李江平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司,安徽 安慶 246002)

腈綸紡絲生產線監(jiān)控系統(tǒng)設計

李江平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司,安徽 安慶 246002)

針對腈綸紡絲生產線缺少上位機監(jiān)控系統(tǒng)給生產帶來不便這一現(xiàn)狀,基于WinCC設計了監(jiān)控系統(tǒng),并編寫了對應的監(jiān)控程序。系統(tǒng)具備異常信號報警、歷史數(shù)據(jù)歸檔、現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)實時監(jiān)視等功能。介紹了動態(tài)界面、報警界面、趨勢界面的組態(tài)以及WinCC與PLC之間的通信。多年運行結果表明,該監(jiān)控系統(tǒng)控制方便、工作穩(wěn)定、實用性強,為生產線的長期平穩(wěn)運行創(chuàng)造了良好的環(huán)境和條件。

腈綸紡絲 監(jiān)控 組態(tài) WinCC PLC

0 引言

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)集數(shù)據(jù)的實時采集、處理、設備檢測和控制于一體,以直觀友好的人機界面實現(xiàn)了對生產線的監(jiān)控,極大地提高了生產線的效率。目前,國內外較多采用基于現(xiàn)場總線的監(jiān)控系統(tǒng)和基于計算機網絡的監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]。

在腈綸紡絲控制系統(tǒng)中,上位機即工控機采用WindowsNT+WinCC作為軟件平臺,通過多點接口(multi point interface,MPI)網絡與S7-300 PLC連接,PLC再通過Profibus與生產線上的驅動設備連接,從而構成一個穩(wěn)定并易于擴充的硬件環(huán)境。

在充分了解腈綸紡絲生產工藝的情況下,設計了基于WinCC的腈綸紡絲線監(jiān)控系統(tǒng),對現(xiàn)場設備進行監(jiān)控組態(tài)。通過人機界面對話,可以實現(xiàn)文件歷史數(shù)據(jù)的記錄、故障的自動診斷/報警以及動態(tài)畫面的演示等功能,從而對整個系統(tǒng)工藝流程進行實時監(jiān)控。運行結果表明,該系統(tǒng)控制方便、工作穩(wěn)定、實用性強。

1 腈綸紡絲線控制系統(tǒng)簡介

1.1 腈綸紡絲工藝流程

腈綸紡絲生產線分為前紡和后紡兩個工段,其工藝流程可以概述為:將聚合原液裝置制備的紡絲原液經成型、牽伸、水洗、定型、卷曲等工藝加工成腈綸長絲束,以絲束形式出廠,或由成品裝置加工成短纖維,也可由毛條裝置加工成毛條。圖1為腈綸紡絲生產工藝的流程圖,其中F1～F15為前紡工段,F16～F20為后紡工段。

圖1 腈綸紡絲生產工藝流程圖Fig.1 The technological process of acrylic spinning production

1.2 腈綸生產線控制系統(tǒng)結構

本項目共有6條設計功能相同的紡絲生產線,每條生產線由17臺不同功率的變頻器構成相應的電力拖動部分。為提高控制系統(tǒng)的可靠性,另外設計了一條備用控制系統(tǒng)。其控制設備與生產線上的控制設備相同,并采用“一備多”的方法,即當某條生產線上的變頻器發(fā)生故障需要維護時,可用備用線相應工位的變頻器進行備用。

在控制網絡結構上,采用MPI和Profibus-DP構建了3層分布式網絡結構。其中監(jiān)控級完成全廠6條生產線的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的采集與管理以及控制軟件的上傳與下載等,現(xiàn)場級采用兩層實時性好的通信網絡,完成現(xiàn)場設備的控制、信號的采集與傳輸。

系統(tǒng)結構如圖2所示。系統(tǒng)采用MPI網作為監(jiān)控級的通信網絡,由備用PLC控制站、工控機作為網絡節(jié)點,由備用線PLC將生產線的運行參數(shù)通過MPI網絡發(fā)給上位機,供監(jiān)控之用。同時,備用的PLC控制站作為7#Profibus-DP的主站,備用線變頻器F1～F20和6條生產線的PLC控制站作為7#Profibus-DP的從站。對于每條生產線的Profibus-DP網絡,生產線的PLC控制站為主站,17臺變頻器和分布式I/O(ET200M)為從站。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure of the control system

圖2中,TDS-PA01為總線適配器,INV為變頻器。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

WinCC是由西門子公司開發(fā)的工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件,擁有豐富的圖形庫、工具箱和操作向導。由于采用可視化的組態(tài)方式,從而減少了工作人員在軟件設計過程中的重復性工作,提高了開發(fā)效率,縮短了開發(fā)周期[4-5]。此外,在Step7中集成WinCC項目,將使PLC與WinCC之間的通信變得非常方便。

