基于工業以太網的除塵風機節能控制系統設計

韋 文，沈宇浩，唐湛恒

廣西中煙工業有限責任公司南寧卷煙廠，南寧市北湖南路28號 530000

在卷煙工業現場中通常有多種不同廠家的主機設備，例如昆明船舶設備集團有限公司、意大利COMAS公司、德國HAUNI公司等，其配備的電控系統各不相同，主流配置的PLC分別有德國西門子、美國羅克韋爾、法國施耐德等公司的產品，由于不同品牌產品之間的通訊協議相對獨立，這些系統之間無法直接進行數據通訊，而目前解決該問題的主要技術手段是使用協議轉換硬件。其中，劉星［1］利用協議轉換器實現了西門子S7-1200/S7-1500 PLC與帶有MODBUS變頻器的儀表設備通訊接口進行數據交換。強海洋［2］通過BM85網橋實現了施耐德Quantum和Twido兩種PLC之間的Modbus Plus通訊，解決了重要設備關鍵參數的遠程監控問題。曾賀湛［3］基于Prosoft Prolinx無線網關通訊技術實現了不同類型PLC之間的遠程數據通訊。但上述研究主要是基于第三方硬件實現不同PLC之間的數據通訊，利用上位機軟件進行協議轉換的方法鮮見報道。工業以太網的傳輸技術目前廣泛應用于生產和過程自動化領域［4-5］。為此，以南寧卷煙廠除塵風機節能控制系統為例，通過使用上位監控系統作為轉換站點，利用工業以太網平等地將不同PLC接入監控數采系統，以期解決不同系統協議之間數據無法直接通訊等問題，降低卷煙企業能源消耗。

1 問題分析

南寧卷煙廠制絲車間除塵控制系統主要由風機電機、本地開關、驅動單元、主控制斷路器、PLC［6］、上位機等部分組成。當工藝段設備啟動時，由操作人員控制上位機發出指令，傳遞至PLC，通過邏輯判斷是否滿足啟動條件，再由通訊指令啟動驅動單元（變頻器、軟啟動器等）帶動風機電機運轉。為解決除塵風機能耗過高等問題，制絲車間對2臺110 kW、1臺30 kW除塵風機進行了節能改造，增加了一套節能系統。圖1可見，節能系統以SPS節能裝置為驅動單元，以西門子200系列PLC為控制單元；原除塵控制系統以AB系列變頻器為驅動單元，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，以節能系統為主控制單元，原變頻器系統為備用控制單元。由于兩個控制單元采用不同廠家的控制器，無法直接通過各自的網絡模塊進行數據交互，在選擇控制方式時需要手動切換繼電器。正常情況下，由SPS節能裝置為電機供電，繼電器KM1閉合；當遇到特殊情況時，需要將SPS節能控制柜上的“節能/檢修/旁路”開關旋轉到“旁路”模式，繼電器KM2閉合，由原控制方式為電機供電。控制過程繁瑣，且無法遠程采集節能系統數據。

圖1 除塵風機節能控制系統電路圖Fig.1 Circuit of energy saving control system for dust removal fans

2 系統設計

本系統中主要采用西門子ProfINet和羅克韋爾Ethernet/IP協議工業以太網對節能控制系統進行改進［7］。在設計過程中，不改變原有羅克韋爾PLC控制硬件架構，西門子PLC的cp234-1模塊采用RJ-45接口，以工業以太網接口方式接入控制層環網交換機。軟件設計中，使用美國WonderWare公司的SMC（System Management Console）軟件對兩種PLC進行組態，與監控站進行數據交互，并通過監控站端的I/O型上位數據進行邏輯運算和數值設置。

2.1 硬件架構

除塵節能控制系統自上而下分為監控層、控制層和終端設備層。層與層之間、每一層內部均由工業以太網線路組成，主要設備包括分布式監控站、2臺互為冗余的雙網卡數據采集服務器［8］、西門子200系列PLC、羅克韋爾5000系列PLC、3臺變頻器和SPS節能控制柜等，見圖2。其中，監控層的分布式監控站與數采服務器網卡1使用10.162.72.xxx作為自身網段；控制層的數采服務器網卡2、西門子200系列PLC、羅克韋爾5000系列PLC使用193.168.0.xxx作為自身網段；終端設備層的EN2T、變頻器、耦合器模塊、參數監測元器件等使用192.168.1.xxx作為自身網段。

