【《烟草打叶复烤生产线控制系统软件设计及仿真探析案例》8800字】

烟草打叶复烤生产线控制系统软件设计及仿真分析案例自动化控制系统技术应用于烟草行业中可提升产品生产的自动化程度，降低生产成本，提高产品检测和测量的精确度，为提升产品的质量奠定基础。卷烟制造过程从烟叶薄片加工到最终成品生产严格按照相关工艺流程进行，打叶复烤生产线上设备众多，现场需要对设备的各个参数进行设置，对设备生产情况进行实时监控、处理，整个过程各类数据庞杂，设备工况复杂且对稳定性要求较高因此烟草企业为了实现安全可靠、高质量、高速度、高效益的生产，必须提高卷烟生产过程自动化的程度。1.1打叶复烤生产线控制系统软件1.1.1生产线集控系统分组控制的设计烟草加工过程中，质量过硬的现场生产设备和准确高效的电气控制系统是保证生产安全有序进行的基础。生产过程中的具体困难主要表现在以下几点：工艺流程复杂且需要各环节衔接紧密，生产设备多且参数数据复杂；烟叶生产中出烟量要求大，生产速率要求高，生产环节要求稳定可靠，对于监控数据反馈的事实性和生产过程中的便捷性、安全性也提出了新要求[43]；由于且又要求现场操作站和中央控制室都参与操控，需要在原有的监控系统基础上对于操作安全方面的设计进行优化。经过对现有打叶复烤生产线的客户端设计、网络通讯协议以及对组态软件的研究发现，现有生产线的客户端人机交互性不强，参数设置界面不够全面，操作模式单一不能满足复杂的生产需求。因此对生产线软件系统进行重新设计，通过在WinCC监控系统中设定一个新的全局函数[44]，能够工厂决策客户端、车间控制客户端、现场执行客户端的计算机进行分组。负责传达运行指令的中层与上层设置为管理层，负责现场操作的下层设置为执行层，并使其具有不同的控制权限，以此达到不同层级之间可独立操作、独立控制的目的。满足了灵活组态、通用性强的要求。1.1.1.1集控系统结构1.1.1.1.1车间网络结构在现代工业生产中，计算机的普及度越来越高，计算机的使用对实际生产效率和产品生产质量都大幅度的提高，减少了用人成本且加快了自动化生产线的推进速度。为了使以计算机为核心的控制系统达到最优效果(稳定性高、可靠性高、通用性强)，本文引入了DCS集散控制系统对生产线进行设计并按照”集中管理、全程监控、独立控制“的设计原则，将电控系统划分为三个层级，分别具有不同的网络结构和控制结构。(1)最底层(设备控制层)[8]：使用千兆光纤将厂级控制室交换机与现场各工艺流程段所对应的交换机相连接组成环网或星形网。现场交换机共有三台，分别为：叶片挑选流程交换机、叶片复烤流程交换机、叶片预处理及打叶流程交换机[8]。交换机各自与其所对应流程上的生产设备(PLC)以及负责向上层传递监控信息的监控设备进行连接。(2)中间层(集中监控层)[8]：作为接受最底层设备信息与传递给上层决策之间的纽带，具有便捷的人机交互性能，通过中间层的监控计算机与生产设备进行信息交互，可以实现对下层生产线的组合操作。状态监控、更换配方、参数设定、过程值归档和报警显示、历史记录等。(3)最高层(生产管理层)[8]：负责接收并处理生产线全线运行过程中的各类信息，包括人工检测数据、录入工艺参数、设备运行情况监管、最终产品质量检验等数据，通过记录并绘制相关数据曲线，完成最终的决策与下一步计划的执行。1.1.1.1.2监控系统功能及应用软件本文集中监控层上位机监控系统的编写，采用西门子公司的WinCC进行。Wincc是视窗控制中心(WimdowsControlCenter)简称，该软件对用户提供了符合实际生产过程的图形显示、危险消息提示、运行过程数据记录以及数据报表打印等功能[45]。该软件还可以实现复杂过程耦合和高速的信息界面刷新以及可靠的数据管理能力。使用WinCC进行编写的监控软件应具有如下功能：生产设备监控：实时监管生产设备的运行状况以及生产线的生产请况；设备控制：可以启动、运行、急停、停止设备，并具有随时改变设备运行模式的功能。参数设置与数据采集：对设备回传的信息进行采集，处理后向上层汇总。