1 DIET線的設計要求

本控制系統設計方案吸收了目前國內外CO2煙絲膨脹中的先進控制技術，并結合了富通電子企業有限公司近十余年CO2煙絲膨脹線開發研究成果，以及煙草行業對CO2煙絲膨脹工藝過程提質降耗、改善吸味、管控一體的要求。針對目前工業企業自動化系統的開放性、集散性、智能性、信息電子化和網絡化的特點，確定了總體設計思路為“集中管理，綜合監控，分散控制”，即本系統采用集中―分散型工業總線控制方式，將傳感器、PLC、計算機圖形、網絡、通訊等諸多迅速發展的技術結合在一起，用方便靈活的硬件和軟件模塊組合設計，以適應煙廠各種不同特點的工藝控制要求和管理要求，即是滿足工藝要求的精確控制系統和滿足管理現代化的管理信息系統。

2 DIET線的網絡結構

整個車間的控制和管理系統網絡結構共分為2層，即設備控制層和監控管理層。示意圖如圖1、圖2所示。

(1) 設備層
設備層是整個車間控制系統的核心，包含所有的現場執行器、傳感器元件、電控單機設備，以及參與控制與管理的電控元氣件及相關設備。整個設備層由PROFIBUS-DP網將整個工藝段的電控設備與該段的主CPU有機的聯接在一起。

(2) 監控管理層
監控層主要由控制主站、操作人員終端和控制網（工業以太網）組成。控制網將各控制主站間的PLC連接起來并接中控室的數據采集服務器。各控制主站間、控制主站與監控管理層間通過西門子公司的SIMATIC 100M（高速工業以太網）交換數據，完成各工藝段間相關數據（啟、停、故障、批次等）的傳遞。
放置各工藝段現場的操作員終端選用觸摸式人機界面，通過各控制主站CPU的MPI接口與網絡相連，完成各工藝（或設備）的本地監示和控制操作。
管理層采用以太網控制技術，實現對生產線的監控、生產調度與管理。整個系統主要由數據采集服務器（兼工程師站、Web服務器）、交換機、監控計算機、管理計算機、打印機以及車間級工藝調度計算機、檢測室計算機等組成。

圖1 整個車間的控制和管理系統網絡結構共分為2層








圖2 宜昌金絲BOC型CO2膨脹煙絲線電控系統標準配置網絡結構圖

3 設備層工藝段劃分

設備層為最低層，它采用西門子公司的PROFIBUS網中的PROFIBUS-DP協議。在現場測控元件比較集中的地方，利用ET-200S系列產品接連到PROFIBUS-DP網上，這樣可減少硬件連線，減少故障點，大大方便了系統的維護。所有分布式I/O產品都按一定的控制范圍安裝于分布式I/O控制箱內。分布式I/O控制箱則就近安裝于所控制的設備中間。安裝完成的防護等級達到IP54。在設備層共使用了3組西門子S7-400PLC及1組S7-300PLC。
全線控制系統共劃分為2個工藝段，即：冷端控制系統（EP1）、熱端控制系統（EP2）。

4 WinCC監控系統的組成和功能

4.1 監控系統的硬件配置
在控制層共設置三臺西門子工控機，其中一臺作為現場操作站，放在浸漬器下蓋門處，二臺放置中控室。主要負責人機界面與PLC之間的通訊，不同控制段的數據由本段PLC負責采集，送到PLC后由人機界面采用。控制層主要采用工業以太網，在此層上位機除完成對PLC內地址的讀寫操作外，還可完成一些簡單的報表和趨勢圖的顯示及打印，示意圖如圖3所示。






圖3 CO2膨絲 機組的基礎自動化網絡系統


WinCC 服務器和操作站的硬件配置為：
SIEMENS工業PC 機；
CPU Pentium IV 2.2GHz (Server)；
CPU Pentium IV 2GHz (Client)；
硬盤60G，軟驅1.44MB；
RAM 1G（Server）；RAM 512M(Client)；
CD-RW (Server)；
CD-ROM (Client)；
64M 緩存顯卡；
19” 液晶顯示器；
Intel 10/100 自適應以太網卡；
SIEMENS CP1613 (Server)；
工業防水鍵盤，軌跡球。

