威海西门子PLC总代理商
威海西门子PLC总代理商
汽车油漆车间中央控制系统,担负着监控车间所有涂装工艺设备系统和输送设备系统的任务。它监控涂装过程中的重要生产工艺参数和生产设备的运行,以满足工艺质量和保证正常生产节拍的要求。本文采用了西门子公司的PLC技术、Profibus现场工业总线技术和WinCC工业组态软件SCADA技术,来构建该中央控制系统。本文将从系统概述及分析、系统网络构成、系统信息处理、系统中几个特殊问题处理等四方面详细论述该系统。本项目在2001年由我们承建,在2002年初投入运行。经过半年多的运行,实践证明,该系统达到原设计功能,安全可靠,能确保设备连续、可靠运行,满足高效、有序地组织大批量生产的要求。
关键字:中央控制系统 PLC技术现场工业总线 SCADA技术
一.系统概述及分析
上海大众汽车二厂油漆车间年产量为180,000台,日产量为 600台,生产节拍为 1.5分/台,车间输送链长度是 8029米,生产面积是 23,549平方米。
中央控制系统的组成
油漆车间中控室中央控制系统的控制对象,主要由两大部分组成:油漆工艺控制系统和输送控制系统。中央控制系统主要负责监控这两个系统的运行状态,协调这两个系统内各设备动作和这两个系统的之间各设备动作。油漆工艺和输送系统时刻要按照中央控制系统发出的指令所指示的工作方式运动,同时中央控制系统要时刻监视油漆工艺和输送系统的当前运动状态,按照预期制定的目标及时地进行调整和控制,以达到在中央控制系统的控制作用下,使油漆车间生产汽车涂装产品质量得到充分保证,使生产按照预定的生产节拍进行,使整个车间维持一种正常的生产运行。
a)油漆工艺控制系统
油漆工艺控制系统主要是围绕汽车涂装生产中各部分工艺过程,对其设备按照相应工艺要求进行控制和检测。油漆工艺车间汽车涂装工艺过程主要有预处理、电泳、密封、底漆和面漆等。油漆工艺控制系统要根据每一项工艺过程的具体工艺要求,通过控制装置PLC控制相应工艺设备和环境设备,例如:预处理和电泳工艺过程中的各种浸槽和喷淋设备,密封、底漆和面漆工艺过程中的喷胶或喷漆房设备和烘房设备,及各个工艺过程中控制温度、湿度、压力和风速的环境设备。油漆工艺控制系统主要目的是使各个工艺设备和环境设备按照工艺要求正常运行,以保证汽车涂装质量。
b)输送控制系统
输送控制系统主要控制油漆车间的输送链和升降运输系统。它贯穿着油漆车间的汽车涂装生产的全过程,即在输送链和升降机的输送作用下,使轿车白车身以一定的节拍,按照涂装工艺顺序,依次通过汽车涂装各个工艺设备和环境设备,完成相应涂装加工工艺。输送控制系统要通过控制装置PLC,控制分布在整个油漆车间的各段输送链和升降机运行。输送控制系统一方面要完成轿车白车输送、转挂和储存任务,另一方面还要按汽车涂装各部分工艺要求,对输送的车身还必须要在程序的控制下,实现升降、变节距、变速、摆动和倾斜等动作,从而保证油漆车间连续自动化生产。
系统控制装置PLC的分布全车间的油漆工艺和输送设备是由9台西门子公司 PLC控制的。在油漆工艺控制方面,按照工艺过程各PLC的具体的控制分工为:
在输送控制方面,按照区域划分,各PLC的具体的控制分工为:
中央控制系统的作用
油漆车间中控室中央控制系统通过工业计算机网络技术-现场工业总线 Profibus,把控制油漆工艺控制系统和输送控制系统的9台西门子公司 PLC连接起来,把原来车间里分散的单元控制,变成相互有机联系的统一的整体控制系统。同时,系统利用计算机控制和信息处理技术,实现系统对油漆车间的生产管理、工艺过程和设备运行的自动控制和监视,使油漆车间的汽车涂装生产始终处于正常状态。
二.系统网络的构成
由于中控室中央控制系统面对整个油漆生产车间,控制着各种生产设备的运行,它必须要做到实时采集全车间各个生产环节的信息,同时对其发出的控制指令要准确无误地送到全车间各个生产环节的设备上,并能监测执行情况。为了保障这些控制信息和检测信息畅通和准确的传递,中控室中央控制系统按照其功能构成了二个层次的网络。
上层信息管理网络
