梅州市西门子一级代理商

 1 前言

    3M中国有限公司是我国特区外的第一家外资独资企业，其生产的产品涵盖各行各业达数万种，由于市场的飞速发展，公司于九十年代末在上海松江又投资兴建了第二座占地面积近14万平方米的现代化工厂。随着生产的不断扩大与生产工艺的不断增加， 
我们发现原有的各车间分立式控制对于我们的故障诊断、工艺分析及质量监控都带来了极大的制约，因此急需一个完善的厂级设备网络系统以进行集中有效的监控与管理。

    考虑到系统与母公司的通用性，我们选用了美国Inbbblution ? 工控软件Fix32作为上位机的数据管理与监控软件，各车间的分立控制器由于均使用了AB公司的PLC5可编程控制器，因此可以通过其专用的DH+局域网联到上位机。

    2 网络构成

    AB的DH+局域网多可挂64个站，通讯速率根据传输距离（>300米）与主机型号(PLC-5/40, PLC-5/60)我们选用了57.6K，其网络拓扑结构为主/支干或雏菊链，由于原独立设备网络上站点过多且考虑到连接距离的限制(<3048米)，我们将整个网络整合成三个独立的DH+局域网，通过AB的1784-KTX(单通道)与1784-KTDX（双通道）连到上位机服务器上，服务器选用了INbbb的PI服务器，配置为PIII750、18.2GSCSI硬盘、384M ECC内存，Fix32 多可支持8个通道因此对于系统今后的扩展显得措措有余。对于各设备分立控制器原属的局域网在合并后如果发生有站号相同必须作相应调整以防止冲突，而网络终端电阻亦须作相应调整以适应新网络的通讯模式。

    系统的三个局域网分别包含了如下各独立车间 
    
    A) 原料处理车间，计有炼胶、混合、剥离等 
    B) 生产车间，记有涂布、烘箱、废气处理、卷绕、贴合等 
    C) 成品车间，记有预检、防伪、切割、包装、废料处理等

  上位机对各车间生产设备进行数据采集与管理，并通过TCPIP协议与公司的企业网相联，各授权的工程师、领班、维修员及生产经理等则可以在自己与企业联网的客户机上访问相关的生产设备了解生产进程与设备状况。系统将所有设备发生的报警、故障及远程修改均作实时打印以备案，同时上位机的退出运行、死机或断电等都不会影响各车间设备局域网的运行，Fix32更能通过权限设置以阻止非法用户将系统强行退出、更改数据等恶意操作，保证了系统的可靠性与稳定性。

    3 应用举例

    3.1 远程监控

    由于生产设备的相对分散性，工艺工程师、设备工程师、维修技术员、生产经理等如果作一次生产轮巡需要花费相当长的时间，因此我们给相关的工程师、维修部及生产经理等人的办公室电脑、手提电脑上安装了Fix32软件，由于公司内的电脑均已经联上了内部企业网，因此只要将上位机的IP地址加入到各电脑的网络主机设置中去便可以顺利地在各自的电脑上方便地观察各车间生产设备的工作情况，对于一些授权的人员如维修部等还可以增加权限如报警复位、参数修改等。远程监控的好处是可以满足同时对各工艺流程进行快速观察，并及时帮助纠正错误的生产参数设置。而生产经理则当出差在外的时候只要通过其手提电脑拨号连接到企业网便可以查看各车间的生产设备，做到无论何时何地都能及时了解工厂的生产情况。 3.2 故障诊断与预防性维护

    由于工厂远在郊县，当设备发生故障需要及时处理时，相关设备工程师有时候不得不从市区赶往工厂，这样不仅增加了设备停机时间从而导致生产成本居高不下，而且这种结果常常是效率低下，耗时耗力。Fix32正好发挥了其遥测遥控(SCADA)系统的优势，当接到设备故障信息时，相关的设备工程师首先打开家中的电脑，通过调制解调器拨号登陆到公司的企业网，再运行Fix32软件中的画面程序查看相应故障点，根据系统提供的故障及其他辅助信息并结合经验迅速判断故障原因并找到解决方法，然后便可以从容地指导现场领班或维修技术员解决问题。实际使用发现绝大多数的故障都可以通过这种远程诊断的方式予以解决，一项便大大降低了生产成本。为了确保系统安全，我们在安全组态中指定除Fix32系统管理员外，其他任何远程登陆的授权用户都只有观看的权限而没有修改的权限，而一些敏感工艺的画面也可以被屏蔽掉以防止无关人员涉及，公司企业网则严格管理授权用户组，并装设了防火墙以阻止非法用户的入侵。

