基于工業(yè)以太網(wǎng)的除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋 文，沈宇浩，唐湛恒

廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南寧卷煙廠，南寧市北湖南路28號(hào) 530000

在卷煙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中通常有多種不同廠家的主機(jī)設(shè)備，例如昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司、意大利COMAS公司、德國(guó)HAUNI公司等，其配備的電控系統(tǒng)各不相同，主流配置的PLC分別有德國(guó)西門(mén)子、美國(guó)羅克韋爾、法國(guó)施耐德等公司的產(chǎn)品，由于不同品牌產(chǎn)品之間的通訊協(xié)議相對(duì)獨(dú)立，這些系統(tǒng)之間無(wú)法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，而目前解決該問(wèn)題的主要技術(shù)手段是使用協(xié)議轉(zhuǎn)換硬件。其中，劉星［1］利用協(xié)議轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了西門(mén)子S7-1200/S7-1500 PLC與帶有MODBUS變頻器的儀表設(shè)備通訊接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。強(qiáng)海洋［2］通過(guò)BM85網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)了施耐德Quantum和Twido兩種PLC之間的Modbus Plus通訊，解決了重要設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控問(wèn)題。曾賀湛［3］基于Prosoft Prolinx無(wú)線網(wǎng)關(guān)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同類(lèi)型PLC之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊。但上述研究主要是基于第三方硬件實(shí)現(xiàn)不同PLC之間的數(shù)據(jù)通訊，利用上位機(jī)軟件進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法鮮見(jiàn)報(bào)道。工業(yè)以太網(wǎng)的傳輸技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域［4-5］。為此，以南寧卷煙廠除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)為例，通過(guò)使用上位監(jiān)控系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)換站點(diǎn)，利用工業(yè)以太網(wǎng)平等地將不同PLC接入監(jiān)控?cái)?shù)采系統(tǒng)，以期解決不同系統(tǒng)協(xié)議之間數(shù)據(jù)無(wú)法直接通訊等問(wèn)題，降低卷煙企業(yè)能源消耗。

1 問(wèn)題分析

南寧卷煙廠制絲車(chē)間除塵控制系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)電機(jī)、本地開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)單元、主控制斷路器、PLC［6］、上位機(jī)等部分組成。當(dāng)工藝段設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，由操作人員控制上位機(jī)發(fā)出指令，傳遞至PLC，通過(guò)邏輯判斷是否滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，再由通訊指令啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元（變頻器、軟啟動(dòng)器等）帶動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。為解決除塵風(fēng)機(jī)能耗過(guò)高等問(wèn)題，制絲車(chē)間對(duì)2臺(tái)110 kW、1臺(tái)30 kW除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行了節(jié)能改造，增加了一套節(jié)能系統(tǒng)。圖1可見(jiàn)，節(jié)能系統(tǒng)以SPS節(jié)能裝置為驅(qū)動(dòng)單元，以西門(mén)子200系列PLC為控制單元；原除塵控制系統(tǒng)以AB系列變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，以羅克韋爾Logix系列PLC為控制單元。改造完成后采用“一用一備”控制方式，以節(jié)能系統(tǒng)為主控制單元，原變頻器系統(tǒng)為備用控制單元。由于兩個(gè)控制單元采用不同廠家的控制器，無(wú)法直接通過(guò)各自的網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在選擇控制方式時(shí)需要手動(dòng)切換繼電器。正常情況下，由SPS節(jié)能裝置為電機(jī)供電，繼電器KM1閉合；當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，需要將SPS節(jié)能控制柜上的“節(jié)能/檢修/旁路”開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)到“旁路”模式，繼電器KM2閉合，由原控制方式為電機(jī)供電。控制過(guò)程繁瑣，且無(wú)法遠(yuǎn)程采集節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

圖1 除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)電路圖Fig.1 Circuit of energy saving control system for dust removal fans

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中主要采用西門(mén)子ProfINet和羅克韋爾Ethernet/IP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)［7］。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不改變?cè)辛_克韋爾PLC控制硬件架構(gòu)，西門(mén)子PLC的cp234-1模塊采用RJ-45接口，以工業(yè)以太網(wǎng)接口方式接入控制層環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。軟件設(shè)計(jì)中，使用美國(guó)WonderWare公司的SMC（System Management Console）軟件對(duì)兩種PLC進(jìn)行組態(tài)，與監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)監(jiān)控站端的I/O型上位數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)值設(shè)置。

2.1 硬件架構(gòu)

除塵節(jié)能控制系統(tǒng)自上而下分為監(jiān)控層、控制層和終端設(shè)備層。層與層之間、每一層內(nèi)部均由工業(yè)以太網(wǎng)線路組成，主要設(shè)備包括分布式監(jiān)控站、2臺(tái)互為冗余的雙網(wǎng)卡數(shù)據(jù)采集服務(wù)器［8］、西門(mén)子200系列PLC、羅克韋爾5000系列PLC、3臺(tái)變頻器和SPS節(jié)能控制柜等，見(jiàn)圖2。其中，監(jiān)控層的分布式監(jiān)控站與數(shù)采服務(wù)器網(wǎng)卡1使用10.162.72.xxx作為自身網(wǎng)段；控制層的數(shù)采服務(wù)器網(wǎng)卡2、西門(mén)子200系列PLC、羅克韋爾5000系列PLC使用193.168.0.xxx作為自身網(wǎng)段；終端設(shè)備層的EN2T、變頻器、耦合器模塊、參數(shù)監(jiān)測(cè)元器件等使用192.168.1.xxx作為自身網(wǎng)段。

2.2 軟件組態(tài)

