Industrial Ethernet transformation for assembly workshop of Carbon Factory

KONG Xiang-zhou,MO Shang-rong

(CUMARK NEW TECH.(SHENZHEN CHINA) CO., LTD.,Shenzhen Guangdong 518108,China)

Abstract: SIEMENS’s configuration software  WinCC and S7-400 (300) PLC to build industrial Ethernet-based, carbon-assembly processes in aluminum workshop, achieve network-based control, remote management, the establishment of a information-based production management system;

Key words: S7-400/300; WinCC configuration; Industrial Ethernet

1 引言

      隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展迅速。與以往現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)提供一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制到管理層全面的無縫聯(lián)接，解決了由于協(xié)議的不同而導(dǎo)致信息孤島的問題。

      但是當(dāng)前有一大部分較早建立的工廠，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)限制，信息化程度不高，數(shù)據(jù)采用手工統(tǒng)計(jì)等落后管理方式。對(duì)于這一部分的工廠，如何進(jìn)行有效信息化改造，是一個(gè)值得研究的方向。

      本文以中鋁某分公司碳素廠組裝車間的工業(yè)以太網(wǎng)改造工程為例，進(jìn)行說明。

2 現(xiàn)狀描述

      該碳素廠組裝車間建設(shè)于90年代初期，其工藝和電氣的設(shè)計(jì)起點(diǎn)較高，工藝上采用了先進(jìn)的懸掛式輸送機(jī)來連接陽極組裝車間各工位，設(shè)備配置先進(jìn)而且齊全，主要設(shè)備都是引進(jìn)德國KHD公司的先進(jìn)設(shè)備。其電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也采用了先進(jìn)的PLC控制方式，采用的PLC為當(dāng)時(shí)的主流產(chǎn)品，其中的PLC分為兩種：引進(jìn)設(shè)備采用SIEMENSS5系列，采用SIEMENSS5系列PLC控制的設(shè)備有6^＃鐵環(huán)壓脫機(jī)、7^＃鐵環(huán)壓脫機(jī)、8^＃鐵環(huán)壓脫機(jī)、澆鑄站、殘極壓脫、殘極破碎、電解質(zhì)清理、導(dǎo)桿清理、導(dǎo)桿矯直系統(tǒng)，懸鏈系統(tǒng)、新陽極輸送、裝卸站、電解質(zhì)二次破碎、沾石墨、500噸破碎機(jī)等系統(tǒng)；國產(chǎn)設(shè)備采用國產(chǎn)華光SG-8、SU-6系列，采用華光SG-8、SU-6系列PLC控制的設(shè)備有懸掛式輸送機(jī)、新陽極輸送、殘極裝卸站、電解質(zhì)二次破碎等系統(tǒng)。

      這些控制系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)起點(diǎn)都比較高，但都屬于早期的、老式的產(chǎn)品，各設(shè)備之間采用硬件聯(lián)接易出故障，缺乏統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化的管理，使得生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、歸檔、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等方面的工作都不得不靠人工進(jìn)行。因而，需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)集中化控制網(wǎng)絡(luò)化管理。

3系統(tǒng)要求和預(yù)期

      1 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)具備強(qiáng)大的組網(wǎng)功能以及開放的網(wǎng)絡(luò)功能，以便于接入預(yù)期的碳素廠生產(chǎn)MES系統(tǒng)，也便于與其它網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

      2 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)能全面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、操作、報(bào)警、記錄、報(bào)表和打印等功能。在滿足生產(chǎn)需求的前提下，盡可能減免常規(guī)二次儀表。

      3 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)是新型的、先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以保證改造后的控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，以保障生產(chǎn)設(shè)備的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。

      4 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)具備易擴(kuò)展性，便于系統(tǒng)自身容量的擴(kuò)展。

      5 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)具備改造前控制系統(tǒng)所具備的的控制要求和功能，同時(shí)具備新增部分的控制功能以及需要修改部分的控制功能。

      6 改造后的控制系統(tǒng)應(yīng)保留設(shè)備的就地操作功能，以確保生產(chǎn)設(shè)備的可操控性，保障生產(chǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行。

4方案設(shè)計(jì)

4.1網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

      根據(jù)現(xiàn)狀以及系統(tǒng)要求，工業(yè)以太網(wǎng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，核心節(jié)點(diǎn)都采用光纖交換機(jī)，其中中央控制室設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，中頻爐、五百噸破碎、二次電解質(zhì)破碎控制室分別設(shè)置一個(gè)光纖交換機(jī)作為分節(jié)點(diǎn)。

      以太網(wǎng)接入設(shè)備包括：工程師站，服務(wù)器，工作站，PLC站。

      工程師站為工程師調(diào)試維護(hù)系統(tǒng)之用，安裝有Step7，Wincc開發(fā)版 SIMATIC NET 等軟件。系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，工程師站點(diǎn)不作任何操作，當(dāng)修改PLC梯形圖程序或服務(wù)器組態(tài)數(shù)據(jù)損壞時(shí)，可以從工程師站重新下載PLC梯形圖和組態(tài)數(shù)據(jù)。

