基于WinCC實現的卷包除塵監控與數據采集系統

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

卷煙廠內卷接包工序除塵系統是現代卷煙生產中的重要組成部分，是保障卷包車間各類生產設備正常運行的基礎。卷接包除塵系統為各類設備提供生產工藝所需的負壓風力，已經成為當前卷包車間技術升級改造工程中的關鍵環節。

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

1 系統設計

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

1.1 系統硬件設計

圖1是E區除塵房網絡架構拓撲圖，由西門子S7-4163PN/DP CPU和CP443-1工業以太網卡構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網絡下掛16臺FC312系列變頻器；PLC的PN接口通過交換機、現場I/O耦合器與安裝在機臺的操作單元TP177B構成Profinet網絡。交換機之間通過光纖和網線構成監控網絡。各I/O箱子站把采集的數據發送到指定的主控制系統，根據主控制系統下達的命令執行控制任務。

圖1 E區除塵房設備控制層工業以太網拓撲圖

除塵監控系統全面監控各個除塵系統、各臺卷接機組、成型機組所安裝的各類傳感器、執行器的運行參數和工作狀態，操作員可以通過E、F、G三個區域的PC677工控機分別完成除塵系統的啟動/停止、參數設定、網絡診斷、開機診斷、故障定位、數據分析等工作任務。

1.2 系統軟件設計

1)PLC編程

系統采用西門子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:硬件配置和參數設置、通訊組態、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。

2)WinCC組態軟件

WinCC基本軟件是西門子SCADA集成系統的核心?；拒浖旧硖峁┝藦姶蟆⑼ㄓ玫倪^程可視化系統，該系統可以提供成熟的HMI軟件的所有功能。具有可擴展性的基本系統可利用WinCC選件在各個方面擴展。通過細分授權，基本軟件可以滿足結構的不斷復雜化。

2 系統功能及通訊網絡設計

控制主站由西門子S7-400PLC和觸摸式一體化工控機PC677組成，PLC承擔除塵系統內各類開關量、模擬量的監測、控制任務，工控機PC677承擔數據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據交換采用PROFINET網絡，與變頻器之間的連接和數據交換采用PROFIBUS-DP網絡。分布式I/O子站與傳感器、電機驅動器、閥門執行機構、現場DI/DO連接，變頻器與風機連接，監測其工作狀態，執行主站下達的指令，使各工藝設備處于正常的工作狀態。PC677工控機與操作單元TP177B監控除塵系統和各工藝設備的參數及工作狀態。

2.1 上位機監控系統設計

如前所述，各區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區卷接設備的E區除塵控制系統為例進行闡述，主要功能模塊如圖2所示。

圖2 上位機監控系統結構

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，建立上位機系統和PLC控制系統變量之間的映射關系，使標簽變量能夠訪問PLC數據塊中的各種變量的輸入/輸出地址，從而實現各類監控對象的數據采集、加工處理和調節控制。

基于項目規模較大，超過4 600個變量需要監控，在PLC變量定義中，使用結構體(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中也提供了定義結構體變量的功能，因此，通過建立與PLC同構的UDT變量，可以方便而快捷地定義上位機監控系統的所用變量。

2.1.2 動態工藝流程圖

為了形象、生動、全面地展示卷接包車間各類除塵系統的運行情況，監控系統采用動態流程圖的形式，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。從整體到局部的角度看，監控畫面共分四個層次，如圖3所示。

圖3 動態工藝流程圖層次結構示意圖

2.1.3 系統安全功能設計

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

涉及系統啟動/停止、控制方式、運行方式以及參數設定等操作，屬于本系統專職操作員的工作范圍。本系統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。

2.1.4 除塵系統操作功能/卷接機組參數設定功能

E區除塵房共有16個除塵系統。為了便于操作，設計了專門的除塵系統操作畫面。在用戶登錄得到合法授權后，畫面中的功能按鈕和參數將變為可操作、可修改狀態。操作員可以對各個除塵系統的運行狀態、工作模式及詳細參數進行設定與修改。

