基于工业以太网的除尘风机节能控制系统设计

韦 文，沈宇浩，唐湛恒

广西中烟工业有限责任公司南宁卷烟厂，南宁市北湖南路28号 530000

在卷烟工业现场中通常有多种不同厂家的主机设备，例如昆明船舶设备集团有限公司、意大利COMAS公司、德国HAUNI公司等，其配备的电控系统各不相同，主流配置的PLC分别有德国西门子、美国罗克韦尔、法国施耐德等公司的产品，由于不同品牌产品之间的通讯协议相对独立，这些系统之间无法直接进行数据通讯，而目前解决该问题的主要技术手段是使用协议转换硬件。其中，刘星［1］利用协议转换器实现了西门子S7-1200/S7-1500 PLC与带有MODBUS变频器的仪表设备通讯接口进行数据交换。强海洋［2］通过BM85网桥实现了施耐德Quantum和Twido两种PLC之间的Modbus Plus通讯，解决了重要设备关键参数的远程监控问题。曾贺湛［3］基于Prosoft Prolinx无线网关通讯技术实现了不同类型PLC之间的远程数据通讯。但上述研究主要是基于第三方硬件实现不同PLC之间的数据通讯，利用上位机软件进行协议转换的方法鲜见报道。工业以太网的传输技术目前广泛应用于生产和过程自动化领域［4-5］。为此，以南宁卷烟厂除尘风机节能控制系统为例，通过使用上位监控系统作为转换站点，利用工业以太网平等地将不同PLC接入监控数采系统，以期解决不同系统协议之间数据无法直接通讯等问题，降低卷烟企业能源消耗。

1 问题分析

南宁卷烟厂制丝车间除尘控制系统主要由风机电机、本地开关、驱动单元、主控制断路器、PLC［6］、上位机等部分组成。当工艺段设备启动时，由操作人员控制上位机发出指令，传递至PLC，通过逻辑判断是否满足启动条件，再由通讯指令启动驱动单元（变频器、软启动器等）带动风机电机运转。为解决除尘风机能耗过高等问题，制丝车间对2台110 kW、1台30 kW除尘风机进行了节能改造，增加了一套节能系统。图1可见，节能系统以SPS节能装置为驱动单元，以西门子200系列PLC为控制单元；原除尘控制系统以AB系列变频器为驱动单元，以罗克韦尔Logix系列PLC为控制单元。改造完成后采用“一用一备”控制方式，以节能系统为主控制单元，原变频器系统为备用控制单元。由于两个控制单元采用不同厂家的控制器，无法直接通过各自的网络模块进行数据交互，在选择控制方式时需要手动切换继电器。正常情况下，由SPS节能装置为电机供电，继电器KM1闭合；当遇到特殊情况时，需要将SPS节能控制柜上的“节能/检修/旁路”开关旋转到“旁路”模式，继电器KM2闭合，由原控制方式为电机供电。控制过程繁琐，且无法远程采集节能系统数据。

图1 除尘风机节能控制系统电路图Fig.1 Circuit of energy saving control system for dust removal fans

2 系统设计

本系统中主要采用西门子ProfINet和罗克韦尔Ethernet/IP协议工业以太网对节能控制系统进行改进［7］。在设计过程中，不改变原有罗克韦尔PLC控制硬件架构，西门子PLC的cp234-1模块采用RJ-45接口，以工业以太网接口方式接入控制层环网交换机。软件设计中，使用美国WonderWare公司的SMC（System Management Console）软件对两种PLC进行组态，与监控站进行数据交互，并通过监控站端的I/O型上位数据进行逻辑运算和数值设置。

2.1 硬件架构

除尘节能控制系统自上而下分为监控层、控制层和终端设备层。层与层之间、每一层内部均由工业以太网线路组成，主要设备包括分布式监控站、2台互为冗余的双网卡数据采集服务器［8］、西门子200系列PLC、罗克韦尔5000系列PLC、3台变频器和SPS节能控制柜等，见图2。其中，监控层的分布式监控站与数采服务器网卡1使用10.162.72.xxx作为自身网段；控制层的数采服务器网卡2、西门子200系列PLC、罗克韦尔5000系列PLC使用193.168.0.xxx作为自身网段；终端设备层的EN2T、变频器、耦合器模块、参数监测元器件等使用192.168.1.xxx作为自身网段。

