腈纶纺丝生产线监控系统设计

李江平

(中国石油化工股份有限公司安庆分公司,安徽 安庆 246002)

腈纶纺丝生产线监控系统设计

李江平

(中国石油化工股份有限公司安庆分公司,安徽 安庆 246002)

针对腈纶纺丝生产线缺少上位机监控系统给生产带来不便这一现状,基于WinCC设计了监控系统,并编写了对应的监控程序。系统具备异常信号报警、历史数据归档、现场过程数据实时监视等功能。介绍了动态界面、报警界面、趋势界面的组态以及WinCC与PLC之间的通信。多年运行结果表明,该监控系统控制方便、工作稳定、实用性强,为生产线的长期平稳运行创造了良好的环境和条件。

腈纶纺丝 监控 组态 WinCC PLC

0 引言

工业监控系统集数据的实时采集、处理、设备检测和控制于一体,以直观友好的人机界面实现了对生产线的监控,极大地提高了生产线的效率。目前,国内外较多采用基于现场总线的监控系统和基于计算机网络的监控系统[1-3]。

在腈纶纺丝控制系统中,上位机即工控机采用WindowsNT+WinCC作为软件平台,通过多点接口(multi point interface,MPI)网络与S7-300 PLC连接,PLC再通过Profibus与生产线上的驱动设备连接,从而构成一个稳定并易于扩充的硬件环境。

在充分了解腈纶纺丝生产工艺的情况下,设计了基于WinCC的腈纶纺丝线监控系统,对现场设备进行监控组态。通过人机界面对话,可以实现文件历史数据的记录、故障的自动诊断/报警以及动态画面的演示等功能,从而对整个系统工艺流程进行实时监控。运行结果表明,该系统控制方便、工作稳定、实用性强。

1 腈纶纺丝线控制系统简介

1.1 腈纶纺丝工艺流程

腈纶纺丝生产线分为前纺和后纺两个工段,其工艺流程可以概述为:将聚合原液装置制备的纺丝原液经成型、牵伸、水洗、定型、卷曲等工艺加工成腈纶长丝束,以丝束形式出厂,或由成品装置加工成短纤维,也可由毛条装置加工成毛条。图1为腈纶纺丝生产工艺的流程图,其中F1～F15为前纺工段,F16～F20为后纺工段。

图1 腈纶纺丝生产工艺流程图Fig.1 The technological process of acrylic spinning production

1.2 腈纶生产线控制系统结构

本项目共有6条设计功能相同的纺丝生产线,每条生产线由17台不同功率的变频器构成相应的电力拖动部分。为提高控制系统的可靠性,另外设计了一条备用控制系统。其控制设备与生产线上的控制设备相同,并采用“一备多”的方法,即当某条生产线上的变频器发生故障需要维护时,可用备用线相应工位的变频器进行备用。

在控制网络结构上,采用MPI和Profibus-DP构建了3层分布式网络结构。其中监控级完成全厂6条生产线的监控、数据的采集与管理以及控制软件的上传与下载等,现场级采用两层实时性好的通信网络,完成现场设备的控制、信号的采集与传输。

系统结构如图2所示。系统采用MPI网作为监控级的通信网络,由备用PLC控制站、工控机作为网络节点,由备用线PLC将生产线的运行参数通过MPI网络发给上位机,供监控之用。同时,备用的PLC控制站作为7#Profibus-DP的主站,备用线变频器F1～F20和6条生产线的PLC控制站作为7#Profibus-DP的从站。对于每条生产线的Profibus-DP网络,生产线的PLC控制站为主站,17台变频器和分布式I/O(ET200M)为从站。

图2 控制系统结构图Fig.2 Structure of the control system

图2中,TDS-PA01为总线适配器,INV为变频器。

2 监控系统设计

WinCC是由西门子公司开发的工业监控组态软件,拥有丰富的图形库、工具箱和操作向导。由于采用可视化的组态方式,从而减少了工作人员在软件设计过程中的重复性工作,提高了开发效率,缩短了开发周期[4-5]。此外,在Step7中集成WinCC项目,将使PLC与WinCC之间的通信变得非常方便。

2.1 系统监控程序设计步骤

基于WinCC设计人机界面,可按如下步骤进行。

①启动WinCC,新建项目。

②打开变量管理器,选择添加PLC的驱动程序,配置MPI协议系统参数。

③打开Step7,组态PC Station与AS站的通信网络连接。

④将Step7中的变量等信息传送给WinCC。

⑤制作监控画面;制作数据归档、报表、报警等。

⑥编译、下载、调试。

2.2 监控系统画面组态

本项目的监控系统具有一系列的监控界面,这些都是在WinCC的图形编辑器中进行编辑和动态链接,相互之间可以切换。下面介绍基于WinCC组态软件设计的监控画面及其编程。

2.2.1 项目建立

第一次运行WinCC时会出现一个对话框,选择建立新项目的类型(有单用户、多用户、客户机项目3种),确定项目名并为项目选择路径。通过在WinCC与自动化系统间组态一个通信连接,就可以用WinCC来访问自动化系统(PLC)的当前过程值。

2.2.2 变量管理

WinCC的变量管理器负责管理WinCC中所使用的所有变量,包括外部变量、内部变量和脚本变量。

WinCC的外部变量也称为过程变量,由外部过程为其提供变量值,一般用于WinCC与PLC间的通信。内部变量指过程没有为其提供变量值的那些变量,使用时不需要建立相应的通道连接,多用于WinCC项目的调试阶段,例如,用于实现画面的动态效果[6-7]。在实现本系统监控画面的动态演示中,用到的内部变量数据类型有二进制数和无符号整型数。在WinCC的全局脚本及画面脚本中可以定义并使用变量,这些变量称为脚本变量,只能在其定义时所规定的范围内使用。

