電柜遠(yuǎn)程上斷電系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)

沈宇浩 施 怡 韋 文 黃立仁 黃干將

（廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣西 南寧530000）

1 概述

南寧卷煙廠制絲車間設(shè)備總電取用模式依然是傳統(tǒng)的斷路開關(guān)控制方式,在開班、收班、外網(wǎng)電壓異常波動(dòng)時(shí),需要維修電工行走至每一設(shè)備電柜進(jìn)行上電、斷電、檢查工作,存在著效率低下、智能化程度低等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

2 需求提出及解決思路

2.1 需求提出

（1）提升電柜上斷電效率的需求

現(xiàn)車間每次節(jié)假日收班時(shí),需按照節(jié)能、安全管理要求,將車間設(shè)備動(dòng)力電源全部斷開,開班時(shí)再上電。目前的操作方式為維修電工走到每一個(gè)主電柜面前按下斷電、上電按鈕,對每個(gè)區(qū)域段的設(shè)備進(jìn)行逐一上斷電。平均一次收開班的斷電耗時(shí)約151min,上電耗時(shí)約217min 左右,由于上電后需檢查下端設(shè)備運(yùn)行情況,因此上電比斷電耗時(shí)久屬正?，F(xiàn)象。斷電耗時(shí)過長會延長收班日期。上電耗時(shí)過長會延后開班首天正常生產(chǎn)的時(shí)間,極大地影響了車間整體生產(chǎn)效率。

（2）上電后設(shè)備狀態(tài)智能診斷的需求

上電后人工耗費(fèi)了大量的時(shí)間在下端設(shè)備狀態(tài)檢查上,耦合器故障、交換機(jī)未啟動(dòng)兩項(xiàng)故障占比較高,如圖1 所示,經(jīng)咨詢生產(chǎn)廠家羅克韋爾公司,得知該類電子元件在首次上電時(shí)有一定幾率自檢不通過,需重新上電自檢。目前這兩項(xiàng)故障檢測均是使用人工檢查的手段,尚未實(shí)現(xiàn)智能診斷,是下端設(shè)備狀態(tài)檢查耗時(shí)長的根本原因。

圖1 電柜上電耗時(shí)餅分圖

2.2 解決思路

為了滿足以上需求,提出“遠(yuǎn)程上斷電”和“智能診斷”思路,將電柜上電方式由傳統(tǒng)的電柜按鈕開關(guān)上電轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程上電模式,將人工診斷模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)備智能診斷模式,以自動(dòng)化、智能化[3]的方式有效減少在電柜上斷電過程中的人工時(shí)間,實(shí)現(xiàn)效率提升。電柜遠(yuǎn)程上斷電系統(tǒng)按組成可分為：基礎(chǔ)硬件層、遠(yuǎn)程控制層、智能診斷層三個(gè)部分,實(shí)現(xiàn)電柜遠(yuǎn)程上斷電與上電后設(shè)備的智能自診斷。如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

3 方案研究

3.1 基礎(chǔ)硬件層的選擇

（1）信號驅(qū)動(dòng)源的選擇

驅(qū)動(dòng)源主要是用作當(dāng)上斷電信號產(chǎn)生時(shí),發(fā)出24V 脈沖信號給控制電路,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作,要求信號發(fā)送準(zhǔn)確：信號驅(qū)動(dòng)源的電壓脈沖信號發(fā)送準(zhǔn)確率=100%。

綜上所述,經(jīng)過對PLC 控制器、遠(yuǎn)程IO 模塊、單片機(jī)進(jìn)行測試分析后。其中PLC 控制器發(fā)送準(zhǔn)確率=100%,符合要求。所以采用PLC 控制器方案。

上電機(jī)構(gòu)需要一定的儲能時(shí)間后才能夠?qū)嵤┥想妱?dòng)作,因此在選擇PLC 控制器為信號驅(qū)動(dòng)源后,需要對信號驅(qū)動(dòng)進(jìn)行一定的延時(shí)處理,完成元件的儲能,不儲能或儲能不完全則元件無法動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間在滿足儲能動(dòng)作正確率100%的情況下,時(shí)間越快越好。小組成員決定使用“黃金分割法”尋找元件儲能的脈沖延時(shí)時(shí)間。