2.2 軟件組態

在集散控制系統的GR操作站上對各個PLC進行以太網組態［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以太網驅動DASABCIP.exe和西門子的ProfINet以太網驅動DASSIDirect.exe。具體配置過程如下。

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

（2）圖4可見，在ArchestrA IDE軟件中配置上下位數據交互通訊，在1#和2#數采服務器中分別添加DASABCIP和DASSIDirect數據組：Server_ZSCC1、LC_CC、Server_CC、LC_ZSCC1，并在數據組內部添加上位點與下位點對應關系。使用的通訊協議為基于TCP/IP的SuiteLink協議。

圖2 除塵風機節能控制系統硬件架構Fig.2 Hardware architecture of energy saving control system for dust removal fans

圖3 控制器組態過程圖Fig.3 Configuration process of controller

圖4 上下位機數據交互配置圖Fig.4 Data interactive configuration of host and slave computers

2.3 底層程序

在上位機監控站服務器中創建布爾量標簽：Motor_ControlMode，分別對應西門子PLC中的下位點S7_ControlMode和羅克韋爾中的下位點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，當Motor_ControlMode值=1，即通時，西門子PLC控制模式生效，羅克韋爾PLC控制模式失效；當Motor_ControlMode值=0，即斷時，羅克韋爾PLC控制模式生效，西門子PLC控制模式失效，由此實現互鎖控制的目的。

2.4 監控畫面

在Intouch監控畫面中對控制模式、電機參數及運行狀態等進行監控［10］。圖6可見，主畫面和控制畫面可以顯示當前處于“節能”或“旁路”模式；進入除塵器電機子畫面可以查看“節能”模式下電機參數，包括電機頻率、電壓、電流、運行狀態等數據。

圖5 節能控制系統邏輯流程圖Fig.5 Logic flow of energy saving control system

圖6 節能控制系統控制與監控圖Fig.6 Control and monitoring diagrams of energy saving control system

3 應用效果

3.1 試驗設計

設備：30 kW除塵風機U001，110 kW除塵風機U034以及110 kW除塵風機U037（南寧卷煙廠制絲車間）。

方法：①使用上位機對原控制系統與節能控制系統進行切換，檢測狀態位，觀察系統切換是否正確；②在相同工況下，原控制系統與節能控制系統分別運行4 h，統計用電消耗量。

3.2 數據分析

表1可見，使用除塵節能風機雙控制系統后，通過上位機畫面的切換，擬切換系統與實際運行系統完全一致。通過工業以太網配合集控系統服務器，實現了不同PLC之間信號的連鎖，控制信號切換準確，保證了原控制系統與節能控制系統的順利切換，達到了除塵風機雙系統“一用一備”的設計目的。

表2可見，在相同工況下，采用節能控制系統后3臺除塵風機的節電率均在40%以上，年節電量可達2.6萬kW。在正常生產中，采用節能控制系統作為主系統使用，采用原變頻器系統作為主系統檢修或故障時使用，可有效節省電能消耗，經濟效益顯著。

表1 雙控制系統切換運行結果Tab.1 Results of double control system switching operation

表2 改進前后除塵風機控制系統能耗對比Tab.2 Comparison of energy consumption of control system for dust removal fan before and after improvement

4 結論

通過工業以太網接口將除塵風機節能控制系統接入控制平臺，利用Intouch上位軟件和以太網傳輸實現了不同PLC之間的數據交互，系統具有冗余且與原控制模式順利切換；基于可視化界面調控現場控制模式，準確采集不同模式下設備運行狀態和工藝參數等信息。以南寧卷煙廠制絲車間3臺除塵風機為例進行對比測試，結果表明：采用節能控制系統后，日常生產為節能模式，檢修時為旁路模式，在相同工況下3臺除塵風機的節電率均在40%以上，年節電量達2.6萬kW，節能效果顯著。該方法可為各種類型PLC之間的數據交互提供參考。