论文：CCVL-S_60+160+90 交联线电控S5系统 改造升级S7 V5-20170624百度文档

1、 CCVL-S 60+160+90悬链式交联线电控S5系统升级S7S5 to S7 system Upgrade Of CCVL-S 60+160+90 Crosslinked Catenary Cable Machine北京金鼎旺科技有限公司，北京重庆鸽牌电线电缆公司，重庆中文摘要：本文首先简要介绍了项目的来源和旧设备S5的主要状态，然后根据客户的改造需求和预期目的，从总体思路、PLC、HMI、连锁保护功能恢复，以及施工等方面阐述了改造方案，重点分析了S5-S7快速切换、原HMI数据破译及新屏开发、悬链线垂度张力控制、温控单元与主系统的数据通讯、实际线速度的经济精确计量等关键技术问题的解决，

2、最后根 据设备多年实际运行情况，对改造项目效果给予评估和总结。中文关键词：S5-S7升级、悬链式交联线、鸽牌、电线电缆Abstract : This paper briefly describes the main sources of the project and the old state apparatus S5 . And then based on customer needs and the intended purpose of the upgrade ,it is elaborated from a general idea , PLC, HMI, chain protect

3、ion functional recovery , as well as construction and other aspects of the reform program . The article is focused on analysis the S5-S7 fast switching , the original data is deciphered and new HMI screen development , to solve the catenary sag tension control , the data communication between the te

4、mperature control unit and the main control systems , economic accurate measurement of the actual line speed and other key technical issues. According to the actual operation of the equipment for many years, this paper finally give the evaluation and summary to the renovation project.Key Words :S5-S

5、7、S5 UPGRADE、Crosslinked Catenary Cable Machine、Chongqing Pigeon Cable一、任务的来源重庆鸽牌电线电缆有限公司是由重庆机电股份有限公司控股的国有控股企业。公司具有六十多年的生产历史，是全国电线电缆行业的骨干企业,中国西部最大的铜型材加工基地、西南最大的电线、特种电缆和电瓷产品加工制造基地。附图1是厂区全景。附图1：厂区全景1992鸽牌电缆公司利用意大利政府贷款引进CCVL-S 60+160+90交联线生产线，设备使用至本项目启动之日已有15年余，经济效益显著。设备机械部分状态仍旧优良，整机性能良好，只是控制系统因超长时间服役老

6、化，稳定性问题日益突出。生产线控制系统当时基本上处于原始状态，只是加热和温控部分经过了改造和增补。设备主体逐步进入故障高发期，系统安全瓶颈有两处，一是控制主机PLC部分，二是HMI人机界面部分。由于控制系统的主机是西门子八十年代末九十年代初的S5系列产品，S5产品已经退出市场多年，模块备件供应周期很长，保障性差，某些部件甚至有价无市。HMI部分是建立在DOS V6.22基础上基于MicroC的个性化系统，其基础及原理与目前的主流技术及产品不兼容，相关的硬件通讯卡也没有备件。HMI无法维护和维修。因此，为了保证设备满足稳定生产的需要，必须将S5升级到S7。同时根据系统及工艺原理，重新开发新系统的

7、HMI。二、交联线电控系统的S5状态21 控制主机采用的是西门子S5-115U，控制机配有两个9槽机架，I/O配置共有数字输入132点，数字输出112点，热电偶64通道，标准信号模入16通道，模出8通道。此外还配有串口通讯卡CP524。2 2 HMI人机界面是硬件基于PC，软件基于DOS 6.22的MicroC应用系统，操作单元实现设备的参数设置、选择、状态显示、报警反馈、故障确认等。HMI目前尚可以正常使用。但系统使用寿命已经进入高危期，且无法维护和维修。23 面板器件尚可正常使用，维护性好，随时可以维修更换。24 柜内信号调制和主回路器件经过不定期的更换维护，目前功能基本正常，可以继续留用

8、。25 系统所用流量、压力，温度及位置等传感器的状态正常。26 现场控制盘目测良好，潜在问题也是改造时盘柜现状态对新器件安装、配线的适应性方案阶段难以准确确定，需要在改造实施的详细设计阶段解决。27 挤出机加热温控部分已经先期进行了更新改造。加热及温控功能已经从原系统独立出来，功能及其控制已经完全独立之原控制系统之外。但原系统程序里的温控逻辑连锁依然有效，两者没有实际的有效连接。三、改造目的和预期设备的维护性很差，主要体现在维护成本很高，其中硬件成本逐年都有至少百分之2030的提高，并且时效性极差。备件货源正逐步枯竭，不仅供应没有保证，而且货期也没有保证。这些不确定性已经对正常稳定生产构成了现