      服務(wù)器Wincc組態(tài)畫面、數(shù)據(jù)等是從工程師站下載而來的。服務(wù)器主要是與PLC站點(diǎn)通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)控PLC站點(diǎn)狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)選設(shè)置，存儲(chǔ)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)，同時(shí)把組態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享給各工作站，工作站不直接與PLC通訊，所有的數(shù)據(jù)均讀自服務(wù)器。服務(wù)器上預(yù)留MES系統(tǒng)接口。

      工作站是操作員直接參與生產(chǎn)控制的人機(jī)界面。操作員在工作站登陸服務(wù)器Wincc組態(tài)，輸入用戶名和密碼，Wincc自動(dòng)根據(jù)權(quán)限顯示不同的畫面?？蓪?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、操作、報(bào)警、記錄、報(bào)表和打印等功能所有數(shù)據(jù)均來自服務(wù)器，不保存任何數(shù)據(jù)。

PLC站點(diǎn)直接控制各設(shè)備，采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)傳送到服務(wù)器。

      車間原來由15套PLC系統(tǒng)組成，其中一部份為SIEMENS公司老一代的S5 PLC，一部分為國產(chǎn)華光PLC,舊的PLC系統(tǒng)已使用多年，大部分型號(hào)PLC已經(jīng)停產(chǎn)，庫存配件已近枯竭，很難滿足生產(chǎn)要求，完全可以淘汰。

      S7系統(tǒng)PLC為SIEMENSS5系列PLC更新?lián)Q代產(chǎn)品，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和接線設(shè)計(jì)上有很大的延續(xù)性,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用S7系列PLC替換S5系列。國產(chǎn)PLC也同時(shí)替換為S7系列PLC。

根據(jù)客戶要求增加工頻率PLC系統(tǒng)一套。

      其中光纖交換機(jī)和服務(wù)器，是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，為提高可靠性, 單獨(dú)提供不間斷電源（UPS）供電，服務(wù)器設(shè)置兩臺(tái)互為備用。服務(wù)器Wincc組態(tài)根據(jù)說登陸的工作站名稱不同，自動(dòng)按權(quán)限顯示不同的畫面，防止不同站點(diǎn)的操作員誤操作。

      組態(tài)冗余系統(tǒng)，通過兩個(gè)互連服務(wù)器的并行操作和故障時(shí)自動(dòng)切換服器，若其中一臺(tái)服務(wù)器故障，客戶機(jī)終端將自動(dòng)切換到冗余服務(wù)器，若故障服務(wù)器恢復(fù)正常后，所有測(cè)量值檔案和報(bào)警檔案將被自動(dòng)同步比較和更新。組態(tài)冗余系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的可靠性、降低停機(jī)時(shí)間、可增強(qiáng) WinCC 和系統(tǒng)的總體可靠性。

以太網(wǎng)站點(diǎn)IP分配

4.2組態(tài)及程序

      在 STEP 7 的 全集成自動(dòng)化框架內(nèi)組態(tài)管理 WinCC 工程項(xiàng)目。這種方式下, WinCC中不用組態(tài)變量和通訊,在 STEP 7中定義的變量和通訊參數(shù)可以直接傳輸?shù)絎inCC 中。工程組態(tài)任務(wù)量可送還減少一半以上，并且可以減少組態(tài)錯(cuò)誤的發(fā)生。

      全集成自動(dòng)化的還可提供對(duì)重要的集成診斷功能。與其它SIMATIC組件相連接，SIMATIC WinCC支持對(duì)正在運(yùn)行的系統(tǒng)和過程的診斷，即

－  直接從WinCC進(jìn)入STEP 7硬件診斷。

－  從WinCC畫面調(diào)用STEP 7程序塊。

－  應(yīng)用WinCC通道診斷軟件的通訊連接診斷。

－  應(yīng)用WinCC/ProAgent的可靠的過程診斷。

      S5系列PLC要進(jìn)行淘汰，其中的梯形圖必須轉(zhuǎn)化為S7梯形圖，可以通過SIEMENS提供的Converting S5 Files軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

      國產(chǎn)華光PLC梯形圖可以手工轉(zhuǎn)換為S7梯形圖。由于梯形圖較長(zhǎng)，也可以采用自編程序?qū)θA光PLC原程序STL語言解析轉(zhuǎn)化為S7源程序。

      原PLC站點(diǎn)之間采用硬件I\O方式通訊，易出故障，且不易更改。在新的系統(tǒng)中，PLC站點(diǎn)的通訊將采用以太網(wǎng)方式，提高穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