用户管理：有生产操作人员对其进行设置与管理监控系统应具有多种反省现场工况、设备参数与工艺流程运行阶段的形式：不同的三维立体图像应形象的对应现场中的生产设备；不同的指示颜色应对应不同的电机运行状态；不同的设备提示灯应准确的反映设备是否发生故障并能对操作人员起到引导作用[46]；中层的监控画面采用数字图表或曲线的形式对各工艺阶段的参数变化进行反馈；设备异常或故障排除后等阶段应具有文字提示等信息，且信息应一直保留在界面上直至操作人员确认。整个系统的设计应严格按照打叶复烤生产线的真实生产工序进行布局，便于生产人员能够清晰、全面的了解当前现场的工况以及设备的状态变化。系统还需根据不同设备的性能进行不同的信息划分，提供对应的详细生产数据并具有其进行操作的权限，使有限的人员完成更多的复杂生产任务。该系统使用以太网将上位机与下位机进行连接。下位机采用S7-300和400类型的PLC进行设备控制，并向上位机传通设备的实时状态，接收并执行上位机的实时控制指令。1.1.1.2操作权限设计及实现本文采用的组态软件WinCC是一款集成了便捷的人机交互界面和监控管理系统的软件。WinCC由西门子公司研发实现了自动化领域先进控制理念与PC软件技术的完美融合[8]。1.1.1.2.1基本权限设置由于打叶复烤生产线各工艺流程之间要求紧密配合，工况相对复杂，大多数烟草企业采用人工的方式分别对各生产设备进行监管，造成了资源的浪费。本文通过WinCC编写一套完整的“用户管理器”对监控系统中的管理员级别赋予相应级别的权限，以实现操作人员对整个生产线的有序管理。对生产线监控软件添加不同的管理员运行权限设置是在“用户管理器”中为系统管理员添加各自相应的用户名和密码，整个管理器中系统管理员的权限级别最高[48]。系统管理员不仅可以对中层负责监控和处理下层回传信息的监控计算机进行程序上的更改，还具有对其相关功能进行操作的权限(指令下达、数据处理等)。因此，在“用户管理器”中，对系统管理员使用的账号赋予相应权限，如：其他等级用户管理、不同生产线间授权、监控系统调整与开发、远程激活、远程组态以及网络访问等。此外，具有最高权限的账号应具有增加、删除、修改其他级别用户账号的功能，以便应对实际生产中的不同突发状况，使监控系统软件具有灵活性强、通用性高的特点。对于只能使用监控系统中部分功能或实际生产中只使用特定设备的生产操作人员，本文在设计软件时在“用户管理器”中分别赋予其进行单独的权限。例如：车间监控室的用户名和密码设置为user01，并在其功能栏中添加操作人员所归属的工艺流程设备，赋予其可以对自己使用的设备进行操作的权限且不会影响其他设备；以打叶流程段为例，该段操作人员的用户名设为“daye”，并在其功能栏上仅添加工艺段“打叶”，操作人员只需负责打叶工艺段的设备运行，其他工艺段采用相同设置方式。按照此方式设置后，现场生产线开启后没有用户登录，操作人员只能够浏览相关界面以确保设备工况正常，只有输入正确的账号密码后，才能获得相应设备的监控数据[40]。该设计实现了高层控制中心对全线设备的监管，拥有最高权限的用户可以对全线的各个设备下达指令，现场的操作人员只需按照界面提示完成生产任务，实现了控制系统“危险分散”的目的，在一定程度上也确保了生产的有序进行。1.1.1.2.2本地、远程权限设计实际生产中操作人员较多、生产工艺复杂车间经常出现中心控制室操作人员与现场生产操作人员同时对相同设备进行操作，造成操作混乱。为此，本文在管理权限分散设置的基础之上，提出了近一步的权限设置，即按照对生产设备的使用情况不同分为“本地、远程”两种整体权限设置[42]。在“本地”模式下，系统默认仅有中心控制室客户端具有操作权限，现场客户端所有操作视为无效；在“远程”模式下，系统默认仅有现场操作站客户端具有操作权限，远程客户端所有操作视为无效1.1.1.3实现基础除了上文介绍的特点，WinCC还具有全面开放的特性，因此常用于各类需要对系统进行扩展的场合，用户通过自己的开发设计，可以更深入的满足自己的独特需求[43]，其内部的语言脚本提供了与数据库的接口，增加了实际应用性。