    由于Fix32的强大功能，我们将其接收到的数据信息进行智能处理使它实现了预见性维护(PdM)的功能。当有故障发生时，相应的数据节点、起迄时间、数据值、数据描述等信息被一一打印出来，并且可以通过预先编辑的画面将故障点的位置以图形化的方式描述出来以供进一步识别，用户更可以通过程序预设的链接文件调出相关的故障描述文档以供详细识别多种故障原因并存的情形。

    3.3工艺分析

    鉴于生产规模的不断扩展及新工艺的层出不穷，如何通过分析历史工艺数据以改进现有工艺成了一大难题，传统的方法是人工定时从生产线采集样品与记录工艺数据进行实验分析并将反馈结果用于工艺调整的依据，这种做法不仅分析周期长而且人工采集数据带来了很大的人为因素，因此造成了工艺改进周期长且效果不佳。Fix32系统特有的历史数据实时采样功能发挥了强大优势，我们根据工艺工程师的要求筛选出需采样的数据以3秒为周期进行实时采样。当然为了减轻系统负担，有必要将采样数据的时间做适当的相位交错处理。采集到的数据历史趋势在Fix32的历史显示画面中可以直观地显示出来，这还不够，我们需要将这些数据进行统计分析以确认各工艺参数之间的相互作用。Fix32的历史数据库内的数据可以直接输出为文本文件，将文本文件中的数据导入第三方的统计分析软件中去如Minitab，接下来的工作便可交给它来完成，充分详实的数据是统计分析结果可信度的关键。统计分析出的数据揭示了各工艺参数在生产中的相互作用与各自功能，由此帮助工艺工程师作出正确的调整方案，做到有的放矢。实践证明，Fix32的实时数据采样给工艺分析带来了极大的方便，它不仅帮助我们大大缩短了新工艺的生产周期，而且大大提高了新工艺的工艺调整的准确性。

    3.4质量跟踪

    在生产中偶尔会遇到客户投诉质量问题，传统的方法是通过产品的特定生产批号查到当时的某些生产数据如生产日期、原料批号、质检员、操作员等，而实际发现除了这些问题外，还有许多关键因素如产品的理化特性(张力、涂布厚度、线速度、胶水粘度等)及生产环境(温度、湿度、循环风量等)在产品质量上同样也起着举足轻重的作用，失去对这些因素的分析便失去了在质量问题判断上的全面性。Fix32的历史数据记录正好弥补了这方面的空白。我们将可能影响质量的关键数据也以3秒为单位每天24小时记录，记录的数据保存到光盘以利于长久保存和分析。这样只要知道生产日期，我们便可以查寻到当天所有记录在案的生产数据，Fix32支持多8个数据在一个历史画面上同屏显示，这样便可以迅速帮助质检员判断问题所在。

    4 结束语

    实践证明，遥测遥控系统投入运行的两年多来，一些疑难工艺问题、困扰多时的设备缺陷都获得了成功解决，取得了明显的经济效益。在生产设备分布较广、质量监控要求较高或进行新产品新工艺试运行的场合，使用遥测遥控系统可以说是一种行之有效的方法，值得推广。

 1. 概述

    变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。

    成都市自来水公司六厂日产水量60万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自1996年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得我厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，我厂使用一台泵同时向郫县供水和提供我厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如消毒环节中的水射器）能正常工作，我厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法。根据我们对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大（见后图5），如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的安全可靠性。

    2. 控制系统构成

    整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行。

 PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器，变频泵选用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为0~1.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为4~20mA的电流信号，送到PLC子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出4~20mA的电流控制变频泵的运行。

    3. 控制原理及功能实现

    3.1 PLC控制系统简介

    我厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话。RSView工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。

  3.2 恒压供水的控制原理

    SAMI STAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。LOCAL操作方式下，通过LOCAL START/STOP开关启停变频器，通过f REF LOCAL bbbbb0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTE START/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过f REF REMOTE bbbbb0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，我们把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在0~50Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE bbbbb0、4~20mA信号输入）；X11-15/16（输出4~20mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出4~20mA变频泵运行电流信号）。变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。
为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，我们使用PLC进行PID运算和监控。

   PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。PID程序段流程如图4。PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于我们恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，我们将KD尽量设置得较小；SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算结果作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。

    3.3 相关控制功能实现

    为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。我们分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站））；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过RSView设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制，否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV。

    同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。

    4. 运行效果分析

    4.1 有效保证郫县供水和我厂自用水压力稳定，提高我厂供水安全可靠性

郫县小时供水量变化很大，如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节我厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然我厂自用水秒流量变化不大，但由于我厂自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，我厂自用水压力基本恒定不变。这样保证了我厂加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的消毒工艺流程，从而保证我厂出厂水水质，提高我厂供水的安全可靠性。

    4.2 高效节能

    通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。

    在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。

    4.3 提高自动化水平

    根据我厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了我厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。