參數(shù)；2)機臺/本地選擇；3)自動/手動/禁控選擇；4)頻率/壓力選擇；5)風量/開度選擇；6)啟動/停止選擇；7)風速/開度選擇。

b)操作日志將記錄如下內(nèi)容:

1)操作時間；2)操作用戶；3)變量名稱；4)變量注釋；5)原設定值；6)新設定值；7)所在計算機。利用操作日志數(shù)據(jù)庫查詢操作人員的操作過程，為事后責任追究提供依據(jù)［3］。

2.1.6 報警消息及設備故障定位功能設計

當某個系統(tǒng)電氣設備發(fā)生故障時，在屏幕底部的報警消息欄將出現(xiàn)報警提示信息，點擊可以打開設備運行狀態(tài)窗口，快速找到故障點。

2.1.7 網(wǎng)絡診斷功能設計

卷包除塵系統(tǒng)是建立在工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET基礎上的，網(wǎng)絡通訊的暢通是確保車間生產(chǎn)的必要條件。各區(qū)域除塵控制系統(tǒng)分別設計了本地網(wǎng)絡診斷檢測程序。圖1既是E區(qū)除塵監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖，也是該區(qū)域網(wǎng)絡診斷實際運行畫面?？刂葡到y(tǒng)對上述65個站點、多個網(wǎng)絡交換機的通訊狀態(tài)進行實時檢測，當出現(xiàn)通訊中斷情況時，表現(xiàn)為閃爍顏色變化:紅黃閃爍，表示出通訊中斷點；綠色藍色閃爍，表示通訊正常。由此可以快速診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡的通訊狀況，提示用戶及時排除故障，恢復網(wǎng)絡通訊的暢通。

2.1.8 歷史趨勢圖功能設計

對各個除塵系統(tǒng)的下列運行工況參數(shù)進行歸檔，以歷史趨勢圖形式反映其調(diào)節(jié)變化過程:主管負壓、主管風量、主管補風閥開度、變頻器運行頻率、變頻器運行電流、變頻器運行功率、變頻器散熱溫度、除塵器壓差。

2.2 網(wǎng)絡配置

由于卷包車間生產(chǎn)設備分布區(qū)域廣，跨度大，除塵控制系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡，即管理監(jiān)控層和設備控制層PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)。管理監(jiān)控層采用千兆光電交換機，以環(huán)網(wǎng)形式構(gòu)建可靠、高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡，各區(qū)PLC控制器、PC677工控機通過千兆通訊模板和通訊網(wǎng)卡鏈接，實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的快速交換。設備控制層工業(yè)以太網(wǎng)，以控制主站PLC為核心，下設現(xiàn)場總線I/O耦合器子站，通過PROFINET網(wǎng)絡建立連接。監(jiān)控各子站所掛設備的輸入狀態(tài)----模擬量輸入、數(shù)字量輸入，對各執(zhí)行機構(gòu)進行控制----模擬量輸出、數(shù)字量輸出、電機驅(qū)動模塊，完成對除塵系統(tǒng)中各工藝設備的控制，以滿足卷接設備的運行要求。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 故障診斷與快速定位

基于系統(tǒng)的報警消息及故障定位功能，三個區(qū)域除塵控制室實現(xiàn)了報警消息互通，任何一個區(qū)域的報警消息均可以在其他區(qū)域獲知，以方便設備維護人員快速到達故障點，及時排除故障，恢復正常生產(chǎn)，盡量減少停機時間，提高生產(chǎn)效率，最大限度做到節(jié)能降耗。

3.2 歷史趨勢總結(jié)

基于系統(tǒng)的歷史趨勢圖功能，可隨除塵系統(tǒng)所連接的卷接機組以下工作參數(shù)進行總結(jié)性的分析:VE支管的壓力、VE支管風壓平衡器調(diào)節(jié)開度、MAX支管的壓力、MAX支管的風壓平衡閥開度、吸絲風速、風速調(diào)節(jié)閥開度。在歷史趨勢圖的幫助下，操作人員可以有效的總結(jié)與分析傳感器與執(zhí)行器之間的調(diào)節(jié)效果，降低了準確設定系統(tǒng)參數(shù)的時間消耗，提高生產(chǎn)效率。

為了便于分析傳感器與執(zhí)行器之間的調(diào)節(jié)效果，系統(tǒng)以相關數(shù)據(jù)集中顯示方式設計了具有相互耦合和調(diào)節(jié)關系的歷史趨勢數(shù)據(jù)曲線簇，更高效地幫助操作人員完成參數(shù)設定，曲線簇主要有下列三類:

1)除塵系統(tǒng)主管負壓/主管風量/主管補風閥開度/變頻器運行頻率組合曲線簇，用以觀察上述4個變量之間的相互作用和影響。

2)卷接機組VE支管負壓/風壓平衡器開度/MAX支管負壓/風壓平衡閥開度組合曲線簇。

3)卷接機組煙絲風力輸送回風管風速/風速調(diào)節(jié)閥開度組合曲線。用以觀察兩個變量之間的調(diào)節(jié)關系；吸絲過程風速曲線是否平滑。

歷史趨勢圖具有靈活、方便的數(shù)據(jù)觀察、數(shù)據(jù)摘取和統(tǒng)計分析功能，為分析系統(tǒng)運行工況對產(chǎn)品質(zhì)量的影響提供了詳實、可靠的基礎數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

廣州卷煙廠卷包除塵系統(tǒng)自2011年6月聯(lián)機調(diào)試，經(jīng)過不斷優(yōu)化、完善，于同年11月正式投入運行。迄今為止，運行結(jié)果表明，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達到了預期的設計目標:

1)卷接機組集中工藝風力除塵系統(tǒng)，實現(xiàn)了卷接設備工藝風力平衡和恒壓供給，提高了卷接設備有效作業(yè)率和煙支合格率，顯著降低了系統(tǒng)電耗，降低了車間噪聲和粉塵污染；

2)風力送絲系統(tǒng)實現(xiàn)了對煙絲輸送速度的有效控制，降低了煙絲造碎率和對煙絲內(nèi)在品質(zhì)的影響；

3)負壓清掃系統(tǒng)將兩套系統(tǒng)并聯(lián)，可根據(jù)負荷大小確定開啟除塵系統(tǒng)數(shù)量，明顯地降低了電耗；

4)將梗簽收集、柔性風選與可用組分回收相結(jié)合，有效地提高了煙絲利用率；

5)卷包除塵系統(tǒng)，采用自動控制技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行狀態(tài)和參數(shù)的全數(shù)字監(jiān)控，為廠級MES系統(tǒng)提供了詳實可靠的基礎數(shù)據(jù)。

［1］謝海，李智，王懷杰，等.卷包車間風送除塵系統(tǒng)［M］.除塵系統(tǒng)培訓資料，2011.11.

［2］馬新，王懷杰.基于WINCC的卷煙生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2009(5-1):60-61.

［3］吳純，王懷杰.基于iFIX操作日志模塊設計與實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2011(3):8-9.

［4］李龍飛，王懷杰.卷接機組工藝風力與除塵系統(tǒng)自適應PID控制的實現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計算機，2011(5):47-48.

［5］王懷杰，張振峰，李國榮，等.卷接設備集中工藝風力與除塵自動監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.煙草科技，2005(5):11-14.