9、实的威胁。为恢复控制设备的可维护性、兼容性和可扩展能力，消除设备这些方面的不稳定对正常生产的影响和隐患，需要对现有控制系统进行改造升级。挤出机加热温控部分虽然已经更新改造，但加热及温控功能独立于主控逻辑带来了两部分功能的系统脱节。因此为了实现全系统的安全自动运行，必须实现两部分的连接。控制系统的升级更新改造不仅仅着眼于更新，而且要将设备在本厂使用和工艺经验反映到新的控制系统中去。因此，控制系统设备改造时，设计立足于原有系统的工艺和功能，采用西门子先进成熟的主流技术和产品，对原系统中局部进行更合理的国产化改进。以期达到在更合理的功能、更经济的方式基础上，稳定地满足生产的工艺需求。四、改造方案41

10、 总体思路根据当时设备稳定性和可维护性问题主要集中在控制主机PLC上和HMI上。为尽可能减少升级改造工作对正常生产的影响，改造原有控制柜不进行整体升级替换，而是保留现有低压主回路，控制柜体和端子等部分均予保留，只对PLC部分进行拆除，然后用替代新产品在现场重新安装、配线成柜。局部更换升级的方案出于如下考虑，一方面是缩短工期；其二是立足于尽可能缩短战线，降低风险；其三是尽量保留原有柜体和低压器件等元器件，降低改造费用。 42 PLC根据设备的工艺及性能要求，PLC采用西门子的主流高性能S7-300系列产品。更新替代产品根据原有技术要求和状态选型，不兼容的部分在设计时通过增加接口来解决。由于集成电

11、路集成度的提高，现行模块的体积大幅缩小，旧系统所用32点模块只能用两块16点的模块替代，才能保证配线空间的基本需求。具体器件选型及配置详见下面附表1。附表1：主要器件清单序号品名订货号数量生产厂家1机架6ES7 390-1AE80-0AA03西门子2PS3076ES7 307-1KA01-0AA03西门子3CPU315-2DP,128KRAM,1个MPI接口和1个DP主/从接口6ES7 315-2AG10-0AB01西门子4MMC卡6ES7 953-8LJ11-0AA01西门子516DI输入6ES7 321-1BH02-0AA09西门子616DQ输出6ES7 322-1BH01-0AA07西门

12、子78CH,TC6ES7 331-7PF11-0AB08西门子88CH,AI6ES7 331-7KF02-0AB02西门子94CH,AQ6ES7 332-5HD01-0AB02西门子1040Pin前连接器6ES7 392-1BM01-0AA08西门子11弹簧型前连接器20p6ES7 392-1BJ00-0AA020西门子12IM360 接口模板(中央模板)6ES7 360-3AA01-0AA01西门子13IM361 接口模板(扩展模板)6ES7 361-3CA01-0AA02西门子14IM360和IM361连接电缆，5M6ES7 368-3BF01-0AA02西门子15总线连接器（带PG口）6

13、ES7 972-0BB50-0XA01西门子16总线连接器6ES7 972-0BA50-0XA01西门子17总线电缆6XV1 830-0EH10100西门子18西门子19MP277-106AV6 545-0CC10-0AX01西门子20Modbus转profibus网关J01-M-D1金鼎旺21RS232转profibus网关DP200-232-DP1金鼎旺43 HMI原HMI操作终端用MP277-10等效替换。人机界面仍除保留系统原有功能外，界面可以根据用户要求实施中文化。由于原终端与MP277-10之间没有关联，系统升级只能立足于工艺原理进行重新开发。44 主控逻辑与加热温控的连接为了实现

14、系统的安全、自动运行，必须在控制层面实现主控逻辑与加热温控部分的连接。综合评判，通过通讯的方式实现两设备功能之间的互连互通是最合适的。优点有：1，加热温控系统无需做任何改动；2，挤出机上面无法增设温度测点及传感器；3，主控逻辑仍具备原有功能。4，费用经济，性能柔韧性好。45 施工改造工作的进行按整体统筹设计，分步实施。先进行现场的工艺理解和原系统的分解剖析，只有充分剖析并理解原系统的人机界面部分，才能保证后续改造升级工作的成功。在旧HMI剖析分解的基础上，进行全系统改造的设计出图及软件编制，再行硬件的更新安装，最后实施调试。五、关键问题的处理51 S5-S7快速切换由于CCVL-S 60+16