2.1.5 操作日志功能設計

a)本系統對下列操作進行全程記錄:

1)除塵系統和卷接機組各類設定參數；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。利用操作日志數據庫查詢操作人員的操作過程，為事后責任追究提供依據［3］。

2.1.6 報警消息及設備故障定位功能設計

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

2.1.7 網絡診斷功能設計

卷包除塵系統是建立在工業以太網PROFINET基礎上的，網絡通訊的暢通是確保車間生產的必要條件。各區域除塵控制系統分別設計了本地網絡診斷檢測程序。圖1既是E區除塵監控系統的網絡拓撲圖，也是該區域網絡診斷實際運行畫面?？刂葡到y對上述65個站點、多個網絡交換機的通訊狀態進行實時檢測，當出現通訊中斷情況時，表現為閃爍顏色變化: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網絡的通訊狀況，提示用戶及時排除故障，恢復網絡通訊的暢通。

2.1.8 歷史趨勢圖功能設計

對各個除塵系統的下列運行工況參數進行歸檔，以歷史趨勢圖形式反映其調節變化過程: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 網絡配置

由于卷包車間生產設備分布區域廣，跨度大，除塵控制系統采用兩層網絡，即管理監控層和設備控制層PROFINET工業以太網。管理監控層采用千兆光電交換機，以環網形式構建可靠、高速數據交換網絡，各區PLC控制器、PC677工控機通過千兆通訊模板和通訊網卡鏈接，實現整個監控系統數據的快速交換。設備控制層工業以太網，以控制主站PLC為核心，下設現場總線I/O耦合器子站，通過PROFINET網絡建立連接。監控各子站所掛設備的輸入狀態----模擬量輸入、數字量輸入，對各執行機構進行控制----模擬量輸出、數字量輸出、電機驅動模塊，完成對除塵系統中各工藝設備的控制，以滿足卷接設備的運行要求。

3 系統優勢

3.1 故障診斷與快速定位

基于系統的報警消息及故障定位功能，三個區域除塵控制室實現了報警消息互通，任何一個區域的報警消息均可以在其他區域獲知，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，盡量減少停機時間，提高生產效率，最大限度做到節能降耗。

3.2 歷史趨勢總結

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

為了便于分析傳感器與執行器之間的調節效果，系統以相關數據集中顯示方式設計了具有相互耦合和調節關系的歷史趨勢數據曲線簇，更高效地幫助操作人員完成參數設定，曲線簇主要有下列三類:

1)除塵系統主管負壓/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/風速調節閥開度組合曲線。用以觀察兩個變量之間的調節關系；吸絲過程風速曲線是否平滑。

歷史趨勢圖具有靈活、方便的數據觀察、數據摘取和統計分析功能，為分析系統運行工況對產品質量的影響提供了詳實、可靠的基礎數據。

4 結語

廣州卷煙廠卷包除塵系統自2011年6月聯機調試，經過不斷優化、完善，于同年11月正式投入運行。迄今為止，運行結果表明，整個系統穩定可靠，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，實現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率和煙支合格率，顯著降低了系統電耗，降低了車間噪聲和粉塵污染；

2)風力送絲系統實現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在品質的影響；

3)負壓清掃系統將兩套系統并聯，可根據負荷大小確定開啟除塵系統數量，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合，有效地提高了煙絲利用率；

5)卷包除塵系統，采用自動控制技術，實現了系統運行狀態和參數的全數字監控，為廠級MES系統提供了詳實可靠的基礎數據。

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

［2］馬新，王懷杰.基于WINCC的卷煙生產監控系統［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［J］.工業控制計算機，2011(3):8-9.

［4］李龍飛，王懷杰.卷接機組工藝風力與除塵系統自適應PID控制的實現［J］.工業控制計算機，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控系統的設計［J］.煙草科技，2005(5):11-14.