以中控室的工控机为主,还包括主PLC(E21),Duerr的PLC和信息交换中心S5-155U,共同构成上层信息管理网络,也是中控室中央控制系统对油漆车间的中心信息管理部分。这里主PLC(E21)同时还连接着油漆工艺控制系统和输送控制系统的PLC,所以主PLC(E21)起着上层信息管理网络和底层设备控制网络之间传递信息的作用。上层信息管理网络的硬件构成是建立在西门子公司的现场工业总线 Profibus网络基础上的,在每个网络站点分别插入 Profibus网卡:工控机上插入CP5613网卡,其他PLC上插入CP5431网卡。上层信息管理网络的结构图如图1。
图1上层信息管理网络的结构图
该网络的通讯协议是采用第二层数据链(Data bbbb),也就现场工业总线数据链FDL(Field Bus Data bbbb)。在该层次网络上,由于工控机上运行的的WinCC组态软件采取主动方式,需分别与其它站点通讯,所以WinCC组态软件与其它站点通过各自的逻辑接口点(SAP)建立相互的通讯链路层。上层信息管理网络的网络参数是通过COM5431软件配置的。
底层设备控制网络
在主PLC(E21)的框架上共插有两块通讯网卡,一块为CP5431,连接到上层信息管理网络,使主PLC(E21)构成为上层信息管理网络一部分;而另一块为CP5430,连接到底层设备控制网络,又使主PLC(E21)构成为底层设备控制网络一部分。所以主PLC(E21)起到了连接上层和底层网络的网关作用。底层设备控制网络主要作用是控制整个油漆车间的各个汽车涂装工艺流程的具体过程和各个输送链的相应运动,其途径就通过现场工业总线 Profibus网络,使油漆工艺控制系统的6台PLC和输送控制系的3台PLC,按照上层信息管理网络发出的控制指令,各自控制相应设备动作。同时,每台PLC一方面通过网络把自己的状态信息发送到相关的PLC上,一方面通过网络接受到其它PLC的状态信息,以决定下一步动作。这样由9台PLC控制的各种设备动作可以做到相互配合、相互联系和相互谐调,保证整个油漆车间能够连续正常生产。底层设备控制网络的结构图详见图2。
图2底层设备控制网络的结构图
该网络的通讯协议是并行采用两种,一种仍为现场工业总线数据链FDL方式,另一种为现场工业总线全局数据 (Globe Data)。
a)其它站点与主PLC(E21)的通讯,采用的是FDL方式。为此,主PLC(E21)分别与其它站点建立链路层。
b)底层设备控制网络中PLC之间的数据通讯,采用全局数据方式,既PLC之间交换数据通过对所定义的全局数据进行读写操作来完成。全局数据设置是通过COM5431软件。
三.系统的信息处理
在中控室里的工控机上运行着西门子公司的工业组态软件-WinCC。她主要任务是进行油漆车间中控室中央控制系统的信息处理工作。它要实时采集全车间各个工艺设备的状态信息,按照汽车涂装生产工艺要求,实时地对状态信息进行分析、归纳和综合,根据需要及时地对相应工艺设备发出控制指令,以控制和调整相应工艺设备的工作状态。在这里WinCC工业组态软件经过对系统的信息处理,可以有序地、安全地、可靠地和合理地控制着油漆车间汽车涂装生产的全过程。所以,WinCC工业组态软件是中控室中央控制系统的核心部分。
系统通过WinCC的信息处理,以图文并茂的人机界面形式,显示系统对各个工艺设备的控制过程,显示各个工艺设备的运行状态和各种生产、工艺信息,以及人为参与控制、调整有关生产和工艺参数的操作内容。其主要内容可大致分为以下几个方面:
汽车涂装生产工艺过程监控
根据汽车涂装生产工艺过程特点和工艺设备在车间的实际布局,比较形象地设计了一幅油漆工艺控制系统的主图(详见图3 )及每个工艺过程的子图(参见图4),其监控主要内容和对象按工艺过程被分类为如下:
图3油漆系统主画面
图4面漆烘房系统
a)预处理系统和电泳系统
(1)各种浸槽、水槽和备用槽的温度高低和液位高低;
(2)喷淋泵、输入泵、热水泵和各种溶剂泵的开停;
(3)排风扇和供风扇的控制与检测;
(4)电泳系统的供电控制与检测;
b)底漆喷漆房、面漆喷漆房、密封调胶房、调漆间、粗密封房、细密封房、电泳打磨房和底漆打磨房
(1)排风扇和供风扇的控制与检测;
(2)用于保证湿度的加湿泵和废水槽循环泵的开停;