15、0+90交联线生产线长有近120米，机电构成复杂。改造在技术上有一定的不确定性，不可能一步到位，需要一定时间和场次的反复测试。而在改造过程中又随时有订单需要启动生产。因此，改造工程的顺利进行以及设备安全的可靠保证，都要求技术上必须实现S5-S7状态的可以切换。在充分现场考察的基础上，凭借多年S5-S7升级改造的经验，我们设计了一种可靠、简单便捷的接口，可实现S5-S7之间运行状态的快速切换，切换时间不超过15分钟。在S7新状态考机成功后,再进行新旧切换，确保万无一失，一次成功。同时可以保证在改造过程中随时正常生产开机的需求。S5-S7切换接口的实现在技术上没有特别的技巧，关键是在复杂设备改造项

16、目实施过程必须保有进退自如的安全理念，以及基于这种理念的工作方法。实现的要领是在不动S5的前连接器前提下，简单便捷的将硬件信号和电源引出，然后接入S7。不动S5前连接器，就可以保证S5硬件环境的快速恢复。具体实现的方法就是利用废旧S5模块上的连接件或市面可以提供的接插件，配合简单的线路板将信号引出即可。废旧S5模块需要工程师平时有心收集，市面虽有等效的接插件可以提供，但因为是进口件，定货不方便。52 原HMI数据破译及新屏功能开发原HMI数据破译及解读可以很好地利用原有程序资源。在快速、充分理解和消化原有程序和工艺上，有着关键作用。能显著提高改造工程的效率。HMI技术攻关之所以谓之破译，是因为

17、原HMI是一套原理建立在flash+MicroC上的独特系统，原HMI数据的理解必须先解读其中一系列C程序。原HMI数据破译及解读基础是在目前的硬件基础上，如何恢复实现15年之前的DOS平台环境。其中，意大利语言和技术术语的表达也是原HMI数据破译及解读过程中比较消耗资源的地方。经过努力，这些问题都得到顺利解决。附图2是新HMI的主画面，附图3是设备操作指令画面之一，图4是线缆直径监控画面。HMI的成功再开发没有技巧可言，只是各种旧知识和技术的分析理解和综合利用，是改造工作中最艰苦的部分。附图2：生产主画面附图3：指令画面附图4：直径监控53 模拟量处理与悬链线垂度(悬垂控制)张力控制张力控制

18、的技术关键在于其数学模型是基本输出加PID微调，模拟输出由基本输出和PID微调进行叠加。基本输出是主给定，由工艺和传动关系确定，保证传动的物理惯性基本满足张力建立和维持的需要。PID输出是辅助给定，是针对影响张力维持的扰动叠加的微调。一般量上面仅占全量程的5%25%，具体取值凭经验和具体设备的物理惯性及扰动大小。只要能让传动的惯性能跟上和消除扰动，微调值域越小，PID就越平稳，设备运行也越稳定。微调值域太小，就会出现PID经常满输出，仍不足以消除扰动。太大则会导致系统振荡，因为物理过程平衡点的建立和维持主要靠主给定保证，调节部分占比太大，就会因物理惯性跟不上调节输出，引起系统的持续振荡，甚至会

19、导致系统控制特性的发散。本项目张力的快速建立和稳定还得益于新S7控制软件很好地继承了S5体系里软件的特性。我们在项目技术设计阶段就充分考虑到客户的利益所在。由于交联线的投料测试需要消耗贵重的紫铜电缆芯，因此S7系统充分继承S5的功能和工艺，能大幅缩短调试时间，降低投料的消耗，对客户有重大利益。要缩短调试时间，降低投料消耗，关键是新旧系统的PID惯性参数不要发生重大变化，以避免寻求稳定PID参数的长时间试运行。因S5和S7新旧系统的模拟量处理不一样，为避免新旧系统PID惯性参数重大变化，最好的办法就是S7系统模拟量在线性化、PID计算、值域、量纲、程序的变量定义等方面保持与S5无缝对接。通过对相

