Industrial Ethernet transformation for assembly workshop of Carbon Factory

KONG Xiang-zhou,MO Shang-rong

(CUMARK NEW TECH.(SHENZHEN CHINA) CO., LTD.,Shenzhen Guangdong 518108,China)

Abstract: SIEMENS’s configuration software? WinCC and S7-400 (300) PLC to build industrial Ethernet-based, carbon-assembly processes in aluminum workshop, achieve network-based control, remote management, the establishment of a information-based production management system;

Key words: S7-400/300; WinCC configuration; Industrial Ethernet

1 引言

????? 随着计算机网络技术的发展，以太网在工业控制领域发展迅速。与以往现场总线相比，工业以太网提供一个开放的标准，可以实现企业从现场控制到管理层全面的无缝联接，解决了由于协议的不同而导致信息孤岛的问题。

????? 但是当前有一大部分较早建立的工厂，由于当时技术限制，信息化程度不高，数据采用手工统计等落后管理方式。对于这一部分的工厂，如何进行有效信息化改造，是一个值得研究的方向。

????? 本文以中铝某分公司碳素厂组装车间的工业以太网改造工程为例，进行说明。

2 现状描述

????? 该碳素厂组装车间建设于90年代初期，其工艺和电气的设计起点较高，工艺上采用了先进的悬挂式输送机来连接阳极组装车间各工位，设备配置先进而且齐全，主要设备都是引进德国KHD公司的先进设备。其电气控制系统设计也采用了先进的PLC控制方式，采用的PLC为当时的主流产品，其中的PLC分为两种：引进设备采用SIEMENSS5系列，采用SIEMENSS5系列PLC控制的设备有6＃铁环压脱机、7＃铁环压脱机、8＃铁环压脱机、浇铸站、残极压脱、残极破碎、电解质清理、导杆清理、导杆矫直系统，悬链系统、新阳极输送、装卸站、电解质二次破碎、沾石墨、500吨破碎机等系统；国产设备采用国产华光SG-8、SU-6系列，采用华光SG-8、SU-6系列PLC控制的设备有悬挂式输送机、新阳极输送、残极装卸站、电解质二次破碎等系统。

????? 这些控制系统虽然设计起点都比较高，但都属于早期的、老式的产品，各设备之间采用硬件联接易出故障，缺乏统一网络化的管理，使得生产数据的采集、归档、统计、报表等方面的工作都不得不靠人工进行。因而，需要对控制系统进行升级改造，以实现集中化控制网络化管理

3系统要求和预期

????? 1 改造后的控制系统应具备强大的组网功能以及开放的网络功能，以便于接入预期的碳素厂生产MES系统，也便于与其它网络进行数据交换。

????? 2 改造后的控制系统应能全面实现监控、操作、报警、记录、报表和打印等功能。在满足生产需求的前提下，尽可能减免常规二次仪表。

????? 3 改造后的控制系统应是新型的、先进的自动化控制系统，以保证改造后的控制系统的安全性、稳定性和可靠性，以保障生产设备的安全、稳定和可靠运行。

????? 4 改造后的控制系统应具备易扩展性，便于系统自身容量的扩展。

????? 5 改造后的控制系统应具备改造前控制系统所具备的的控制要求和功能，同时具备新增部分的控制功能以及需要修改部分的控制功能。

????? 6 改造后的控制系统应保留设备的就地操作功能，以确保生产设备的可操控性，保障生产设备的安全运行。

4方案设计

4.1网络构架

????? 根据现状以及系统要求，工业以太网采用星形拓扑结构进行组网，核心节点都采用光纤交换机，其中中央控制室设置一个节点，中频炉、五百吨破碎、二次电解质破碎控制室分别设置一个光纤交换机作为分节点。

????? 以太网接入设备包括：工程师站，服务器，工作站，PLC站。

????? 工程师站为工程师调试维护系统之用，安装有Step7，Wincc开发版 SIMATIC NET 等软件。系统运行正常时，工程师站点不作任何操作，当修改PLC梯形图程序或服务器组态数据损坏时，可以从工程师站重新下载PLC梯形图和组态数据。

