基于WinCC实现的卷包除尘监控与数据采集系统

2014-09-12郑小珍王怀杰吴超

机械制造与自动化 2014年4期

郑小珍，王怀杰，吴超

(1.广州卷烟厂，广东广州510385；2.衡阳三力高科技开发公司，湖南衡阳421001；3.江苏中烟南京卷烟厂，江苏南京210012)

0 前言

卷烟厂内卷接包工序除尘系统是现代卷烟生产中的重要组成部分，是保障卷包车间各类生产设备正常运行的基础。卷接包除尘系统为各类设备提供生产工艺所需的负压风力，已经成为当前卷包车间技术升级改造工程中的关键环节。

广州卷烟厂卷包车间分A、B、C三个生产区域。A区布置卷接机组30套，B区布置滤棒成型机组24套、C区布置卷接机组26套。对应于卷包车间生产设备的分布区域，E区除尘房、F区除尘房、G区除尘房，分别为上述三个区域的生产设备提供工艺风力、烟丝输送、梗签收集及风选、负压清扫、环境除尘、粉尘处理等多种功能类别的除尘服务［1］。

1 系统设计

考虑到车间空间较大、布局较为分散等现场实际情况，本控制系统采用分布式I/O控制，按照生产工艺组成二级工业网络。主控制器选用主流的西门子S7-400系列PLC，为方便组态、资源共享，监控软件采用西门子公司的Wincc6.0版本(运行版和开发版)。

1.1 系统硬件设计

图1是E区除尘房网络架构拓扑图，由西门子S7-4163PN/DP CPU和CP443-1工业以太网卡构成的控制主站与交换机连接，工控机(PC677)通过交换机与PLC进行连接，DP网络下挂16台FC312系列变频器；PLC的PN接口通过交换机、现场I/O耦合器与安装在机台的操作单元TP177B构成Profinet网络。交换机之间通过光纤和网线构成监控网络。各I/O箱子站把采集的数据发送到指定的主控制系统，根据主控制系统下达的命令执行控制任务。

图1 E区除尘房设备控制层工业以太网拓扑图

除尘监控系统全面监控各个除尘系统、各台卷接机组、成型机组所安装的各类传感器、执行器的运行参数和工作状态，操作员可以通过E、F、G三个区域的PC677工控机分别完成除尘系统的启动/停止、参数设定、网络诊断、开机诊断、故障定位、数据分析等工作任务。

1.2 系统软件设计

1)PLC编程

系统采用西门子STEP7编程软件完成对S7-416 3PN/DP CPU和CP443-1的设计及配置。STEP7具有以下功能:硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。

2)WinCC组态软件

WinCC基本软件是西门子SCADA集成系统的核心。基本软件本身提供了强大、通用的过程可视化系统，该系统可以提供成熟的HMI软件的所有功能。具有可扩展性的基本系统可利用WinCC选件在各个方面扩展。通过细分授权，基本软件可以满足结构的不断复杂化。

2 系统功能及通讯网络设计

控制主站由西门子S7-400PLC和触摸式一体化工控机PC677组成，PLC承担除尘系统内各类开关量、模拟量的监测、控制任务，工控机PC677承担数据采集和人机交互任务［4］。主站与I/O子站、操作单元之间的连接与数据交换采用PROFINET网络，与变频器之间的连接和数据交换采用PROFIBUS-DP网络。分布式I/O子站与传感器、电机驱动器、阀门执行机构、现场DI/DO连接，变频器与风机连接，监测其工作状态，执行主站下达的指令，使各工艺设备处于正常的工作状态。PC677工控机与操作单元TP177B监控除尘系统和各工艺设备的参数及工作状态。

2.1 上位机监控系统设计

如前所述，各区域除尘控制室均配置触摸式一体化工控机PC677。为了便于行文，仅以对应于A区卷接设备的E区除尘控制系统为例进行阐述，主要功能模块如图2所示。

图2 上位机监控系统结构

2.1.1 变量定义

在WinCC中，利用标签管理器可以定义标签变量，建立上位机系统和PLC控制系统变量之间的映射关系，使标签变量能够访问PLC数据块中的各种变量的输入/输出地址，从而实现各类监控对象的数据采集、加工处理和调节控制。

基于项目规模较大，超过4 600个变量需要监控，在PLC变量定义中，使用结构体(UDT)方式，方便变量的设计与拓展，大大减少了变量设计时间，降低了出错概率。WinCC中也提供了定义结构体变量的功能，因此，通过建立与PLC同构的UDT变量，可以方便而快捷地定义上位机监控系统的所用变量。

2.1.2 动态工艺流程图

为了形象、生动、全面地展示卷接包车间各类除尘系统的运行情况，监控系统采用动态流程图的形式，遵从由宏观到微观、由整体到局部，层层深入、逐步求精的设计理念，直达底层的具体细节。从整体到局部的角度看，监控画面共分四个层次，如图3所示。