(3)用于清除废碴的刮碴机的控制与检测;
(4)用于保证喷房内一定风速的风压保护装置的检测;
(5)用于油漆输送管路上防冻的保护装置的检测;
(6)预防火灾的消防报警;
c)电泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封胶烘房
(1)用于加热循环空气的热交换器风扇的控制;
(2)在电泳、底漆、面漆烘房出口处强冷风道的排风扇、供风扇和空气档扳控制;
(3)烘房内各工作区的温度检测;
(4)烘房内各工作区的燃烧点火控制;
(5)烘房内各工作区的热空气循环风扇的控制;
(6)用于废气燃烧的焚烧炉燃烧点火控制;
(7)焚烧炉内温度检测和循环风扇的控制;
(8)供烘房内和焚烧炉内燃烧的煤气压力检测;
(9)用于向大气排放前有毒气体燃烧的尾气燃烧器的控制;
(10)密封调胶房进口和出口热风幕的控制;
(11)表冷器状态检测;
温度和温度自动调节系统的监控
为了保证汽车油漆涂装质量,其中一个重要的条件是各个工艺过程的环境温度和湿度要稳定在规定的范围内。为此在各个工艺设备上都安装有单回路调节DR20,以构成闭环的温度和湿度控制回路,按照PID调节原理,使该处的温度和湿度自动地稳定在符合工艺要求的设定值上。由于这些单回路调节DR20通过网络连接现场PLC上,在中控室里的工控机上,通过WinCC可采集和设置这些单回路调节DR20的参数。所以,WinCC可以监视各个工艺过程的实际环境温度和湿度,也可以根据工艺要求,通过改变设定值来控制这些环境温度和湿度。请参见附录九。下面是参与自动调节的各个温度点和湿度点在工艺设备上分布:
a)预处理系统
(1)一、二、三和七区的热交换器温度;
(2)六区冷冻水温度和七区预热温度;
b)电泳系统
冷冻水热交换器温度;
c)电泳烘房、底漆烘房、面漆烘房和密封胶烘房
((1)一、二、三和四区的温度;
(2) 1#和2#焚烧炉的温度;
(3)热交换器温度;
(4)强冷风道的供风温度;
(5)尾气燃烧温度;
d)电泳打磨房和底漆打磨房
加温/冷却管温度;
e)底漆喷漆房、面漆喷漆房、粗密封房、细密封房和报交/整理
(1)加温/冷却管温度;
(2)加湿槽的湿度;
输送系统运行状态的控制与监测
该油漆车间输送系统采用的是积放式悬挂输送链,共有26条输送链,6台升降机。在中控室中央控制系统的统一控制和协调下,输送系统的PLC按照油漆车间各部分涂装工艺要求,控制各个输送链的相应运动,使系统完成被加工轿车的输送任务。在中控室WinCC工业组态软件的界面上,设有按照整个车间的实际位置绘制的输送控制系统的全局画面(详见图5),和按照区域的实际位置绘制的各个局部画面(参见图6)。在这些画面上可以比较详细地观察到这些输送链和升降机的具体位置和工作状态。WinCC可监控的内容可归纳成以下几个方面:
图5 输送控制系统的全局画面
图6 输送控制系统的局部画面
a)输送链运行的状态
(1)链条过紧;
(2)链条过松;
(3)压缩空气故障;
(4)驱动器运行状态;
(5)马达隔离开关打开;
(6)马达超温;
(7)转矩过载;
(8)变频器中断;
(9)变频器故障;
b) 升降机运行的状态(水平驱动和垂直驱动)
(1)马达隔离开关打开;
(2)马达超温;
(3)水平驱动:向前或向后超程;
(4)垂直驱动:向上或向下超程;
(5)水平驱动;转矩向前或向后过载;
(6)垂直驱动:转矩向上或向下过载;
(7)变频器中断;
(8)变频器故障;
c) 输送链控制装置的状态
(1)斜坡安全保护故障;
(2)道岔故障;
(3)停止器故障;
(4)生产急停;
(5)链与链的转换故障;
d)输送链的交通控制
(1)停止器之间在同一时间只准许一辆车;
(2)从停止器到双重空区开关;
(3)从停止器到空位开关和带计数器的停止器;
(4)从停止器到尾部计数储存区;
(4)岔道的控制;
(5)从一条轨道通过岔道进入两条轨道;
四.系统中几个特殊问题的处理
下面是在该工程项目进行中遇到的几个比较特殊问题的解决方法:
系统命令的执行顺序
在油漆车间中控室的WinCC的界面上,可以操作整个系统的停止与启动,系统可自动地按时间序续完成一系列动作:
a)自动启动(Auto Start)是指系统完全停止后在系统的控 制下按照顺序自动启动各种工艺设备,启动顺序的原则为先烘房点火升温,再预处理系统和电泳系统各种液槽加热升温,后开起供排风扇,启动过程约 3小时。
b)自动停止(Auto Stop)是用于节假日长时间停机,它是在系统的控制下,首先把所有液槽、喷房和烘房里小车排放干净,然后把小车输送到储存区,后关闭所有设备。
c)待机(Stand-By)是用于平时的短时间停机,它的操作过程除了焚烧炉以外,其它操作与自动停止都是相同的。在这里焚烧炉被控制在热备状态,即保持低温燃烧状态。
输送链和升降机故障诊断
输送系统由26条输送链和6台升降机组成,设备较多,分别进行故障诊断工作量大。为此,根据设备分类特点,编制了几个用于故障诊断的通用标准功能块FB,可以涵盖所有输送链和升降机设备。由于这些标准功能块FB可在程序中重复调用,不仅提高了工作效率,也提高了故障诊断的准确性。具体功能块FB说明如下:
a) FB30 HISPDCNV 快速输送链故障诊断
b) FB31 LOSPDCNV 低速输送链故障诊断
c) FB35 VFHZ 升降机水平驱动故障诊断
d) FB36 VFVR 升降机垂直驱动故障诊断
WinCC运行速度的提高
用于该系统的WinCC工业组态软件,其用户程序编制的比较庞大,使WinCC运行速度的降低,影响了系统功能。为此,我们采用下列方法提高WinCC运行速度,产生了较好的效果。
a)对于较复杂的逻辑运算和数学运算,尽量少使用WinCC的C脚本,好由PLC去作,WinCC只取后运算结果。
b)合理的设置WinCC变量的刷新时间,对于占大多数的变化缓慢的变量设置较长的刷新时间,大约为5秒;对于占少数的、变化迅速的和对系统影响重要的变量设置较短的刷新时间,大约为0.5秒。
c)对于WinCC的图形中对象的属性动态特性尽量采用动态值范围的方法去定义,对象的事件触发的动作尽量采用直接连接的方法,少使用C动作方法。
五.结论和意义
上海大众汽车二厂油漆车间中控室中央控制系统的工程项目,我们成功应用西门子公司工业自动化PLC技术、Profibus现场工业总线技术和WinCC工业组态软件的SCADA技术技术,经过设计、施工和调试,该工程项目现已完成,通过了验收并且投入正常生产运行。该系统把涂装过程中的工艺控制设备和输送设备,构成一个统一的、有着相互有机联系、动作相互协调和可控制的系统,以完成各种工艺过程的控制并按一定的生产节拍进行,从而保证优质的汽车涂装产品质量,保证油漆车间连续地、可靠地、正常地自动化大批量生产,使产品具有优良的耐蚀性和高装饰性外观,以延期其使用寿命,提高其商品的市场价格。
该系统的使用,提高了油漆车间的自动化生产水平,也促进了油漆车间的生产管理、工艺管理、质量管理和设备管理。另外,该系统采用是目前比较先进计算机控制、网络和信息处理技术,在汽车涂装行业中具有一定的先进性和代表性,所以该系统具有推广的价值。
项目介绍
潍坊烟叶复烤厂是国内早加工烟叶的企业,至今已有八十多年的历史。随着打叶复烤技术的推广和应用,该厂联合机械部济南铸造锻压机械研究所在借鉴和消化吸收Comas和Mactavish技术的基础上设计生产了6000kg/h打叶线,打叶线控制系统以S7-400 PLC为主控制器,采用了当今先进的现场总线技术,通过PROFIBUS-DP控制全线所有变频器及分布式I/O,并采用了新颖的触摸屏和大型模拟屏幕流程图显示,使得系统具有较完善的功能,是当时国内自动化程度高的打叶线之一。
系统构成
打叶线包括打叶前、一打一、一分一、一分二、一分三、二打二分、三打三分、四打四分、五打五分和五分后共十段,电机共161台,总功率1200kw,全线共9组打叶机,12级6000Kg/h打叶线控制系统风分器;打叶机、风分器和播扬风扇均采用变频器控制,全线变频器控制电机47台,总功率584kw。系统要求能按工艺要求和流量状况控制各变频器的转速,每个电机现场都有一个本地开关,以控制电机的起动停止。因此,整条线设备前后关联,设备复杂,烟叶成本高,对设备的可靠性要求很高。整个系统构成如下图。