      對(duì)于相隔距離較遠(yuǎn)的單臺(tái)設(shè)備,則通過Profibus  DP 現(xiàn)場(chǎng)總線將PLC與現(xiàn)場(chǎng)級(jí)連接ET-200分布式I/O模塊之間的快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，具有快速的響應(yīng)時(shí)間和高抗干擾度。并且大大減少控制電纜的敷設(shè)。

      利用SIMATIC公司PLC支持多任務(wù)工作功能,將原來工藝關(guān)聯(lián)性很大的多個(gè)PLC系統(tǒng)程序合并到一個(gè)PLC中進(jìn)行統(tǒng)一控制。硬件上通過Profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線連接現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程擴(kuò)展機(jī)站。

      在危險(xiǎn)區(qū)設(shè)計(jì)布防視頻監(jiān)控系統(tǒng)。使用網(wǎng)絡(luò)視頻軟件，可以實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)多地方共享。

5現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)試

      1 首先構(gòu)建整個(gè)車間的光纖和以太網(wǎng)架構(gòu)，這樣調(diào)試過程中可多人協(xié)同工作，程序調(diào)試和上位機(jī)調(diào)試可同時(shí)進(jìn)行。

      2 核查原PLC控制柜的外接線路與PLC程序的準(zhǔn)確性，統(tǒng)計(jì)好線路和元件改動(dòng)和增加部分的工作內(nèi)容。對(duì)原S5 PLC，可以保留原有柜體和低壓器件等元器件、只需按S7更改相應(yīng)配線成柜即可，降低了改造費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于非SIEMENS品牌PLC，由于線路差別太大！則從新設(shè)計(jì)控制柜。

      3 現(xiàn)場(chǎng)部分老化電纜的更換, 不良接近開關(guān)、光電開關(guān)、電磁閥及部分MCC柜內(nèi)部分元器件的更換和增加,新增的數(shù)字量、模擬量信號(hào)電纜的敷設(shè)，這可以避免PLC程序調(diào)試過程中的大量錯(cuò)誤干擾。

      4 利用車間計(jì)劃的停產(chǎn)檢修時(shí)間（1.5～～2天/周）內(nèi),每個(gè)星期完成改造一套PLC, 詳細(xì)實(shí)施步驟為:

※   對(duì)柜內(nèi)原系統(tǒng)的模塊、接線端子進(jìn)行檢查、核對(duì)、線號(hào)標(biāo)記和拆卸；對(duì)每個(gè)進(jìn)出電控柜的線路進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)標(biāo)記和拆卸。（部分柜體整體拆卸）。

※   在原柜內(nèi)，按新設(shè)計(jì)圖S7－400/300系統(tǒng)的模塊、新增元器件、接線端子安裝、電源線路、I/O線路接線（對(duì)部份柜體需整體拆卸后在原位安裝新柜，按新設(shè)計(jì)圖完成接線）。

※   程序下載及調(diào)試。

      5 視頻監(jiān)控部分的施工和調(diào)試。

      6 系統(tǒng)整體調(diào)試成功后，對(duì)模擬屏和現(xiàn)場(chǎng)部份廢棄的操作柜（臺(tái)）拆除。

6車間控制系統(tǒng)改造自動(dòng)化水平

      1 改造后的控制系統(tǒng)具備強(qiáng)大的組網(wǎng)功能以及開放的網(wǎng)絡(luò)功能，可以便捷的與其它網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

      2 通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間設(shè)備的操作與監(jiān)控，人機(jī)界面全面實(shí)現(xiàn)如下功能 ：圖形制作功能、控制組態(tài)功能、程序監(jiān)控功能、事故報(bào)警功能、故障診斷功能、數(shù)據(jù)記錄功能、報(bào)表打印功能、網(wǎng)絡(luò)通訊功能、權(quán)限管理功能、改造工作內(nèi)容。

      3 改造后的控制系統(tǒng)保留了設(shè)備的就地操作功能，以確保生產(chǎn)設(shè)備的可操控性，保障生產(chǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行

7結(jié)束語

      1 該控制系統(tǒng)升級(jí)改造工程歷時(shí)四個(gè)月，經(jīng)過精心的方案設(shè)計(jì)，周密的施工準(zhǔn)備，合理的施工安排，使車間的改造工作沒有造成企業(yè)停產(chǎn)，保證了大型電解鋁生產(chǎn)的原料工作供應(yīng)，不但沒有給企業(yè)帶來停產(chǎn)的損失，還將改造的成本降到最小。

      2 設(shè)備狀態(tài)及性能穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)功能指標(biāo)均達(dá)到用戶的工藝要求。系統(tǒng)的穩(wěn)定性不僅得到徹底的改觀，系統(tǒng)性能也得到提升。設(shè)備用戶重新掌控了設(shè)備的可用、可靠和可維護(hù)性，用戶不再受制于設(shè)備的不穩(wěn)定。昂貴的進(jìn)口設(shè)備又煥發(fā)出青春的活力。

參考文獻(xiàn):

1、《Wincc組態(tài)》，西門子公司