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庫馬克 碳素廠組裝車間信息化集成應用

時間:2010-07-08 10:35:48來源:zhangting

導語:?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,進行說明。

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

      隨著計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展,以太網(wǎng)在工業(yè)控制領域發(fā)展迅速。與以往現(xiàn)場總線相比,工業(yè)以太網(wǎng)提供一個開放的標準,可以實現(xiàn)企業(yè)從現(xiàn)場控制到管理層全面的無縫聯(lián)接,解決了由于協(xié)議的不同而導致信息孤島的問題。

      但是當前有一大部分較早建立的工廠,由于當時技術限制,信息化程度不高,數(shù)據(jù)采用手工統(tǒng)計等落后管理方式。對于這一部分的工廠,如何進行有效信息化改造,是一個值得研究的方向。

      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,進行說明。

 

2 現(xiàn)狀描述

      該碳素廠組裝車間建設于90年代初期,其工藝和電氣的設計起點較高,工藝上采用了先進的懸掛式輸送機來連接陽極組裝車間各工位,設備配置先進而且齊全,主要設備都是引進德國KHD公司的先進設備。其電氣控制系統(tǒng)設計也采用了先進的PLC控制方式,采用的PLC為當時的主流產(chǎn)品,其中的PLC分為兩種:引進設備采用SIEMENSS5系列,采用SIEMENSS5系列PLC控制的設備有6鐵環(huán)壓脫機、7鐵環(huán)壓脫機、8鐵環(huán)壓脫機、澆鑄站、殘極壓脫、殘極破碎、電解質清理、導桿清理、導桿矯直系統(tǒng),懸鏈系統(tǒng)、新陽極輸送、裝卸站、電解質二次破碎、沾石墨、500噸破碎機等系統(tǒng);國產(chǎn)設備采用國產(chǎn)華光SG-8、SU-6系列,采用華光SG-8、SU-6系列PLC控制的設備有懸掛式輸送機、新陽極輸送、殘極裝卸站、電解質二次破碎等系統(tǒng)。

      這些控制系統(tǒng)雖然設計起點都比較高,但都屬于早期的、老式的產(chǎn)品,各設備之間采用硬件聯(lián)接易出故障,缺乏統(tǒng)一網(wǎng)絡化的管理,使得生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、歸檔、統(tǒng)計、報表等方面的工作都不得不靠人工進行。因而,需要對控制系統(tǒng)進行升級改造,以實現(xiàn)集中化控制網(wǎng)絡化管理。

3系統(tǒng)要求和預期

      1 改造后的控制系統(tǒng)應具備強大的組網(wǎng)功能以及開放的網(wǎng)絡功能,以便于接入預期的碳素廠生產(chǎn)MES系統(tǒng),也便于與其它網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換。

      2 改造后的控制系統(tǒng)應能全面實現(xiàn)監(jiān)控、操作、報警、記錄、報表和打印等功能。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)應是新型的、先進的自動化控制系統(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)設備的安全、穩(wěn)定和可靠運行。

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

      5 改造后的控制系統(tǒng)應具備改造前控制系統(tǒng)所具備的的控制要求和功能,同時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)應保留設備的就地操作功能,以確保生產(chǎn)設備的可操控性,保障生產(chǎn)設備的安全運行。

4方案設計

4.1網(wǎng)絡構架

      根據(jù)現(xiàn)狀以及系統(tǒng)要求,工業(yè)以太網(wǎng)采用星形拓撲結構進行組網(wǎng),核心節(jié)點都采用光纖交換機,其中中央控制室設置一個節(jié)點,中頻爐、五百噸破碎、二次電解質破碎控制室分別設置一個光纖交換機作為分節(jié)點。

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

      工程師站為工程師調試維護系統(tǒng)之用,安裝有Step7,Wincc開發(fā)版 SIMATIC NET 等軟件。系統(tǒng)運行正常時,工程師站點不作任何操作,當修改PLC梯形圖程序或服務器組態(tài)數(shù)據(jù)損壞時,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。服務器主要是與PLC站點通訊,實時監(jiān)控PLC站點狀態(tài),并根據(jù)預選設置,存儲生產(chǎn)中的數(shù)據(jù),同時把組態(tài)和實時數(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)均讀自服務器。服務器上預留MES系統(tǒng)接口。

      工作站是操作員直接參與生產(chǎn)控制的人機界面。操作員在工作站登陸服務器Wincc組態(tài),輸入用戶名和密碼,Wincc自動根據(jù)權限顯示不同的畫面。可實現(xiàn)實時監(jiān)控、操作、報警、記錄、報表和打印等功能所有數(shù)據(jù)均來自服務器,不保存任何數(shù)據(jù)。

 

PLC站點直接控制各設備,采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)傳送到服務器

      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)品結構和接線設計上有很大的延續(xù)性,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,采用S7系列PLC替換S5系列。國產(chǎn)PLC也同時替換為S7系列PLC。

 

根據(jù)客戶要求增加工頻率PLC系統(tǒng)一套。

      其中光纖交換機和服務器,是系統(tǒng)的關鍵設備,為提高可靠性, 單獨提供不間斷電源(UPS)供電,服務器設置兩臺互為備用。服務器Wincc組態(tài)根據(jù)說登陸的工作站名稱不同,自動按權限顯示不同的畫面,防止不同站點的操作員誤操作。