按照人工上電使用經(jīng)驗(yàn),在10s 內(nèi)能夠完全滿足儲能要求,因此脈沖延時(shí)時(shí)間X 范圍在：0-10s 內(nèi)選擇。

使用PLC 控制器在程序里分別設(shè)定不同的脈沖延時(shí)時(shí)間,每個(gè)時(shí)間值進(jìn)行五組試驗(yàn),每組10 次,測試儲能后動(dòng)作正確率,計(jì)時(shí)精確到0.1s。（動(dòng)作正確率=正確次數(shù)/10*100%）

在6.2s 時(shí)脈沖延時(shí)時(shí)間最短,且儲能后元件動(dòng)作正確率=100%,最終確定信號驅(qū)動(dòng)的脈沖延時(shí)時(shí)間=6.2s。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的選擇

在確定PLC 控制器為信號驅(qū)動(dòng)源后,PLC控制器需要與人機(jī)交互服務(wù)器進(jìn)行通訊,由人機(jī)交互界面發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令,命令PLC 控制器驅(qū)動(dòng)輸出。因此兩者的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)需要滿足以下要求：百米網(wǎng)絡(luò)傳輸速率＞12.5MB/s。

綜上所述,經(jīng)過對六類網(wǎng)線、Profinet 四芯通訊線、光導(dǎo)纖維光纖[4]進(jìn)行測試分析后。其中PLC 控制器發(fā)送準(zhǔn)確率=100%,符合要求。所以采用PLC 控制器方案。

（3）服務(wù)器的選擇

服務(wù)器的作用是轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場控制器和人機(jī)交互界面的信號,使得控制邏輯在界面顯示,操作指令在控制器實(shí)現(xiàn)。需要滿足以下要求：網(wǎng)絡(luò)延遲滿足數(shù)據(jù)傳輸需求,網(wǎng)絡(luò)延遲平均≤1ms。

綜上所述,經(jīng)過對獨(dú)立服務(wù)器、集控服務(wù)器、現(xiàn)場操作站進(jìn)行測試分析后。其中集控服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)延遲平均=0.5ms＜1ms,符合要求。所以采用集控服務(wù)器方案。

3.2 遠(yuǎn)程控制層的選擇

（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下運(yùn)行時(shí),必須具備較強(qiáng)的抗干擾能力和自恢復(fù)能力,通過人工模擬加大數(shù)據(jù)負(fù)荷,至百兆網(wǎng)絡(luò)額定負(fù)荷的1.5 倍,測試過負(fù)荷通訊故障率與網(wǎng)絡(luò)故障自恢復(fù)時(shí)間。需要滿足以下要求：抗負(fù)荷能力：過負(fù)荷下通訊故障率≤5%。自恢復(fù)時(shí)間：單次網(wǎng)絡(luò)故障自恢復(fù)時(shí)間≤120s。

綜上所述,經(jīng)過對星型、樹型、環(huán)型進(jìn)行測試分析后。其中環(huán)型

過負(fù)荷通訊故障率=3%≤5%,自恢復(fù)平均時(shí)間=64s≤120s,符合要求。所以采用環(huán)型方案。

（2）網(wǎng)段的選擇

網(wǎng)段是用于設(shè)置PLC 控制器與服務(wù)器通訊IP 地址,保證兩者處于同一通訊段中,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)段的選擇有如下要求：網(wǎng)絡(luò)安全性,生產(chǎn)工藝網(wǎng)段應(yīng)與外網(wǎng)有物理隔離。兼容性,網(wǎng)段地址與PLC 控制器、服務(wù)器網(wǎng)卡設(shè)置地址應(yīng)能100%兼容。

