監控系統在糧食儲備庫中的優化設計

◎ 韓光輝，魏鵬飛

（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053）

1 項目簡介

該項目是一個新建項目，主要實現針對汽車來糧接收的自動控制。本系統的被控對象包括斗提式輸送機、皮帶輸送機、電動閘閥門、除塵除雜設備和通風設備等。從工藝上講，本項目只有進倉流程，主要實現進倉作業的自動化控制。從被控對象上看，設備類型多、數量多。

從糧食儲備庫工況來看，閘閥門、傳感器、除塵器經常發生故障，需要特別處理以減少設備停機時間。從人員上看，本項目的操作員不熟悉自動控制系統，上位機監控系統的開發必須注重實用性、易用性，盡量從技術上減少操作員的錯誤操作。

2 PLC S300+WINCC7.0的系統構成

本項目按照集中管理、分散控制的思想。控制系統從功能上分為三部分：上位機操作員站、下位機控制站、通信網絡。由現場檢測裝置、現場開關、急停開關、現場操作箱、PLC、工業交換機及工控機等構成[1]。

2.1 操作員站

操作員站作為人機交互界面，實現生產作業操作和設備的監控功能，負責生產數據的采集與管理等。選用一臺研華IPC-810E工業控制計算機作為操作員站，采用西門子WINCC7.0開發監控系統。

2.2 下位機控制站

輸出模塊和通訊模塊等，構成一個完整的PLC應用系統。

2.3 通訊網絡

控制站作為整個控制系統的核心，實現設備的邏輯控制、數據采集、數據處理、通訊等功能。控制站采用標準模塊式結構化PLC：電源模塊、CPU、輸入模塊、

通訊網絡負責數據傳輸，其可靠性、實時性事關重大。本系統選用西門子CPU315-2EH作為主控制器，帶有2個以太網口和1個DP總線接口，CPU向上通過工業交換機與工控機實現數據交換，向下通過DP總線與PLC從站及儀表通訊。控制系統整體網絡如圖1所示。

圖1 控制系統網絡結構圖

3 PLC程序的開發

PLC程序采用模塊化結構。根據項目設備類型和工藝要求來編寫各控制功能塊。主要控制模塊包括主設備控制功能塊、輔助設備控制功能塊、故障處理功能塊、流程選擇功能塊和IO轉換功能塊等。

根據設備的不同類型，建立相應設備的結構變量，選擇相應的控制功能塊就可以很大程度上提高編程效率。設備單機控制包括斗提機控制、皮帶機控制、除塵除雜設備控制、閘閥門控制和軸流風機控制等。

根據流程作業的要求，編寫流程初始化程序、流程選擇程序、流程控制程序。其中，流程控制程序包括輸送設備的啟停邏輯控制、除塵器的啟停邏輯控制、閘閥門的開關邏輯控制等。其他還包括電表數據處理程序、報警處理程序、程序測試、控制系統通訊狀態等。

4 WINCC監控畫面的開發

監控系統開發從實用性、易用性的角度出發，包括登錄畫面、總工藝畫面、流程選擇控制、閥門管理、報警總覽、電能管理、參數設置和系統配置。其中，總工藝畫面作為主畫面，監控畫面結構如圖2所示。

圖2 上位機監控畫面結構圖

4.1 總工藝畫面的設計

總工藝畫面作為操作員作業時主要監控畫面，可以分為標題欄區、畫面導航區、流程信息顯示區、系統按鈕區、工藝畫面區和報警區等6個區域，如圖3所示。

圖3 系統的總工藝畫面圖

標題欄區顯示了設計單位、項目名稱、當前操作員名稱及當前時間，畫面導航區用于不同畫面的切換，這兩個區域是所有畫面的共享區域。流程信息顯示區顯示當前作業流程的類型、流程號、流程狀態、使用設備等。系統按鈕區包括全局連鎖、全局故障復位、總急停、開車預警和報警測試等。報警區用于顯示當前最新報警，并啟動聲光報警器來提示操作員。工藝畫面區顯示糧食物流總工藝，包含所有可監控設備。通過設備的顏色變化可直觀顯示出設備的狀態，如運行為綠色、故障為紅色、單機為黃色、連鎖為藍色等。通過鼠標左鍵點擊該設備在彈出的操作窗口中，可對該設備進行單機啟停、手自動切換、故障復位、設備狀態查看等操作。通過倉上提示的信息能快速查看到正在進行的進倉作業。對于一個新的操作員，通過設備主要顏色、鼠標操作提示功能可以快速適應系統，減少誤操作。

