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

      隨著計算機網絡技術的發展，以太網在工業控制領域發展迅速。與以往現場總線相比，工業以太網提供一個開放的標準，可以實現企業從現場控制到管理層全面的無縫聯接，解決了由于協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，數據采用手工統計等落后管理方式。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以太網改造工程為例，進行說明。

2 現狀描述

      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^＃鐵環壓脫機、7^＃鐵環壓脫機、8^＃鐵環壓脫機、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，懸鏈系統、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；國產設備采用國產華光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。

      這些控制系統雖然設計起點都比較高，但都屬于早期的、老式的產品，各設備之間采用硬件聯接易出故障，缺乏統一網絡化的管理，使得生產數據的采集、歸檔、統計、報表等方面的工作都不得不靠人工進行。因而，需要對控制系統進行升級改造，以實現集中化控制網絡化管理。

3系統要求和預期

      1 改造后的控制系統應具備強大的組網功能以及開放的網絡功能，以便于接入預期的碳素廠生產MES系統，也便于與其它網絡進行數據交換。

      2 改造后的控制系統應能全面實現監控、操作、報警、記錄、報表和打印等功能。在滿足生產需求的前提下，盡可能減免常規二次儀表。

      3 改造后的控制系統應是新型的、先進的自動化控制系統，以保證改造后的控制系統的安全性、穩定性和可靠性，以保障生產設備的安全、穩定和可靠運行。

      4 改造后的控制系統應具備易擴展性，便于系統自身容量的擴展。

      5 改造后的控制系統應具備改造前控制系統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 改造后的控制系統應保留設備的就地操作功能，以確保生產設備的可操控性，保障生產設備的安全運行。

4方案設計

4.1網絡構架

      根據現狀以及系統要求，工業以太網采用星形拓撲結構進行組網，核心節點都采用光纖交換機，其中中央控制室設置一個節點，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點。

      以太網接入設備包括：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之用，安裝有Step7，Wincc開發版 SIMATIC NET 等軟件。系統運行正常時，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數據損壞時，可以從工程師站重新下載PLC梯形圖和組態數據。

      服務器Wincc組態畫面、數據等是從工程師站下載而來的。服務器主要是與PLC站點通訊，實時監控PLC站點狀態，并根據預選設置，存儲生產中的數據，同時把組態和實時數據共享給各工作站，工作站不直接與PLC通訊，所有的數據均讀自服務器。服務器上預留MES系統接口。

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

PLC站點直接控制各設備，采集生產數據，通過以太網傳送到服務器。

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

      S7系統PLC為SIEMENSS5系列PLC更新換代產品，在產品結構和接線設計上有很大的延續性,根據現場實際情況，采用S7系列PLC替換S5系列。國產PLC也同時替換為S7系列PLC。

根據客戶要求增加工頻率PLC系統一套。

      其中光纖交換機和服務器，是系統的關鍵設備，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組態根據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。

      組態冗余系統，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。組態冗余系統可以提高系統的可靠性、降低停機時間、可增強 WinCC 和系統的總體可靠性。

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4.2組態及程序

      在 STEP 7 的 全集成自動化框架內組態管理 WinCC 工程項目。這種方式下, WinCC中不用組態變量和通訊,在 STEP 7中定義的變量和通訊參數可以直接傳輸到WinCC 中。工程組態任務量可送還減少一半以上，并且可以減少組態錯誤的發生。

      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。在新的系統中，PLC站點的通訊將采用以太網方式，提高穩定性和擴展性。

      對于相隔距離較遠的單臺設備,則通過Profibus  DP 現場總線將PLC與現場級連接ET-200分布式I/O模塊之間的快速、循環的數據交換，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,將原來工藝關聯性很大的多個PLC系統程序合并到一個PLC中進行統一控制。硬件上通過Profibus 現場總線連接現場的遠程擴展機站。

      在危險區設計布防視頻監控系統。使用網絡視頻軟件，可以實現視頻網絡多地方共享。

5現場施工調試

      1 首先構建整個車間的光纖和以太網架構，這樣調試過程中可多人協同工作，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 視頻監控部分的施工和調試。

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

6車間控制系統改造自動化水平

      1 改造后的控制系統具備強大的組網功能以及開放的網絡功能，可以便捷的與其它網絡進行數據交換。

      2 通過上位機實現整個車間設備的操作與監控，人機界面全面實現如下功能 ：圖形制作功能、控制組態功能、程序監控功能、事故報警功能、故障診斷功能、數據記錄功能、報表打印功能、網絡通訊功能、權限管理功能、改造工作內容。

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

7結束語

      1 該控制系統升級改造工程歷時四個月，經過精心的方案設計，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停產，保證了大型電解鋁生產的原料工作供應，不但沒有給企業帶來停產的損失，還將改造的成本降到最小。

      2 設備狀態及性能穩定可靠，各項功能指標均達到用戶的工藝要求。系統的穩定性不僅得到徹底的改觀，系統性能也得到提升。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定。昂貴的進口設備又煥發出青春的活力。

參考文獻:

1、《Wincc組態》，西門子公司