????? 服务器Wincc组态画面、数据等是从工程师站下载而来的。服务器主要是与PLC站点通讯，实时监控PLC站点状态，并根据预选设置，存储生产中的数据，同时把组态和实时数据共享给各工作站，工作站不直接与PLC通讯，所有的数据均读自服务器。服务器上预留MES系统接口。

????? 工作站是操作员直接参与生产控制的人机界面。操作员在工作站登陆服务器Wincc组态，输入用户名和密码，Wincc自动根据权限显示不同的画面。可实现实时监控、操作、报警、记录、报表和打印等功能所有数据均来自服务器，不保存任何数据。

PLC站点直接控制各设备，采集生产数据，通过以太网传送到服务器。

????? 车间原来由15套PLC系统组成，其中一部份为SIEMENS公司老一代的S5 PLC，一部分为国产华光PLC,旧的PLC系统已使用多年，大部分型号PLC已经停产，库存配件已近枯竭，很难满足生产要求，xx可以淘汰。

????? S7系统PLC为SIEMENSS5系列PLC更新换代产品，在产品结构和接线设计上有很大的延续性,根据现场实际情况，采用S7系列PLC替换S5系列。国产PLC也同时替换为S7系列PLC

根据客户要求增加工频率PLC系统一套。

????? 其中光纤交换机和服务器，是系统的关键设备，为提高可靠性, 单独提供不间断电源（UPS）供电，服务器设置两台互为备用。服务器Wincc组态根据说登陆的工作站名称不同，自动按权限显示不同的画面，防止不同站点的操作员误操作。

????? 组态冗余系统，通过两个互连服务器的并行操作和故障时自动切换服器，若其中一台服务器故障，客户机终端将自动切换到冗余服务器，若故障服务器恢复正常后，所有测量值档案和报警档案将被自动同步比较和更新。组态冗余系统可以提高系统的可靠性、降低停机时间、可增强 WinCC 和系统的总体可靠性。

以太网站点IP分配

PLC

站

点
?1#装卸站
?192.168.0.1
?
2#悬链
?192.168.0.2
?
3#二次电解质破碎
?192.168.0.3
?
4#残极压托
?192.168.0.4
?
5#采集破碎
?192.168.0.5
?
6#铁环压脱
?192.168.0.6
?
7#铁环压脱
?192.168.0.7
?
8#铁环压脱
?192.168.0.8
?
11#导杆清理
?192.168.0.11
?
12#沾石墨
?192.168.0.12
?
14#浇铸站
?192.168.0.14
?
15#新阳极输送
?192.168.0.15
?
500吨破碎
?192.168.0.16
?
中频炉
?192.168.0.17
?
PC

站

点
?工程师站（ES）
?192.168.0.100
?
服务器1
?192.168.0.201
?
服务器2
?192.168.0.202
?
工作站（中控室）
?192.168.0.203
?
工作站（中控室）
?192.168.0.204
?
工作站（二次电解质破碎）
?192.168.0.205
?
工作站（500吨破碎）
?192.168.0.206
?
工作站（中频炉）
?192.168.0.207
?
工作站（中频炉）
?192.168.0.208
?

?

4.2组态及程序

????? 在 STEP 7 的 全集成自动化框架内组态管理 WinCC 工程项目。这种方式下, WinCC中不用组态变量和通讯,在 STEP 7中定义的变量和通讯参数可以直接传输到WinCC 中。工程组态任务量可送还减少一半以上，并且可以减少组态错误的发生。