图3 动态工艺流程图层次结构示意图

2.1.3 系统安全功能设计

为了保障系统安全、正确运行，系统设置用户登录窗口，以限制非法用户的使用［5］。本系统采用分级授权制，分别为工程师、操作员和浏览者。工程师的权限是，可以修改系统设定参数，除尘系统的启动和停止，保存和恢复设定参数；操作员的权限是，可以修改系统设定参数，除尘系统的启动和停止。用户可根据权限进行操作，如果越权，将出现“没有许可权”的提示。

涉及系统启动/停止、控制方式、运行方式以及参数设定等操作，属于本系统专职操作员的工作范围。本系统专职操作员在用户登录窗口输入用户名和口令，获得可以使用这些功能的合法授权。

2.1.4 除尘系统操作功能/卷接机组参数设定功能

E区除尘房共有16个除尘系统。为了便于操作，设计了专门的除尘系统操作画面。在用户登录得到合法授权后，画面中的功能按钮和参数将变为可操作、可修改状态。操作员可以对各个除尘系统的运行状态、工作模式及详细参数进行设定与修改。

2.1.5 操作日志功能设计

a)本系统对下列操作进行全程记录:

1)除尘系统和卷接机组各类设定参数；2)机台/本地选择；3)自动/手动/禁控选择；4)频率/压力选择；5)风量/开度选择；6)启动/停止选择；7)风速/开度选择。

b)操作日志将记录如下内容:

1)操作时间；2)操作用户；3)变量名称；4)变量注释；5)原设定值；6)新设定值；7)所在计算机。利用操作日志数据库查询操作人员的操作过程，为事后责任追究提供依据［3］。

2.1.6 报警消息及设备故障定位功能设计

当某个系统电气设备发生故障时，在屏幕底部的报警消息栏将出现报警提示信息，点击可以打开设备运行状态窗口，快速找到故障点。

2.1.7 网络诊断功能设计

卷包除尘系统是建立在工业以太网PROFINET基础上的，网络通讯的畅通是确保车间生产的必要条件。各区域除尘控制系统分别设计了本地网络诊断检测程序。图1既是E区除尘监控系统的网络拓扑图，也是该区域网络诊断实际运行画面。控制系统对上述65个站点、多个网络交换机的通讯状态进行实时检测，当出现通讯中断情况时，表现为闪烁颜色变化:红黄闪烁，表示出通讯中断点；绿色蓝色闪烁，表示通讯正常。由此可以快速诊断系统网络的通讯状况，提示用户及时排除故障，恢复网络通讯的畅通。

2.1.8 历史趋势图功能设计

对各个除尘系统的下列运行工况参数进行归档，以历史趋势图形式反映其调节变化过程:主管负压、主管风量、主管补风阀开度、变频器运行频率、变频器运行电流、变频器运行功率、变频器散热温度、除尘器压差。

2.2 网络配置

由于卷包车间生产设备分布区域广，跨度大，除尘控制系统采用两层网络，即管理监控层和设备控制层PROFINET工业以太网。管理监控层采用千兆光电交换机，以环网形式构建可靠、高速数据交换网络，各区PLC控制器、PC677工控机通过千兆通讯模板和通讯网卡链接，实现整个监控系统数据的快速交换。设备控制层工业以太网，以控制主站PLC为核心，下设现场总线I/O耦合器子站，通过PROFINET网络建立连接。监控各子站所挂设备的输入状态----模拟量输入、数字量输入，对各执行机构进行控制----模拟量输出、数字量输出、电机驱动模块，完成对除尘系统中各工艺设备的控制，以满足卷接设备的运行要求。

3 系统优势

3.1 故障诊断与快速定位

基于系统的报警消息及故障定位功能，三个区域除尘控制室实现了报警消息互通，任何一个区域的报警消息均可以在其他区域获知，以方便设备维护人员快速到达故障点，及时排除故障，恢复正常生产，尽量减少停机时间，提高生产效率，最大限度做到节能降耗。

3.2 历史趋势总结

基于系统的历史趋势图功能，可随除尘系统所连接的卷接机组以下工作参数进行总结性的分析:VE支管的压力、VE支管风压平衡器调节开度、MAX支管的压力、MAX支管的风压平衡阀开度、吸丝风速、风速调节阀开度。在历史趋势图的帮助下，操作人员可以有效的总结与分析传感器与执行器之间的调节效果，降低了准确设定系统参数的时间消耗，提高生产效率。

为了便于分析传感器与执行器之间的调节效果，系统以相关数据集中显示方式设计了具有相互耦合和调节关系的历史趋势数据曲线簇，更高效地帮助操作人员完成参数设定，曲线簇主要有下列三类:

1)除尘系统主管负压/主管风量/主管补风阀开度/变频器运行频率组合曲线簇，用以观察上述4个变量之间的相互作用和影响。

2)卷接机组VE支管负压/风压平衡器开度/MAX支管负压/风压平衡阀开度组合曲线簇。

3)卷接机组烟丝风力输送回风管风速/风速调节阀开度组合曲线。用以观察两个变量之间的调节关系；吸丝过程风速曲线是否平滑。

历史趋势图具有灵活、方便的数据观察、数据摘取和统计分析功能，为分析系统运行工况对产品质量的影响提供了详实、可靠的基础数据。