20、关S5程序的等效重编，我们圆满地解决了这个问题。54 张力控制PID偏软的问题改造前收集信息中，操作工反应有时调整PID参数时，系统没有反应，参数变化大时就出现振荡。经运行时对全线相关环节的观察和分析，我们断定是张力轮的刚性偏软。可能是设备长期运行机械磨损带来的惯性变化。S7系统调试时，通过调整张紧轮的安装，提高张紧轮对张力变化的反应刚性。悬垂控制问题得到妥善解决。这个问题的解决，让我有所感触。控制工程师首先要对控制的物理过程和原理必须有所理解，要点就在于控制系统的软硬件都是立足和服务于物理过程和原理的，否则现场问题的解决仅局限于电器的软硬件层面，无异于缘木求鱼。55 仪表的通讯解决仪表的通讯

21、包括温控仪表和测控仪两方面。仪表通讯是老系统没有的。虽然通过西门子串口模块可以实现相关通讯，但成本高，程序复杂。为此，我们采用新技术，用串口转PROFIBUS的网关模块。通用网关模块使串口到profibus总线之间的通讯透明化了，485端口1对多通讯的轮询实现很便利。不仅通讯实现的硬件组成简单经济，而且开发过程也便捷高效，编程非常简单。通用网关高性能经济地实现交联线的通讯数据采集。温控仪表是OMRON的E5EZ型，485口的OMRON自定义协议。温控仪表共计15块，因温控是慢过程，实时要求不高，故只需单块网关模块，轮询实现所有模块的数据交换。其中仪表的当前温度通过定时中断周期采集，仪表设置值则

22、是事件驱动实时更新，仅在系统需要仪表的设置值才触发通讯读取数据。此外，通过通讯读取温控系统的相关数据，再衍生出原S5控制系统工艺上等效的连锁信号，实现S7新系统里温控的联动连锁。等效实现原有安全连锁功能。测径仪是ZUMBACH的产品，S5系统是通过模拟量输入采集测径仪数据。同样出于高性价比的目的，我们选用RS232转PROFIBUS的网关，实现点对点的高速双向全双工通讯。虽然通讯方式让直径测量值数据采集的实时性有稍许损失，但测量值稳定、抗干扰能力强，实时性仍然充裕满足交联线生产的要求，同时通讯还丰富了控制系统与测径仪之间的信息交换，增加一些智能功能。56 线速度计量S5控制系统状态下，电缆线速

23、度采用的是直流调速装置速度给定值电位换算而来，因此该速度值与电缆实际线速度有较大的偏差。根据工艺要求，在不改变电器和机械状态，不增加投入的情况，我们因地制宜利用设备原有配置的长度计量脉冲，利用PLC内部的高精度时钟，计量出电缆生产过程中的米平均速度，非常实用经济地给出满足生产需要的线速度。57 投料运行前准备投料运行前的准备工作，是降低调试的投料消耗的基础，有重大经济价值。为保证投料试车一次成功，我们从设备状态、程序状态两方面进行了精心准备。设备状态的准备从放线机、牵引、加热系统、水气辅机，一直到尾部的收线机全面进行，主要是利用废线缆仿真多次运行，充分考查设备新状态下的特性和性能参数，同时检验

24、生产线各部工艺设备的状态，并做好应急准备。同时，在程序上编制PID振荡计算和预测、系统相关状态的归类集中监测等方面编制非工艺必需的子程序和画面辅助调试工作。在调试成功后撤销这些外挂功能，提升系统功能。六、改造效果评估投料试车首先是80直径的产品，试车产量是5Km。产品生产过程中，设备在S7状态下总的比较平稳和顺利，生产过程一气呵成。期间主要调整的程序内容只有两方面：PID参数和HMI画面。S5-S7改造升级涉及到的设备，即交联线主体部分没有出现异常或其他影响生产的工况，试车产品经过质检确认，仅头部不到200米出现废料。随后，厂家又对185和20两种极端规格的产品进行投料试车。所有试车都是在S7运行，S5外挂备用保障下进行，经过大中小多规格生产测试后，交联线控制系统拆除S5，整体切换到S7状态，然后再次进行正式生产的试车，取得满意结果。经过全面检验，设备在S7状态下工作稳定，生产出品质量稳定达标，操作工没有陌生感，依旧熟悉和熟练。至此，改造工程取得圆满成功，验收交接水到渠成。验收交接至今2014年3月，时间已过去5年半有余，经过三万多小时的实际运行，生产规格从35mm2至400mm210KV交联电缆，并实现批量生产35KV交联电缆能力。改造后