在集散控制系統(tǒng)的GR操作站上對(duì)各個(gè)PLC進(jìn)行以太網(wǎng)組態(tài)［9］，使用SMC軟件配置PLC信息。配置之前首先安裝羅克韋爾的Ethernet/IP以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)DASABCIP.exe和西門(mén)子的ProfINet以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)DASSIDirect.exe。具體配置過(guò)程如下。

（1）圖3可見(jiàn)，在ArchestrA.DASABCIP.4中添加羅克韋爾控制器ENB_CLX_CC_PC Parameters，IP地址設(shè)置為193.80.0.161。在ArchestrA.DASSIDirect.3中添加西門(mén)子控制器New_S7CP_200_000，IP地址設(shè)置為193.80.0.188。

（2）圖4可見(jiàn)，在ArchestrA IDE軟件中配置上下位數(shù)據(jù)交互通訊，在1#和2#數(shù)采服務(wù)器中分別添加DASABCIP和DASSIDirect數(shù)據(jù)組：Server_ZSCC1、LC_CC、Server_CC、LC_ZSCC1，并在數(shù)據(jù)組內(nèi)部添加上位點(diǎn)與下位點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。使用的通訊協(xié)議為基于TCP/IP的SuiteLink協(xié)議。

圖2 除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of energy saving control system for dust removal fans

圖3 控制器組態(tài)過(guò)程圖Fig.3 Configuration process of controller

圖4 上下位機(jī)數(shù)據(jù)交互配置圖Fig.4 Data interactive configuration of host and slave computers

2.3 底層程序

在上位機(jī)監(jiān)控站服務(wù)器中創(chuàng)建布爾量標(biāo)簽：Motor_ControlMode，分別對(duì)應(yīng)西門(mén)子PLC中的下位點(diǎn)S7_ControlMode和羅克韋爾中的下位點(diǎn)AB_ControlMode。控制器程序S7_ControlMode使用檢查通指令作為控制模式生效的前提條件；AB_ControlMode使用檢查斷指令作為控制模式生效的前提條件。圖5可見(jiàn)，當(dāng)Motor_ControlMode值=1，即通時(shí)，西門(mén)子PLC控制模式生效，羅克韋爾PLC控制模式失效；當(dāng)Motor_ControlMode值=0，即斷時(shí)，羅克韋爾PLC控制模式生效，西門(mén)子PLC控制模式失效，由此實(shí)現(xiàn)互鎖控制的目的。

2.4 監(jiān)控畫(huà)面

在Intouch監(jiān)控畫(huà)面中對(duì)控制模式、電機(jī)參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控［10］。圖6可見(jiàn)，主畫(huà)面和控制畫(huà)面可以顯示當(dāng)前處于“節(jié)能”或“旁路”模式；進(jìn)入除塵器電機(jī)子畫(huà)面可以查看“節(jié)能”模式下電機(jī)參數(shù)，包括電機(jī)頻率、電壓、電流、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

圖5 節(jié)能控制系統(tǒng)邏輯流程圖Fig.5 Logic flow of energy saving control system

圖6 節(jié)能控制系統(tǒng)控制與監(jiān)控圖Fig.6 Control and monitoring diagrams of energy saving control system

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)備：30 kW除塵風(fēng)機(jī)U001，110 kW除塵風(fēng)機(jī)U034以及110 kW除塵風(fēng)機(jī)U037（南寧卷煙廠制絲車(chē)間）。

方法：①使用上位機(jī)對(duì)原控制系統(tǒng)與節(jié)能控制系統(tǒng)進(jìn)行切換，檢測(cè)狀態(tài)位，觀察系統(tǒng)切換是否正確；②在相同工況下，原控制系統(tǒng)與節(jié)能控制系統(tǒng)分別運(yùn)行4 h，統(tǒng)計(jì)用電消耗量。

3.2 數(shù)據(jù)分析

表1可見(jiàn)，使用除塵節(jié)能風(fēng)機(jī)雙控制系統(tǒng)后，通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面的切換，擬切換系統(tǒng)與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)完全一致。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)配合集控系統(tǒng)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了不同PLC之間信號(hào)的連鎖，控制信號(hào)切換準(zhǔn)確，保證了原控制系統(tǒng)與節(jié)能控制系統(tǒng)的順利切換，達(dá)到了除塵風(fēng)機(jī)雙系統(tǒng)“一用一備”的設(shè)計(jì)目的。

表2可見(jiàn)，在相同工況下，采用節(jié)能控制系統(tǒng)后3臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)電率均在40%以上，年節(jié)電量可達(dá)2.6萬(wàn)kW。在正常生產(chǎn)中，采用節(jié)能控制系統(tǒng)作為主系統(tǒng)使用，采用原變頻器系統(tǒng)作為主系統(tǒng)檢修或故障時(shí)使用，可有效節(jié)省電能消耗，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表1 雙控制系統(tǒng)切換運(yùn)行結(jié)果Tab.1 Results of double control system switching operation

表2 改進(jìn)前后除塵風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)能耗對(duì)比Tab.2 Comparison of energy consumption of control system for dust removal fan before and after improvement

4 結(jié)論

通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口將除塵風(fēng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)接入控制平臺(tái)，利用Intouch上位軟件和以太網(wǎng)傳輸實(shí)現(xiàn)了不同PLC之間的數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)具有冗余且與原控制模式順利切換；基于可視化界面調(diào)控現(xiàn)場(chǎng)控制模式，準(zhǔn)確采集不同模式下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)等信息。以南寧卷煙廠制絲車(chē)間3臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：采用節(jié)能控制系統(tǒng)后，日常生產(chǎn)為節(jié)能模式，檢修時(shí)為旁路模式，在相同工況下3臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)的節(jié)電率均在40%以上，年節(jié)電量達(dá)2.6萬(wàn)kW，節(jié)能效果顯著。該方法可為各種類(lèi)型PLC之間的數(shù)據(jù)交互提供參考。