4.2 網絡拓撲結構
CO2膨絲 機組的基礎自動化網絡系統見上圖，筆者選用的是西門子公司的光纖將2個S7-400 PLC 控制器和1 個S7-300 PLC 控制器連到3COM 中心交換機的PLC 網段。工程師站、便攜編程器和HP 網絡打印機采用雙絞線按568B 的標準連到操作臺上PC 機網段的邊緣交換機上。PLC 控制器與WinCC Server 之間采用SIMATIC 工業以太網ISO 協議通訊，WinCC Server 與WinCC Client 之間采用TCP/IP 協議通訊。PLC 室與兩個操作室之間通過光纜連接。PLC 控制器與PLC 控制器、傳動裝置、R I/O 站通過PROFIBUS DP 現場總線連接。故通訊網絡的可靠性決定了整個監控系統可靠運行

4.3 軟件配置
自動化控制系統軟件采用西門子公司的PCS7 V5.2 軟件包，PLC 控制器采用STEP 7 V5.2，HMI 監控系統采用WinCC V5.1 版本。HMI 服務器和操作站都是采用WINDOWS 2000 操作系統,具有開放的編程環境。WinCC V5.1中Sybase SQL Anywhere 數據庫運行于服務器上，存儲在實時數據庫中的數據，可以通過多臺HMI Client 實現數據實時交換。作為Client/Server 結構，HMI 上監控的數據全部通過服務器提交查詢、修改等指令，通過光纖以太網再傳送至PLC，完成對現場設備的在線監控與操作。
WinCC 作為 HMI 軟件系統，它將工廠控制軟件真正集成進自動化過程中；用戶友好組件允許新的或已存在的應用程序的無錯誤集成；一個過程可視化應用程序能夠使用戶方便地觀察自動控制過程的全部特征。
WinCC 將WINDOWS應用程序的體系結構和便于使用的圖形設計程序結合起來。WinCC 包括用于解決過程監控和控制任務的所有元素：

WinCC 項目工程環境：
圖形―設計工廠現場；
歸檔―將帶時間標識的數據/事件存儲到SQL 數據庫；
報表編輯器―為要求的數據產生報表；
數據管理器―定義并采集現場數據。

WinCC 運行系統：
允許在工廠現場或控制室的操作員與機械應用相互作用。

HMI 的編程工具WinCC 具有可擴充性、開放性：
基于客戶機/服務器模式；
從簡單到復雜的任務擴充；
集成ODBC/SQL數據庫；
強大的標準接口（如OPC、OLE、ActiveX）；
通用的腳本語言ANSI C；
針對所有主要PLC 廠商的通訊接口。

4.4 WinCC實現的主要功能

(1) 監控系統操作員管理功能
通過上位機系統可對車間管理人員的操作權限進行管理，即在每天開機前上位機可對現場操作站的操作權限進行分配。






圖4 監控系統操作員

(2) 工藝參數的管理功能
由于不同等級的煙絲對于熱端的工藝參數有著不同的要求，所以通過上位機可對不同煙絲所對應的一組工藝參數進行處理，如圖5所示。










圖5 對工藝參數進行處理

(3) 統計功能
通過對監控軟件的腳本進行編程，可對上位機所采集數據進行統計運算，計算出成品煙絲合格率，如圖6所示。






圖6 對上位機所采集數據進行統計運算

(4) 監控功能
位于冷熱端的工控機可對冷熱端、燃燒爐的工作狀態進行監控，并可實現對設備的遠程操作及工藝參數的修改；
位于浸漬器上蓋門及壓縮機組的觸摸屏可使操作人員對浸漬器及壓縮機組進行相應的本地操作，并在觸摸屏上對浸漬器的19步步序及壓縮機工作狀態進行指示；
上位機則可對膨脹段設備進行監控，但三臺上位機有著不同授權，每一臺上位機只能對具有授權的設備進行監控；
可對水分、溫度及流量等信號進行趨勢圖顯示及打印。如圖7所示。

(5) 報警功能
上位機均有報警功能，并可對報警進行應答及復位，而且還可顯示出報警點位置，并通過不同顏色來區分哪些報警以做了復位，哪些報警只是做了應答。如圖8所示。






圖7 監控









圖8 報警


4.5 WinCC上位監控作環境
溫度低于30℃，相對濕度50%-60%。
室內設施：
地面采用防靜電地板，并可在地板夾層內走線；
隔離、防塵；
視線良好，能觀察車間全貌。
提供與生產線獨立的220VAC電源，容量10kVA。
提供獨立接地點，接地電阻小于等于1Ω。

5 結語

綜上所述，宜昌金絲CO2膨脹煙絲線的WinCC 監控系統在網絡硬件和軟件控制思想方面都有一定的先進性，對其它CO2線都有值得借鑒和學習地方。通過對西門子自動化系統的集成降低了整個生產線操作故障率與操作工地勞動強度，提高了勞動生產率。由于該機組自動化水平較高，使得整個生產線只有6個操作工負責操作和生產。目前該系統已調試完成，運行穩定。