4.2 分畫面的設計

本系統分畫面設計按照功能劃分，清晰明了，操作簡潔，避免了操作員的誤操作。

流程選擇控制畫面包括進倉流程選擇、流程控制、流程信息顯示等功能，流程控制包括流程保存、流程取消、流程啟動、流程停止和流程急停等。流程控制信息顯示所選擇流程的基本信息，包括流程號、流程作業類型以及此流程使用的設備。

閥門管理畫面由于工況復雜，經常會出現閥門傳感器故障的情況，為了減少設備停機，當現場閥門傳感器故障時，在手動將閥門搖到位時，在確認閥門位置后，仍然可以使用流程進行作業。報警畫面顯示所有被監控的設備的報警信息，包括報警設備、報警類型、報警時間等。電能管理畫面顯示設備的運行電流、額定電流、電流百分比設定，其中電流百分比的設定需要獲得授權。參數設置在調試時為避免失速和堵料傳感器報警，為了減少設備停機時間，可以設置故障信號不停機；設備故障屏蔽后還有故障報警，但不會再因故障導致停機。該功能同樣需要獲得授權。系統配置畫面可顯示控制系統的硬件配置，監控各PLC站狀態，修改操作員密碼，變更登錄等功能。

4.3 權限分級管理

本系統設置了三級賬號管理，即操作員級、電工級、工程師級。由于本項目為2家企業共用，為了防止操作員誤操作，系統通過權限管理，實現了不同單位不同級別賬號擁有不同的授權。操作員用戶用于正常作業，電工用戶用于設備故障或設備運行參數變化時；工程師用戶用于設計單位在系統調試時使用。其中，操作員用戶的授權包括過程監控、窗口選擇、設備啟停，流程選擇和系統退出等功能。電工用戶的授權包含操作員用戶的所有授權，但是同時擁有電能管理和參數設置的授權。

4.4 單機操作窗口的開發

本項目中單機操作窗口如圖4所示，操作窗口的畫面布局分為6個區域，分別是設備標題區、設備靜態信息區、設備傳感器顯示區、設備狀態顯示區、設備控制區和設備輔助功能區。

圖4 斗提機操作窗口畫面圖

設備標題區的設計可以使操作員清楚地知道自己將要操作的設備。設備靜態信息區的設計可以使操作員清楚每個設備的位置、功率、控制回路的位置等，以便在故障發生時，可以結合報警信息指導電工快速找到問題，解決問題。設備傳感器顯示區的設計使操作員可以實時查看設備保護裝置狀態。設備狀態顯示區的設計使操作員可以集中管理現場設備的運行狀態，當有故障發生時第一時間看到設備故障情況。設備控制區包括自動、手動、啟動、停止4個按鈕，當設備處于流程作業時，4個按鈕是不能操作的，這樣設計提高了流程作業的安全性，防止了操作員的誤操作。設備輔助功能區包括故障清除和退出，當設備發生故障時，只有現場設備故障排除后，故障清除按鈕才能清除程序中的故障狀態。

5 結語

本項目所設計的基于西門子PLC S300+WINCC7.0的控制系統，實現了對糧食儲備庫的自動控制。清晰明了、信息豐富、操作簡潔、人機交互友好的主畫面設計和單機窗口設計，提高了系統的易用性和可操作性；參數設置、閥門管理分畫面設計，減少了系統故障停機時間，提高了系統的靈活性；按功能劃分的各畫面、控制按鈕分時可用、權限管理等設計，避免了操作員的誤操作；程序測試功能作為操作員實戰演練的工具，得到了操作員的一致好評。

參考文獻：

[1]許德剛，肖人彬.我國智能化糧食物流系統現狀及發展趨勢[J].河南工業大學學報（社會科學版），2009，5（2）：22-26.

[2]邱星亮，游彩虹.錦州港現代糧食物流控制系統的設計與應用[J].糧食流通技術，2009，15（3）：25-27.

[3]杜海濤.基于西門子S7400+WINCC7.0在單吹鈍化顆粒鎂裝置中的應用[J].中國科技博覽，2014，15（3）：27-28.

[4]蘇昆哲.深入淺出西門子Wincc V6[M].2版.北京：北京航天航空航空大學出版社，2004.

[5]廖常初.S7300/400 PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.