通过设计经验与现场修改情况进行分析，本文根据IP地址对中心监控控制室和现场操作站的多台计算机进行区分[44]。根据某复烤厂监控系统的显示：将中心监控控制室分别命名为User01和User02；IP地址分别设置为198.162.5.111和198.162.5.112；现场三台操作站计算机分别命名为User11、User02、User03；IP地址分别命名为198.162.5.121、198.162.5.122、198.162.5.123。WinCC内部自带部分项目内部数据管理所需变量，这些变量名称都以“@”为开头，由于软件自带，不能对其进行更改或删除，用户可以使用该变量但不能对其进行重新赋值，但可以创建自己的内部变量。“@TobaccoUserName”就是实际生产中命名的变量，通过该变量可以得到现场操作站计算机的名称。打叶复烤生产线投产后，将计算机按照本文设置名称进行分组，将中心监控控制室与现场操作站分为两组，中心监控控制室操作设定为“远程”操作，现场操作站设定为“本地”操作。1.2预处理阶段软件设计1.2.1投产检查在每次投料生产前，必须对生产线上相关电气控制设备(各控制箱柜、执行部件、测控元件以及监控设备)工作状态进行检查，排除隐患。1、检查各电气设备的配电状态是否正常，对应功能键为：“电源状态”。如图7所示为预处理段电源控制界面，主电控柜和子站配电状态都显示在该画面中，如果供电正常，则显示为绿色字样或绿色指示灯；如果供电不正常，则显示为红色字样或红色指示灯，在电源控制画面同时可以显示各个应急开关的状态。图3-1所示为预处理段电源状态示意图。图3-1预处理段电源控制界面2、检查整个网络是否正常，对应功能键为：“网络状态”。绿色表示当前网络通讯正常，红色表示当前网络通讯故障。图3-2所示为预处理段网络状态示意图。图3-2预处理段网络状态示意图3、检查与电机相关的各执行部件(变频器、软启动器等)状态，对应功能键为：“电机状态”，电机状态取决于保护开关与本地隔离开关是否闭合：①如果保护开关跳闸，监控画面电机状态会显示为红色状态，如果本地隔离开关未合，监控画面电机状态会显示为黄色色状态，同时对应子站箱体面板上故障灯为红色指示；②对于变频器或者软启动器控制的电机，如果变频或者软器本身故障，监控画面电机状态会显示为粉色状态，对应子站箱体面板上故障灯为红色指示；电机状态监视界面如图3-3所示。图3-3D11电机状态监视界面4、检查各测控元件和设备(光电开关、接近开关和限位开关)是否工作正常；开关状态开关状态图3-4筒子开关状态监视界面5、检查相关监控设备(现场操作站)是否工作状态正常；注：所有的红色都表示故障或者是光电管未被堵，绿色表示正常状态。1.2.2参数设定投料生产前对相关设备的操作说明以及工艺参数的设定说明。在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对预处理段的相关设备进行操作或者工艺参数进行设定，保证生产工艺要求，说明如下：在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对处理段相关的设备进行操作，如图3-5所示为预处理段的启停操作界面，包括几大部分：图3-5主控操作界面1、线启停操作部分：预处理段以仓式喂料机为界，共分为2个工艺段，每段有各自的“手/自动”选择按钮。选择手动，此时电机的起动需要用户手动按相应电控柜上的电机启动按钮来完成，电机的停止也需要用户手动关断相应电控柜上的电机本地开关来完成。选择自动，可以通过“线启动”、“线停止”实现全线启动或停止运行。2、一二润筒控制部分：“预热”按钮，当点击该按钮时，润叶筒预热，按钮旁边的提示框显示“正在预热”，“预热温度设定”按钮可以对预热的温度进行设定。3、“阀手动”按钮当点击该按钮时，可以进行手动控制调试。对应筒子的电磁阀变为手动控制并关闭；“阀自动”是完全由程序控制其启停，用户在阀自动状态下不需要对电磁阀进行操作[56]；“闭锁”为即不手动也不自动的状态下的一种中间态，在生产中用户可根据需求进行手自动状态转化。