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控程序設計步驟

基于WinCC設計人機界面,可按如下步驟進行。

①啟動WinCC,新建項目。

②打開變量管理器,選擇添加PLC的驅動程序,配置MPI協(xié)議系統(tǒng)參數(shù)。

③打開Step7,組態(tài)PC Station與AS站的通信網絡連接。

④將Step7中的變量等信息傳送給WinCC。

⑤制作監(jiān)控畫面;制作數(shù)據(jù)歸檔、報表、報警等。

⑥編譯、下載、調試。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面組態(tài)

本項目的監(jiān)控系統(tǒng)具有一系列的監(jiān)控界面,這些都是在WinCC的圖形編輯器中進行編輯和動態(tài)鏈接,相互之間可以切換。下面介紹基于WinCC組態(tài)軟件設計的監(jiān)控畫面及其編程。

2.2.1 項目建立

第一次運行WinCC時會出現(xiàn)一個對話框,選擇建立新項目的類型(有單用戶、多用戶、客戶機項目3種),確定項目名并為項目選擇路徑。通過在WinCC與自動化系統(tǒng)間組態(tài)一個通信連接,就可以用WinCC來訪問自動化系統(tǒng)(PLC)的當前過程值。

2.2.2 變量管理

WinCC的變量管理器負責管理WinCC中所使用的所有變量,包括外部變量、內部變量和腳本變量。

WinCC的外部變量也稱為過程變量,由外部過程為其提供變量值,一般用于WinCC與PLC間的通信。內部變量指過程沒有為其提供變量值的那些變量,使用時不需要建立相應的通道連接,多用于WinCC項目的調試階段,例如,用于實現(xiàn)畫面的動態(tài)效果[6-7]。在實現(xiàn)本系統(tǒng)監(jiān)控畫面的動態(tài)演示中,用到的內部變量數(shù)據(jù)類型有二進制數(shù)和無符號整型數(shù)。在WinCC的全局腳本及畫面腳本中可以定義并使用變量,這些變量稱為腳本變量,只能在其定義時所規(guī)定的范圍內使用。

2.2.3 過程畫面組態(tài)

WinCC的圖形編輯器用于創(chuàng)建過程畫面并使其動態(tài)化。為使監(jiān)控界面中的輥子出現(xiàn)轉動效果,以F6輥子為例,其設計過程如下。

在全局腳本中建一個C動作,觸發(fā)方式選為250 ms周期觸發(fā),并編制程序:

其中,"S7$Program(7)/PLC_COM.L2F6_running")是PLC中的F6的運行狀態(tài)(1表示運行,0表示停止)。

在繪圖區(qū)繪制12幅輥子轉過不同轉角的狀態(tài)圖,并將它們分別導出到一個文件夾中,保存為.emf格式的圖像文件;接著,在圖形編輯器的右側對象選項板中,選擇智能對象中的狀態(tài)顯示對象,在彈出的變量選擇對話框中選擇與其相連的內部變量“run6”,并將更新(變量變化后其所連接狀態(tài)畫面的變化時間)選為根據(jù)變化;最后,選擇12幅畫面各自對應的變量(“run6”)的值(0～11),便組態(tài)好了輥子轉動的畫面。狀態(tài)畫面的數(shù)量越多,動態(tài)顯示效果越連貫。

采用同樣的繪制方法可進行動態(tài)顯示流程圖中絲束的移動、松弛垂環(huán)的上下移動等,變頻器的狀態(tài)可以通過相應工位的輥子下面的狀態(tài)欄顯示。

WinCC圖形編輯器中還包含輸入/輸出域、棒圖、圖形對象等智能對象,以及按鈕、復選框、滾動條等窗口對象。正確使用這些圖形對象便可繪出符合要求的過程畫面。其中輸入輸出域可用于變頻器頻率和電流的顯示,只需選擇相對應的變量連接即可。利用按鈕對象及其屬性的設置,可實現(xiàn)不同監(jiān)控畫面之間的動態(tài)切換,從而管理各監(jiān)控畫面[6-8]。

2.2.4 歸檔過程變量

利用WinCC組態(tài)軟件具有的變量記錄器,在定義了采樣類型、周期以及歸檔周期等屬性之后,數(shù)據(jù)庫采用循環(huán)刷新方式存儲歷史數(shù)據(jù)以及報警信息,即通過周期性的方式或事件觸發(fā)的方式記錄變量值并且存于系統(tǒng)自動生成的數(shù)據(jù)庫中,以防丟失數(shù)據(jù)。采樣之后的過程值可以做一些運算(如求平均值、最大值等),之后再歸檔或者直接歸檔。