2.2 软件组态

在集散控制系统的GR操作站上对各个PLC进行以太网组态［9］，使用SMC软件配置PLC信息。配置之前首先安装罗克韦尔的Ethernet/IP以太网驱动DASABCIP.exe和西门子的ProfINet以太网驱动DASSIDirect.exe。具体配置过程如下。

（1）图3可见，在ArchestrA.DASABCIP.4中添加罗克韦尔控制器ENB_CLX_CC_PC Parameters，IP地址设置为193.80.0.161。在ArchestrA.DASSIDirect.3中添加西门子控制器New_S7CP_200_000，IP地址设置为193.80.0.188。

（2）图4可见，在ArchestrA IDE软件中配置上下位数据交互通讯，在1#和2#数采服务器中分别添加DASABCIP和DASSIDirect数据组：Server_ZSCC1、LC_CC、Server_CC、LC_ZSCC1，并在数据组内部添加上位点与下位点对应关系。使用的通讯协议为基于TCP/IP的SuiteLink协议。

图2 除尘风机节能控制系统硬件架构Fig.2 Hardware architecture of energy saving control system for dust removal fans

图3 控制器组态过程图Fig.3 Configuration process of controller

图4 上下位机数据交互配置图Fig.4 Data interactive configuration of host and slave computers

2.3 底层程序

在上位机监控站服务器中创建布尔量标签：Motor_ControlMode，分别对应西门子PLC中的下位点S7_ControlMode和罗克韦尔中的下位点AB_ControlMode。控制器程序S7_ControlMode使用检查通指令作为控制模式生效的前提条件；AB_ControlMode使用检查断指令作为控制模式生效的前提条件。图5可见，当Motor_ControlMode值=1，即通时，西门子PLC控制模式生效，罗克韦尔PLC控制模式失效；当Motor_ControlMode值=0，即断时，罗克韦尔PLC控制模式生效，西门子PLC控制模式失效，由此实现互锁控制的目的。

2.4 监控画面

在Intouch监控画面中对控制模式、电机参数及运行状态等进行监控［10］。图6可见，主画面和控制画面可以显示当前处于“节能”或“旁路”模式；进入除尘器电机子画面可以查看“节能”模式下电机参数，包括电机频率、电压、电流、运行状态等数据。

图5 节能控制系统逻辑流程图Fig.5 Logic flow of energy saving control system

图6 节能控制系统控制与监控图Fig.6 Control and monitoring diagrams of energy saving control system

3 应用效果

3.1 试验设计

设备：30 kW除尘风机U001，110 kW除尘风机U034以及110 kW除尘风机U037（南宁卷烟厂制丝车间）。

方法：①使用上位机对原控制系统与节能控制系统进行切换，检测状态位，观察系统切换是否正确；②在相同工况下，原控制系统与节能控制系统分别运行4 h，统计用电消耗量。

3.2 数据分析

表1可见，使用除尘节能风机双控制系统后，通过上位机画面的切换，拟切换系统与实际运行系统完全一致。通过工业以太网配合集控系统服务器，实现了不同PLC之间信号的连锁，控制信号切换准确，保证了原控制系统与节能控制系统的顺利切换，达到了除尘风机双系统“一用一备”的设计目的。

表2可见，在相同工况下，采用节能控制系统后3台除尘风机的节电率均在40%以上，年节电量可达2.6万kW。在正常生产中，采用节能控制系统作为主系统使用，采用原变频器系统作为主系统检修或故障时使用，可有效节省电能消耗，经济效益显著。

表1 双控制系统切换运行结果Tab.1 Results of double control system switching operation

表2 改进前后除尘风机控制系统能耗对比Tab.2 Comparison of energy consumption of control system for dust removal fan before and after improvement

4 结论

通过工业以太网接口将除尘风机节能控制系统接入控制平台，利用Intouch上位软件和以太网传输实现了不同PLC之间的数据交互，系统具有冗余且与原控制模式顺利切换；基于可视化界面调控现场控制模式，准确采集不同模式下设备运行状态和工艺参数等信息。以南宁卷烟厂制丝车间3台除尘风机为例进行对比测试，结果表明：采用节能控制系统后，日常生产为节能模式，检修时为旁路模式，在相同工况下3台除尘风机的节电率均在40%以上，年节电量达2.6万kW，节能效果显著。该方法可为各种类型PLC之间的数据交互提供参考。