图3-6一、二润筒电磁阀控制操作界面在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对预处理段相关的工艺参数进行设定。主要的工艺参数有：提升带的高、低速的频率，两个润叶筒的预热、工作温度，二润筒出口水分、筒驱动的频率，排潮风机的频率，循环风机的频率，风选除杂的频率，喂料机出料底带的的频率，出料提升带的高低频率，电子秤的流量等参数[57]。所有的参数在相应的界面中都有设定按钮。频率可以从频率调整界面设置。预热温度可以从起停操作界面设定。工作温度可在各筒子的设置界面中设置，秤的流量可以从工艺流程界面中处设置等。图3-7预处理段秤界面1.2.3生产控制流程说明根据“预处理段”工艺流程，整个预处理段控制流程具体说明如下：1、预处理与关联的工艺段连锁关系说明：“预处理段”作为生产线的重要工艺段，与打叶段、除尘段都具有密切的连锁关系，彼此之间相应影响。打叶段作为预处理段输送的下一级工艺段，当打叶段启动完成后，给预处理发送启动完成连锁信号，预处理段二润仓式喂料机出料才能启动。当打叶段出现故障，润筒入口振筛、仓式喂料机出料段停止工作，而润筒子及出料端仍然工作，将筒子里面的料自动导出筒外[58]；此时如果仓式喂料机内的料还未到达1/3仓，则进料段仍继续进料，直到仓式喂料机过1/3仓后，一润入口振槽停止工作。预处理与除尘的连锁为环境除尘，不影响生产工艺，不对预处理有直接影响。2、预处理段启停控制：预处理段共分成2个工艺段，分别是仓式喂料机进料段(以下简称段1)、仓式喂料机出料段(以下简称段2)。2个工艺段都允许操作的情况下，按下线启动，全线电机从大到小依次启动；如某一段禁止操作下，按下线启动后，其余段电机从大到小依次启动，该功能操作界面如图3-8所示。图3-8电机启动界面3、预处理段水份与温度的手自动控制：温度自控：预处理段一、二润的温度全部为自动控制，同时在生产中也可以对自动控制进行人为干预转化为手动控制，转化控制操作通过点击回路手/自动实现，界面如下图3-9所示：图3-9温度参数操作界面二润水份自控：理想加水总量=前加水量+后加水量，实际中同时对温度有特定的要求，一部分蒸汽也同时被烟叶吸收，实际加水总量=理想总加水量-蒸汽含水量。前后加水量比例通过人为输入数值设定比例，因此，在二润筒水份自控中包含三个需要设定的参数：出口水份、蒸汽含水量、前水比例设定[17]，以上三个参数设定好后，在水份自动控制中，程序会自动计算水量，操作界面如下图所示：图3-10二润阶段水分参数设置界面在生产中由于不可预见因素，如：一润出口水份波动非常大、原烟水份太大、蒸汽压力变动等，可能造成水份控制不稳定，操作人员可根据实际情况把水分控制转为手动控制。1.2.4操作控制过程中的监控预处理段监控操作站对整个操作提供了一个监控界面，除上述说明之外，其他监控界面如下：1、设备分界面：在预处理段流程主界面，点击相关设备，可以进入该设备的相关分界面。在该界面中，对整个设备都有一个详细的描述和说明，比如，变频器的运行频率值、测控元件的状态等，主要的设备有一润筒，二润筒，二润前仓式喂料机等设备。如下图所示，通过点击屏幕左上方的“标签显示/隐藏”按钮，可以在设备流程界面和分界面显示和隐藏电机和测控元件的标签说明。图13二润筒分界面2、工艺参数的设定说明：在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对预处理段相关工艺参数进行设定。对于预处理段，工艺参数主要是变频器的频率值、二润出口水份、秤流量、一、二润温度设定等[57]。设定方法同打叶段设置。3、模拟量分界面：此界面主要完成模拟量的相关显示，柱状图，趋势图，温度、水分PID的设定，在润叶筒的模拟量界面还可以进行秤流量的设定等，如图3-11所示：图3-11二润喉加水的柱状图与趋势图1.3打叶阶段软件设计在每次投料生产前，必须对生产线上相关电气控制设备(各控制箱柜、执行部件、测控元件以及监控设备)工作状态进行检查，排除隐患。检查各电气设备的配电状态是否正常，对应功能键为：“电源状态”。