在圖形編輯器中,利用WinCC組態(tài)軟件提供的ActiveX控件(WinCC Online Trend Control和WinCC Online Table Control),將歸檔過程值以曲線和表格的形式顯示在系統(tǒng)的監(jiān)控畫面或者采用打印機輸出。其中,WinCC Online Table Control控件可以對頻率變量進行數(shù)據(jù)記錄;WinCC Online Trend Control控件可以對頻率變量歷史數(shù)據(jù)進行歸檔。系統(tǒng)運行趨勢圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行趨勢圖Fig.3 Trend graphic of system running

2.2.5 報警畫面組態(tài)

及時對出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的故障報警,對保證工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的安全是十分重要的。在WinCC中,系統(tǒng)會采用報警記錄編輯器負責消息的采集并且顯示、確認和歸檔過程信息。WinCC中的消息系統(tǒng)提供有關操作狀態(tài)和過程故障狀態(tài)的信息,由于能提早通知每一個臨界狀態(tài),進而可以避免停機或縮短停機時間。如果需要對消息編輯屬性,可以通過組態(tài)軟件信息塊中的用戶文本塊、過程塊以及系統(tǒng)塊進行編輯。當出現(xiàn)報警信息時,系統(tǒng)將報警信息保存在硬盤的報警檔案中,并借助WinCC Alarm Control控件將這些報警信息及時顯示出來。

通過對生產現(xiàn)場過程量報警組態(tài),可以對變頻器過電流、過電壓以及松弛環(huán)路位置超限進行報警,利于提高系統(tǒng)運行的連續(xù)性、平穩(wěn)性和安全性,并減少操作工消除故障恢復生產的時間。

3 WinCC項目在Step7項目中的集成

集成式組態(tài),是指在Step7項目中組態(tài)管理WinCC工程。作為全集成自動化的一個部分,在Step7中可以對WinCC項目進行集成[9]。如果把WinCC的項目文件集成在Step7項目中,則可以在WinCC中直接調用Step7變量。

為實現(xiàn)WinCC項目在Step7中的集成,必須在同一臺計算機上安裝WinCC和Step7,且必須是先安裝Step7,后安裝WinCC,Step7與WinCC的版本必須兼容。在Step7項目中,可以在Simatic Manager里新建WinCC項目,也可以對已有的WinCC項目進行集成。當采用集成組態(tài)方式時,WinCC中不需要采用組態(tài)變量和通信,在Step 7中定義的通信參數(shù)和變量可直接傳輸?shù)絎inCC中。采用集成式組態(tài)的組態(tài)任務量可減少一半以上,并且可以減少組態(tài)錯誤的發(fā)生。鑒于上述原因,本項目采用集成式組態(tài)方式。

4 結束語

本文基于WinCC組態(tài)軟件,設計了腈綸紡絲生產線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)人機界面美觀、操作方便、運行穩(wěn)定,在確保腈綸紡絲生產線長期連續(xù)平穩(wěn)運行工作中發(fā)揮了重要作用。事實證明,WinCC是優(yōu)良的工業(yè)組態(tài)軟件,利用WinCC能夠較快地完成監(jiān)控系統(tǒng)的設計工作,易于安裝、維護和使用。

[1] 蘇彬.PROFIBUS總線在腈綸高速紡絲系統(tǒng)中的應用[J].工業(yè)控制計算機,2012(10):25-10.

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[3] 周曉慧,許傳軍.印染生產線監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].機電工程,2008,125(1):27-30.

[4] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[6] 葛鎖良,汪璇炫.WinCC在石灰窯系統(tǒng)過程參數(shù)控制中的應用[J].電氣傳動,2004,34(S):272-275.

[7] 田建創(chuàng),韓進.WinCC和S7-300在帶式除塵器監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].電氣自動化,2004,26(5):73-74.

[8] 張松濤,任光.WinCC在濃相輸送監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].電氣應用,2005,20(2):92-94.

[9] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京:航空航天大學出版社,2005.

Design of the Monitoring System for Acrylic Spinning Production Line

To overcome the inconvenience caused by lack of host computerized monitoring system in acrylic spinning production line,the monitoring system based on WinCC has been designed and corresponding monitoring program is written.The system offers various functions, e.g.,real time monitoring of the field process data,alarm when abnormal signal occurs,and historical data achieving.The configuration for dynamic interface,alarm interface,trend interface,and the communication between WinCC and PLC are introduced.The operation results in many years indicate that this monitoring system is ease to control,stable in operation,and features good practicability,it creates an excellent environment and good conditions for long term stable operation of the production line.

Acrylic spinning Monitoring Configuration WinCC Programmable logic controller(PLC)

TP13

A

修改稿收到日期:2014-02-17。

作者李江平(1968-),男,1989年畢業(yè)于華東化工學院生產過程自動化專業(yè),學士學位,高級工程師;主要從事自動化技術的管理工作。