2.2.3 过程画面组态

WinCC的图形编辑器用于创建过程画面并使其动态化。为使监控界面中的辊子出现转动效果,以F6辊子为例,其设计过程如下。

在全局脚本中建一个C动作,触发方式选为250 ms周期触发,并编制程序:

其中,"S7$Program(7)/PLC_COM.L2F6_running")是PLC中的F6的运行状态(1表示运行,0表示停止)。

在绘图区绘制12幅辊子转过不同转角的状态图,并将它们分别导出到一个文件夹中,保存为.emf格式的图像文件;接着,在图形编辑器的右侧对象选项板中,选择智能对象中的状态显示对象,在弹出的变量选择对话框中选择与其相连的内部变量“run6”,并将更新(变量变化后其所连接状态画面的变化时间)选为根据变化;最后,选择12幅画面各自对应的变量(“run6”)的值(0～11),便组态好了辊子转动的画面。状态画面的数量越多,动态显示效果越连贯。

采用同样的绘制方法可进行动态显示流程图中丝束的移动、松弛垂环的上下移动等,变频器的状态可以通过相应工位的辊子下面的状态栏显示。

WinCC图形编辑器中还包含输入/输出域、棒图、图形对象等智能对象,以及按钮、复选框、滚动条等窗口对象。正确使用这些图形对象便可绘出符合要求的过程画面。其中输入输出域可用于变频器频率和电流的显示,只需选择相对应的变量连接即可。利用按钮对象及其属性的设置,可实现不同监控画面之间的动态切换,从而管理各监控画面[6-8]。

2.2.4 归档过程变量

利用WinCC组态软件具有的变量记录器,在定义了采样类型、周期以及归档周期等属性之后,数据库采用循环刷新方式存储历史数据以及报警信息,即通过周期性的方式或事件触发的方式记录变量值并且存于系统自动生成的数据库中,以防丢失数据。采样之后的过程值可以做一些运算(如求平均值、最大值等),之后再归档或者直接归档。

在图形编辑器中,利用WinCC组态软件提供的ActiveX控件(WinCC Online Trend Control和WinCC Online Table Control),将归档过程值以曲线和表格的形式显示在系统的监控画面或者采用打印机输出。其中,WinCC Online Table Control控件可以对频率变量进行数据记录;WinCC Online Trend Control控件可以对频率变量历史数据进行归档。系统运行趋势图如图3所示。

图3 系统运行趋势图Fig.3 Trend graphic of system running

2.2.5 报警画面组态

及时对出现或可能出现的故障报警,对保证工业现场环境的安全是十分重要的。在WinCC中,系统会采用报警记录编辑器负责消息的采集并且显示、确认和归档过程信息。WinCC中的消息系统提供有关操作状态和过程故障状态的信息,由于能提早通知每一个临界状态,进而可以避免停机或缩短停机时间。如果需要对消息编辑属性,可以通过组态软件信息块中的用户文本块、过程块以及系统块进行编辑。当出现报警信息时,系统将报警信息保存在硬盘的报警档案中,并借助WinCC Alarm Control控件将这些报警信息及时显示出来。

通过对生产现场过程量报警组态,可以对变频器过电流、过电压以及松弛环路位置超限进行报警,利于提高系统运行的连续性、平稳性和安全性,并减少操作工消除故障恢复生产的时间。

3 WinCC项目在Step7项目中的集成

集成式组态,是指在Step7项目中组态管理WinCC工程。作为全集成自动化的一个部分,在Step7中可以对WinCC项目进行集成[9]。如果把WinCC的项目文件集成在Step7项目中,则可以在WinCC中直接调用Step7变量。

为实现WinCC项目在Step7中的集成,必须在同一台计算机上安装WinCC和Step7,且必须是先安装Step7,后安装WinCC,Step7与WinCC的版本必须兼容。在Step7项目中,可以在Simatic Manager里新建WinCC项目,也可以对已有的WinCC项目进行集成。当采用集成组态方式时,WinCC中不需要采用组态变量和通信,在Step 7中定义的通信参数和变量可直接传输到WinCC中。采用集成式组态的组态任务量可减少一半以上,并且可以减少组态错误的发生。鉴于上述原因,本项目采用集成式组态方式。

4 结束语

本文基于WinCC组态软件,设计了腈纶纺丝生产线监控系统。该系统人机界面美观、操作方便、运行稳定,在确保腈纶纺丝生产线长期连续平稳运行工作中发挥了重要作用。事实证明,WinCC是优良的工业组态软件,利用WinCC能够较快地完成监控系统的设计工作,易于安装、维护和使用。

[1] 苏彬.PROFIBUS总线在腈纶高速纺丝系统中的应用[J].工业控制计算机,2012(10):25-10.

[2] 苏敏.腈纶产品差别化率创新高[J].中国石化报,2013,19(6): 45-48.

[3] 周晓慧,许传军.印染生产线监控系统设计与实现[J].机电工程,2008,125(1):27-30.

[4] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[5] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[6] 葛锁良,汪璇炫.WinCC在石灰窑系统过程参数控制中的应用[J].电气传动,2004,34(S):272-275.

[7] 田建创,韩进.WinCC和S7-300在带式除尘器监控系统中的应用[J].电气自动化,2004,26(5):73-74.

[8] 张松涛,任光.WinCC在浓相输送监控系统中的应用[J].电气应用,2005,20(2):92-94.

[9] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京:航空航天大学出版社,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年毕业于华东化工学院生产过程自动化专业,学士学位,高级工程师;主要从事自动化技术的管理工作。