如下图所示为打叶段电源控制界面，主电控柜和子站配电状态都显示在该画面中，如果供电正常，则显示为绿色字样或绿色指示灯；如果供电不正常，则显示为红色字样或红色指示灯，在电源控制画面同时可以显示各个应急开关的状态。图3-12打叶段电源控制界面检查整个网络是否正常，对应功能页面为：“网络状态”。图3-13所示为打叶段以太网网络状态示意图，图3-14所示为打叶段profibus-dp网络状态示意图。绿色表示当前网络通讯正常，红色表示当前网络通讯故障。图3-13打叶段以太网网络系统组成图3-14打叶段Profibus-DP网络系统组成检查与电机相关的各执行部件(变频器、软启动器等)状态，对应功能页面为：“电机状态”如图3-15所示。①如果保护开关跳闸，监控画面电机状态会显示为红色状态，如果本地隔离开关未合，监控画面电机状态会显示为黄色色状态，同时对应子站箱体面板上故障灯为红色指示；②对于变频器或者软启动器控制的电机，如果变频器或者软器本身故障，监控画面电机状态会显示为粉色状态，对应子站箱体软件页面面板上故障灯为红色指示；图3-15电机状态监视界面检查各测控元件和设备(光电开关、接近开关和限位开关)是否工作正常，如图3-16所示；图3-16各个检查开关状态监视界面检查相关监控设备(现场操作站)是否工作状态正常；注：所有的红色都表示故障或者是光电管未被堵，绿色表示正常状态。1.1.1投料生产前对相关设备的操作说明以及工艺参数的设定说明在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对打叶段相关设备进行操作或者工艺参数进行设定，保证生产工艺要求。1.1.1.1对相关设备的操作说明在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对打叶段相关设备进行操作，各种相关的操作大多都是在图3-17所示的打叶段起停操作界面上进行的。图3-17打叶段起停操作界面该界面可分为以下几部分：段起停操作、电机手自动控制选择、打辊运行方向选择、启动方式选择、停止工作方式和其他辅助功能。1、段启停操作：在自动控制条件下，当按下“线启动”按钮可以实现该段的全线自动启动；“全线停”按钮可以实现打叶段在自动控制条件全线立即停止；“打叶线停”是停止叶片汇总带以及所有的打叶进料段。需要补充说明的是，屏上的‘线启动’、‘线停止’按钮与操作站柜门上的硬件按钮作用是相同的，即：按其中一个“线启动”按钮就可以启动打叶段；按其中一个“线停止”按钮就可以停止打叶段。2、电机手自动控制选择：这一部分由一个三位旋钮和一个状态框组成(如图10所示)。此操作是硬件优先，当硬件在0位，便以屏幕中上次操作记录为准。当按下“自动”按钮时，则状态框中将显示“自动”字样，此时电机的启停是由程序实现自动控制的。在用户按下“自动”按钮的同时，如果想要切换到手动控制方式，用户必须首先按下“闭锁”按钮，而后点击“手动”按钮，方可切换到手动控制方式。3、打辊运行方向选择：由于一级打叶器与二级打叶器打辊均由可以双面打叶的双向电机驱动，所以在启动之前要先选好打辊运转的方向。打辊运行实际电流值可反映打辊载荷情况，可作为调节烟料流量的参考。需要特殊说明的是：打辊方向选择按钮在打辊启动后会自动锁存，防止在运行过程中换向，导致电机故障。当打辊停止后，该按钮才可以再次供用户进行选择。图3-18其他辅助功能除了上述说明的几个关键部分外，启停控制画面还包括图3-18所示的三个辅助功能按钮及其对应的状态显示框。①消音按钮：当有故障时，警笛会响起，则点击此按钮，可以消除报警笛声。②变频复位按钮：当发生变频故障时，排除故障后，点击该按钮进行变频复位按钮，以便恢复变频状态。③快速启动按钮:当由于工人误操作而发生空料启动的情况时,点击此按钮会加快打叶段的启动时间,在启动完成后会自动切换到带料启动状态,从而避免了带料启动时操作人员忘记取消空载启动而造成的堵料停车故障.1.1.1.2工艺参数设定软件设计在每次投料生产前，在监控设备(现场操作站)上必须对打叶段相关工艺参数进行设定，设置界面如图3-19所示，对于