      組態(tài)冗余系統(tǒng),通過兩個互連服務器的并行操作和故障時自動切換服器,若其中一臺服務器故障,客戶機終端將自動切換到冗余服務器,若故障服務器恢復正常后,所有測量值檔案和報警檔案將被自動同步比較和更新。組態(tài)冗余系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的可靠性、降低停機時間、可增強 WinCC 和系統(tǒng)的總體可靠性。

 

以太網(wǎng)站點IP分配

PLC

1#裝卸站

192.168.0.1

2#懸鏈

192.168.0.2

3#二次電解質破碎

192.168.0.3

4#殘極壓托

192.168.0.4

5#采集破碎

192.168.0.5

6#鐵環(huán)壓脫

192.168.0.6

7#鐵環(huán)壓脫

192.168.0.7

8#鐵環(huán)壓脫

192.168.0.8

11#導桿清理

192.168.0.11

12#沾石墨

192.168.0.12

14#澆鑄站

192.168.0.14

15#新陽極輸送

192.168.0.15

500噸破碎

192.168.0.16

中頻爐

192.168.0.17

PC

工程師站(ES)

192.168.0.100

服務器1

192.168.0.201

服務器2

192.168.0.202

工作站(中控室)

192.168.0.203

工作站(中控室)

192.168.0.204

工作站(二次電解質破碎)

192.168.0.205

工作站(500噸破碎)

192.168.0.206

工作站(中頻爐)

192.168.0.207

工作站(中頻爐)

192.168.0.208

 

4.2組態(tài)及程序

      在 STEP 7 的 全集成自動化框架內組態(tài)管理 WinCC 工程項目。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)任務量可送還減少一半以上,并且可以減少組態(tài)錯誤的發(fā)生。

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

-  直接從WinCC進入STEP 7硬件診斷。

-  從WinCC畫面調用STEP 7程序塊。

-  應用WinCC通道診斷軟件的通訊連接診斷。

-  應用WinCC/ProAgent的可靠的過程診斷。

      S5系列PLC要進行淘汰,其中的梯形圖必須轉化為S7梯形圖,可以通過SIEMENS提供的Converting S5 Files軟件進行轉換。

      國產(chǎn)華光PLC梯形圖可以手工轉換為S7梯形圖。由于梯形圖較長,也可以采用自編程序對華光PLC原程序STL語言解析轉化為S7源程序。

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

      對于相隔距離較遠的單臺設備,則通過Profibus  DP 現(xiàn)場總線將PLC與現(xiàn)場級連接ET-200分布式I/O模塊之間的快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換,具有快速的響應時間和高抗干擾度。并且大大減少控制電纜的敷設。

      利用SIMATIC公司PLC支持多任務工作功能,將原來工藝關聯(lián)性很大的多個PLC系統(tǒng)程序合并到一個PLC中進行統(tǒng)一控制。硬件上通過Profibus 現(xiàn)場總線連接現(xiàn)場的遠程擴展機站。

      在危險區(qū)設計布防視頻監(jiān)控系統(tǒng)。使用網(wǎng)絡視頻軟件,可以實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡多地方共享。

5現(xiàn)場施工調試

      1 首先構建整個車間的光纖和以太網(wǎng)架構,這樣調試過程中可多人協(xié)同工作,程序調試和上位機調試可同時進行。

      2 核查原PLC控制柜的外接線路與PLC程序的準確性,統(tǒng)計好線路和元件改動和增加部分的工作內容。對原S5 PLC,可以保留原有柜體和低壓器件等元器件、只需按S7更改相應配線成柜即可,降低了改造費用和風險。對于非SIEMENS品牌PLC,由于線路差別太大!則從新設計控制柜。

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

      4 利用車間計劃的停產(chǎn)檢修時間(1.5~~2天/周)內,每個星期完成改造一套PLC, 詳細實施步驟為:

※   對柜內原系統(tǒng)的模塊、接線端子進行檢查、核對、線號標記和拆卸;對每個進出電控柜的線路進行分類統(tǒng)計標記和拆卸。(部分柜體整體拆卸)。

※   在原柜內,按新設計圖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(對部份柜體需整體拆卸后在原位安裝新柜,按新設計圖完成接線)。

※   程序下載及調試。

      5 視頻監(jiān)控部分的施工和調試。

      6 系統(tǒng)整體調試成功后,對模擬屏和現(xiàn)場部份廢棄的操作柜(臺)拆除。

 

6車間控制系統(tǒng)改造自動化水平

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

      2 通過上位機實現(xiàn)整個車間設備的操作與監(jiān)控,人機界面全面實現(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、事故報警功能、故障診斷功能、數(shù)據(jù)記錄功能、報表打印功能、網(wǎng)絡通訊功能、權限管理功能、改造工作內容。

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

7結束語

      1 該控制系統(tǒng)升級改造工程歷時四個月,經(jīng)過精心的方案設計,周密的施工準備,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,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 設備狀態(tài)及性能穩(wěn)定可靠,各項功能指標均達到用戶的工藝要求。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。設備用戶重新掌控了設備的可用、可靠和可維護性,用戶不再受制于設備的不穩(wěn)定。昂貴的進口設備又煥發(fā)出青春的活力。

 

參考文獻:

1、《Wincc組態(tài)》,西門子公司

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