打叶线控制系统构筑在PROFIBUS-DP设备级的总线上,其中PLC作为一级主站,变频器和分布式I/O作为从站,通讯采用主从方式,传输介质为铜质屏蔽双绞线,通讯协议采用RS485。现场总线为系统的可靠性和灵活性提供了保证。按照烟草系统的传统习惯,设置了两块3m×1.5m模拟屏,采用了硬质发泡PVC板表面丝网印刷的新技术,将全线设备及电机形象细致地绘出,每个模拟屏装有200个Idec指示灯指示系统及各电机状态,使操作及维护人员观察起来极为方便。
系统功能
系统软件是以STEP7编制的, STEP7具备梯形图,功能块和语句表三种编程方式,因为整个系统控制任务复杂,故选用语句表作为系统编程语言。触摸屏选用西门子通讯软件Protool编写, 系统主要具有以下功能:
·变频器和分布式I/O控制:PLC通过总线控制变频器起动/停止,分布式I/O的运行,监控其状态和三级诊断信息并显示在触摸屏上
·手动/自动控制:可根据具体情况轻松转换
·恒流控制:为了保证二次润叶后烟叶水分均匀并且向打叶机均匀送料,系统要求进行恒流量控制
·工艺数据管理:系统已初始化工艺参数,因此操作人员可根据实际所打烟叶的产地和等级选择相应工作参数组,并将实际运行优化后的参数存入系统
·操作界面:使操作人员方便快捷监控系统的运行,如下图所示·模拟显示屏:画面与触摸屏对应,直观显示设备分布及其电机运行状况
·故障诊断及报警:系统具有较为完善的自我诊断及显示功能
系统特性
· 图形化界面:清晰直观
·结构化编程:简化了工作量并保证了系统的可靠性,成功完成系统初始化、工艺参数管理和维护功能
·优良的可维护性:PROFIBUS-DP总线技术使系统维护变得非常简单,对不同厂家的产品和同一产品的升级具有良好的兼容性,而且系统增添元件时很方便
结束语
该系统于九八年十一月份投入运行,已于九九年九月一日通过验收。系统运行可靠,较传统控制平均节能约18%,设备无故障运行时间比以前有很大提高,降低了设备故障修复时间,减轻了工人劳动强度,取得了良好的经济效益。
唐山热网项目自动化解决方案
唐山热网项目包括一新建热电厂(属另一单位管理和操作)、供热管网、热力站、调峰锅炉房及监控系统。从主热源出来的热管线主干线长4173米,两支干线全长皆为6公里。热电厂的终设计输出能力为421MW,新建调峰锅炉房的设计能力为140MW,现有的调峰锅炉房用于调峰,其设计能力为24MW。热网的循环水泵、定压泵、补水泵均设在电厂内,由热电厂进行操作和管理,循环水泵的转速、热输出要服从热力公司的指挥调度。调峰锅炉房仅用于供热条缝,由唐山热力公司负责管理和操作,当室外温度在-10到+5摄氏度的条件下,保证热用户的室内温度在18(±2)摄氏度。热力站具有与调度室通讯能力的本地监控功能。
热网监控系统配置说明
监控系统由1个监控中心,95个本地监控站,数据通讯网络(无线电台与有线相结合)和主热源站4部分组成。系统通过本地监控站的RTU采集各热力站的参数,通过通讯系统将采集的数据发送到监控中心。通过RTU,系统能够全面、实时的了解供热系统的运行工况并监视不利点的压差,以保证供热系统安全合理的运行。系统以热网不利点压差为依据,控制主循环泵,保证热网不利点热力站的压头,从而确保整个热网的水力平衡。在正常情况下,热力站RTU接受监控中心的命令进行集中监控;在通讯故障时,热力站RTU可以独立运行,自动调节本站的供热需求。当室外温度低于-2.12度时,不利点热力站将得不到需要的压头,此时,系统将通过调度中心向调峰锅炉房发送启动指令。监控中心配置有多台工控计算机,安装了bbbbbbs NT4.0操作系统和WinCC监控软件,并采用客户服务器结构,其中服务器采用的是冗余配置,并通过以太网连接到通讯前置机。RTU数据在监控中心被进行存储、处理分析和报表打印等。本地监控站采用S7300系列和S5100U系列PLC,其中S7300站86个,S5100U站13个。本地监控站可按初始设定值或监控中心的指令,独立完成监测参数、存储、传送及本地的控制任务。无线通讯系统包括通讯模块、数传电台、天线、前置机等设备,数传电台的频率为220~235MHZ,半双工模式,通讯速率可达9600bps。