綜上所述,經(jīng)過對設(shè)備網(wǎng)、主機(jī)網(wǎng)、控制網(wǎng)進(jìn)行測試分析后。其中設(shè)備網(wǎng)之間通訊使用的網(wǎng)段與外網(wǎng)物理隔離,網(wǎng)段處于IP網(wǎng)段內(nèi),符合要求。所以采用設(shè)備網(wǎng)方案。

3.3 智能診斷層的選擇

（1）診斷模式的選擇

診斷模式主要應(yīng)用于在電柜上電后,診斷下端設(shè)備狀態(tài)是否正常,要求誤診斷率≤5%。誤診斷率=誤診斷次數(shù)/總上電次數(shù)*100%。

綜上所述,經(jīng)過對收發(fā)診斷、自檢診斷、組態(tài)診斷進(jìn)行測試分析后。其中收發(fā)診斷誤診斷率=1.2%≤5%,符合要求。所以采用收發(fā)診斷方案。

收發(fā)診斷核心參數(shù)的確定：在收發(fā)診斷不同的參數(shù)條件下,統(tǒng)計(jì)誤診斷率,誤診斷率需＜5%,且越低越好。因?yàn)樵撝笜?biāo)受到多因素的影響,小組決定通過正交試驗(yàn),尋找收發(fā)診斷的最佳核心參數(shù),試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)如表1 所示。因素：響應(yīng)時(shí)間（ms）,掃描時(shí)間周期（ms）,發(fā)送頻率（Hz）。選用正交表來做9 次試驗(yàn),確認(rèn)收發(fā)診斷核心參數(shù)的設(shè)置為響應(yīng)時(shí)間150ms,掃描時(shí)間周期250ms,發(fā)送頻率5Hz。

（2）報(bào)警方式的選擇

表1 正交試驗(yàn)表

在系統(tǒng)診斷出上電后下端設(shè)備存在故障時(shí),需發(fā)出報(bào)警提示現(xiàn)場維修電工,進(jìn)行故障維修復(fù)位等操作,需滿足以下條件：報(bào)警準(zhǔn)確率=100%。有效報(bào)警范圍≥50m2。

綜上所述,經(jīng)過對聲光報(bào)警、系統(tǒng)軟件報(bào)警、組合報(bào)警進(jìn)行測試分析后。組合報(bào)警準(zhǔn)確率平均值=100%,有效報(bào)警范圍=64 m2≥50m2,符合要求。所以確定故障報(bào)警方式為組合報(bào)警。

4 方案實(shí)施過程

4.1 硬件部分

設(shè)置信號驅(qū)動(dòng)源,在PLC 的輸出I/O 點(diǎn)進(jìn)行接線,送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。敷設(shè)光導(dǎo)纖維光纖,安裝線路橋架,敷設(shè)光導(dǎo)纖維光纖。布置環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),按環(huán)網(wǎng)線路進(jìn)行光纖接頭熔接,制作聲光報(bào)警器裝置。

4.2 編程部分

部署服務(wù)器,配置服務(wù)器網(wǎng)卡,配置服務(wù)端數(shù)采驅(qū)動(dòng)。設(shè)置交換機(jī)環(huán)網(wǎng)參數(shù),制作IP 地址分配表,分配PLC 控制器及服務(wù)器IP 地址。在系統(tǒng)平臺制作交互畫面,部署至分散控制系統(tǒng)的操作站。編寫收發(fā)診斷程序,設(shè)置收發(fā)診斷核心參數(shù)。編寫軟件報(bào)警程序。

5 效果檢驗(yàn)

使用新型電柜遠(yuǎn)程上斷電系統(tǒng)后,上電流程發(fā)生了改變,減少了行走與下端設(shè)備檢查時(shí)間,上電時(shí)間總耗時(shí)減少至37.0min,效率提升了473%。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)基于“遠(yuǎn)程控制”和“智能診斷”的方式,降低了車間設(shè)備上電時(shí)間,有效解決了人工上電耗時(shí)長,人工診斷效率低的問題,其創(chuàng)新點(diǎn)在于：通過智能診斷的方式,有效解決了人工診斷效率低下、診斷不全的問題,可為各類工廠遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提供借鑒。