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(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。卷接包除塵系統(tǒng)為各類設(shè)備提供生產(chǎn)工藝所需的負(fù)壓風(fēng)力，已經(jīng)成為當(dāng)前卷包車間技術(shù)升級(jí)改造工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

廣州卷煙廠卷包車間分A、B、C三個(gè)生產(chǎn)區(qū)域。A區(qū)布置卷接機(jī)組30套，B區(qū)布置濾棒成型機(jī)組24套、C區(qū)布置卷接機(jī)組26套。對(duì)應(yīng)于卷包車間生產(chǎn)設(shè)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(gè)區(qū)域的生產(chǎn)設(shè)備提供工藝風(fēng)力、煙絲輸送、梗簽收集及風(fēng)選、負(fù)壓清掃、環(huán)境除塵、粉塵處理等多種功能類別的除塵服務(wù)［1］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到車間空間較大、布局較為分散等現(xiàn)場實(shí)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(jí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。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(yùn)行版和開發(fā)版)。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1是E區(qū)除塵房網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D，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(jī)連接，工控機(jī)(PC677)通過交換機(jī)與PLC進(jìn)行連接，DP網(wǎng)絡(luò)下掛16臺(tái)FC312系列變頻器；PLC的PN接口通過交換機(jī)、現(xiàn)場I/O耦合器與安裝在機(jī)臺(tái)的操作單元TP177B構(gòu)成Profinet網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)之間通過光纖和網(wǎng)線構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。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(dá)的命令執(zhí)行控制任務(wù)。

圖1 E區(qū)除塵房設(shè)備控制層工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)鋱D

除塵監(jiān)控系統(tǒng)全面監(jiān)控各個(gè)除塵系統(tǒng)、各臺(tái)卷接機(jī)組、成型機(jī)組所安裝的各類傳感器、執(zhí)行器的運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)，操作員可以通過E、F、G三個(gè)區(qū)域的PC677工控機(jī)分別完成除塵系統(tǒng)的啟動(dòng)/停止、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)診斷、開機(jī)診斷、故障定位、數(shù)據(jù)分析等工作任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1)PLC編程

系統(tǒng)采用西門子STEP7編程軟件完成對(duì)S7-416 3PN/DP CPU和CP443-1的設(shè)計(jì)及配置。STEP7具有以下功能:硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通訊組態(tài)、編程、測試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)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?qiáng)大、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(kuò)展性的基本系統(tǒng)可利用WinCC選件在各個(gè)方面擴(kuò)展。通過細(xì)分授權(quán)，基本軟件可以滿足結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化。

2 系統(tǒng)功能及通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

控制主站由西門子S7-400PLC和觸摸式一體化工控機(jī)PC677組成，PLC承擔(dān)除塵系統(tǒng)內(nèi)各類開關(guān)量、模擬量的監(jiān)測、控制任務(wù)，工控機(jī)PC677承擔(dān)數(shù)據(jù)采集和人機(jī)交互任務(wù)［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(luò)，與變頻器之間的連接和數(shù)據(jù)交換采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)。分布式I/O子站與傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場DI/DO連接，變頻器與風(fēng)機(jī)連接，監(jiān)測其工作狀態(tài)，執(zhí)行主站下達(dá)的指令，使各工藝設(shè)備處于正常的工作狀態(tài)。PC677工控機(jī)與操作單元TP177B監(jiān)控除塵系統(tǒng)和各工藝設(shè)備的參數(shù)及工作狀態(tài)。

2.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)PC677。為了便于行文，僅以對(duì)應(yīng)于A區(qū)卷接設(shè)備的E區(qū)除塵控制系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，主要功能模塊如圖2所示。

圖2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 變量定義

在WinCC中，利用標(biāo)簽管理器可以定義標(biāo)簽變量，建立上位機(jī)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)變量之間的映射關(guān)系，使標(biāo)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(shí)現(xiàn)各類監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、加工處理和調(diào)節(jié)控制。

基于項(xiàng)目規(guī)模較大，超過4 600個(gè)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(shè)計(jì)與拓展，大大減少了變量設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了出錯(cuò)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的所用變量。

2.1.2 動(dòng)態(tài)工藝流程圖

為了形象、生動(dòng)、全面地展示卷接包車間各類除塵系統(tǒng)的運(yùn)行情況，監(jiān)控系統(tǒng)采用動(dòng)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(shè)計(jì)理念，直達(dá)底層的具體細(xì)節(jié)。從整體到局部的角度看，監(jiān)控畫面共分四個(gè)層次，如圖3所示。

圖3 動(dòng)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(shè)計(jì)

為了保障系統(tǒng)安全、正確運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)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(jí)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(shè)定參數(shù)，除塵系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，保存和恢復(fù)設(shè)定參數(shù)；操作員的權(quán)限是，可以修改系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，除塵系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。用戶可根據(jù)權(quán)限進(jìn)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(dòng)/停止、控制方式、運(yùn)行方式以及參數(shù)設(shè)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(jī)組參數(shù)設(shè)定功能

E區(qū)除塵房共有16個(gè)除塵系統(tǒng)。為了便于操作，設(shè)計(jì)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)榭刹僮鳌⒖尚薷臓顟B(tài)。操作員可以對(duì)各個(gè)除塵系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、工作模式及詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定與修改。

2.1.5 操作日志功能設(shè)計(jì)

a)本系統(tǒng)對(duì)下列操作進(jìn)行全程記錄:

1)除塵系統(tǒng)和卷接機(jī)組各類設(shè)定參數(shù)；2)機(jī)臺(tái)/本地選擇；3)自動(dòng)/手動(dòng)/禁控選擇；4)頻率/壓力選擇；5)風(fēng)量/開度選擇；6)啟動(dòng)/停止選擇；7)風(fēng)速/開度選擇。

b)操作日志將記錄如下內(nèi)容:

1)操作時(shí)間；2)操作用戶；3)變量名稱；4)變量注釋；5)原設(shè)定值；6)新設(shè)定值；7)所在計(jì)算機(jī)。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(zé)任追究提供依據(jù)［3］。

2.1.6 報(bào)警消息及設(shè)備故障定位功能設(shè)計(jì)

當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)電氣設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在屏幕底部的報(bào)警消息欄將出現(xiàn)報(bào)警提示信息，點(diǎn)擊可以打開設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)窗口，快速找到故障點(diǎn)。

2.1.7 網(wǎng)絡(luò)診斷功能設(shè)計(jì)

卷包除塵系統(tǒng)是建立在工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET基礎(chǔ)上的，網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)了本地網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)鋱D，也是該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)診斷實(shí)際運(yùn)行畫面?？刂葡到y(tǒng)對(duì)上述65個(gè)站點(diǎn)、多個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的通訊狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)出現(xiàn)通訊中斷情況時(shí)，表現(xiàn)為閃爍顏色變化:紅黃閃爍，表示出通訊中斷點(diǎn)；綠色藍(lán)色閃爍，表示通訊正常。由此可以快速診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通訊狀況，提示用戶及時(shí)排除故障，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)通訊的暢通。

2.1.8 歷史趨勢圖功能設(shè)計(jì)

對(duì)各個(gè)除塵系統(tǒng)的下列運(yùn)行工況參數(shù)進(jìn)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(fù)壓、主管風(fēng)量、主管補(bǔ)風(fēng)閥開度、變頻器運(yùn)行頻率、變頻器運(yùn)行電流、變頻器運(yùn)行功率、變頻器散熱溫度、除塵器壓差。

2.2 網(wǎng)絡(luò)配置

由于卷包車間生產(chǎn)設(shè)備分布區(qū)域廣，跨度大，除塵控制系統(tǒng)采用兩層網(wǎng)絡(luò)，即管理監(jiān)控層和設(shè)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(jī)，以環(huán)網(wǎng)形式構(gòu)建可靠、高速數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，各區(qū)PLC控制器、PC677工控機(jī)通過千兆通訊模板和通訊網(wǎng)卡鏈接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的快速交換。設(shè)備控制層工業(yè)以太網(wǎng)，以控制主站PLC為核心，下設(shè)現(xiàn)場總線I/O耦合器子站，通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)建立連接。監(jiān)控各子站所掛設(shè)備的輸入狀態(tài)----模擬量輸入、數(shù)字量輸入，對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制----模擬量輸出、數(shù)字量輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，完成對(duì)除塵系統(tǒng)中各工藝設(shè)備的控制，以滿足卷接設(shè)備的運(yùn)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(bào)警消息及故障定位功能，三個(gè)區(qū)域除塵控制室實(shí)現(xiàn)了報(bào)警消息互通，任何一個(gè)區(qū)域的報(bào)警消息均可以在其他區(qū)域獲知，以方便設(shè)備維護(hù)人員快速到達(dá)故障點(diǎn)，及時(shí)排除故障，恢復(fù)正常生產(chǎn)，盡量減少停機(jī)時(shí)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(jī)組以下工作參數(shù)進(jìn)行總結(jié)性的分析:VE支管的壓力、VE支管風(fēng)壓平衡器調(diào)節(jié)開度、MAX支管的壓力、MAX支管的風(fēng)壓平衡閥開度、吸絲風(fēng)速、風(fēng)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(zhǔn)確設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)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(guān)數(shù)據(jù)集中顯示方式設(shè)計(jì)了具有相互耦合和調(diào)節(jié)關(guān)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(shè)定，曲線簇主要有下列三類:

1)除塵系統(tǒng)主管負(fù)壓/主管風(fēng)量/主管補(bǔ)風(fēng)閥開度/變頻器運(yùn)行頻率組合曲線簇，用以觀察上述4個(gè)變量之間的相互作用和影響。

2)卷接機(jī)組VE支管負(fù)壓/風(fēng)壓平衡器開度/MAX支管負(fù)壓/風(fēng)壓平衡閥開度組合曲線簇。

3)卷接機(jī)組煙絲風(fēng)力輸送回風(fēng)管風(fēng)速/風(fēng)速調(diào)節(jié)閥開度組合曲線。用以觀察兩個(gè)變量之間的調(diào)節(jié)關(guān)系；吸絲過程風(fēng)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(jì)分析功能，為分析系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響提供了詳實(shí)、可靠的基礎(chǔ)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(jī)調(diào)試，經(jīng)過不斷優(yōu)化、完善，于同年11月正式投入運(yùn)行。迄今為止，運(yùn)行結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo):

1)卷接機(jī)組集中工藝風(fēng)力除塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了卷接設(shè)備工藝風(fēng)力平衡和恒壓供給，提高了卷接設(shè)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(fēng)力送絲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙絲輸送速度的有效控制，降低了煙絲造碎率和對(duì)煙絲內(nèi)在品質(zhì)的影響；

3)負(fù)壓清掃系統(tǒng)將兩套系統(tǒng)并聯(lián)，可根據(jù)負(fù)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(fēng)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(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的全數(shù)字監(jiān)控，為廠級(jí)MES系統(tǒng)提供了詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

［1］謝海，李智，王懷杰，等.卷包車間風(fēng)送除塵系統(tǒng)［M］.除塵系統(tǒng)培訓(xùn)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(jì)算機(jī)信息，2009(5-1):60-61.

［3］吳純，王懷杰.基于iFIX操作日志模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011(3):8-9.

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

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