????? 全集成自动化的还可提供对重要的集成诊断功能。与其它SIMATIC组件相连接，SIMATIC WinCC支持对正在运行的系统和过程的诊断，即

－? 直接从WinCC进入STEP 7硬件诊断。

－? 从WinCC画面调用STEP 7程序块。

－? 应用WinCC通道诊断软件的通讯连接诊断。

－? 应用WinCC/ProAgent的可靠的过程诊断。

????? S5系列PLC要进行淘汰，其中的梯形图必须转化为S7梯形图，可以通过SIEMENS提供的Converting S5 Files软件进行转换。

????? 国产华光PLC梯形图可以手工转换为S7梯形图。由于梯形图较长，也可以采用自编程序对华光PLC原程序STL语言解析转化为S7源程序。

????? 原PLC站点之间采用硬件I\O方式通讯，易出故障，且不易更改。在新的系统中，PLC站点的通讯将采用以太网方式，提高稳定性和扩展性。

????? 对于相隔距离较远的单台设备,则通过Profibus? DP 现场总线将PLC与现场级连接ET-200分布式I/O模块之间的快速、循环的数据交换，具有快速的响应时间和高抗干扰度。并且大大减少控制电缆的敷设。

????? 利用SIMATIC公司PLC支持多任务工作功能,将原来工艺关联性很大的多个PLC系统程序合并到一个PLC中进行统一控制。硬件上通过Profibus 现场总线连接现场的远程扩展机站。

????? 在危险区设计布防视频监控系统。使用网络视频软件，可以实现视频网络多地方共享。

5现场施工调试

????? 1 首先构建整个车间的光纤和以太网架构，这样调试过程中可多人协同工作，程序调试和上位机调试可同时进行。

????? 2 核查原PLC控制柜的外接线路与PLC程序的准确性，统计好线路和元件改动和增加部分的工作内容。对原S5 PLC，可以保留原有柜体和低压器件等元器件、只需按S7更改相应配线成柜即可，降低了改造费用和风险。对于非SIEMENS品牌PLC，由于线路差别太大！则从新设计控制柜。

????? 3 现场部分老化电缆的更换, 不良接近开关、光电开关、电磁阀及部分MCC柜内部分元器件的更换和增加,新增的数字量、模拟量信号电缆的敷设，这可以避免PLC程序调试过程中的大量错误干扰。

????? 4 利用车间计划的停产检修时间（1.5～～2天/周）内,每个星期完成改造一套PLC, 详细实施步骤为:

※?? 对柜内原系统的模块、接线端子进行检查、核对、线号标记和拆卸；对每个进出电控柜的线路进行分类统计标记和拆卸。（部分柜体整体拆卸）。

※?? 在原柜内，按新设计图S7－400/300系统的模块、新增元器件、接线端子安装、电源线路、I/O线路接线（对部份柜体需整体拆卸后在原位安装新柜，按新设计图完成接线）。

※?? 程序下载及调试。

????? 5 视频监控部分的施工和调试。

????? 6 系统整体调试成功后，对模拟屏和现场部份废弃的操作柜（台）拆除。

6车间控制系统改造自动化水平

????? 1 改造后的控制系统具备强大的组网功能以及开放的网络功能，可以便捷的与其它网络进行数据交换。

????? 2 通过上位机实现整个车间设备的操作与监控，人机界面全面实现如下功能：图形制作功能、控制组态功能、程序监控功能、事故报警功能、故障诊断功能、数据记录功能、报表打印功能、网络通讯功能、权限管理功能、改造工作内容。

????? 3 改造后的控制系统保留了设备的就地操作功能，以确保生产设备的可操控性，保障生产设备的安全运行

7结束语

????? 1 该控制系统升级改造工程历时四个月，经过精心的方案设计，周密的施工准备，合理的施工安排，使车间的改造工作没有造成企业停产，保证了大型电解铝生产的原料工作供应，不但没有给企业带来停产的损失，还将改造的成本降到最小。

????? 2 设备状态及性能稳定可靠，各项功能指标均达到用户的工艺要求。系统的稳定性不仅得到彻底的改观，系统性能也得到提升。设备用户重新掌控了设备的可用、可靠和可维护性，用户不再受制于设备的不稳定。昂贵的进口设备又焕发出青春的活力。