SCADA系統在打葉復烤線上的應用

一、系統特點與要求
打葉復烤線是用來對煙葉進行加工，使其滿足存儲與制絲的工藝要求，是為捲煙企業提供優質煙葉原料的關鍵工序。生產線分為預處理段、打葉段、復烤段、除塵段。各段共同組成煙葉生產流水線。整條生產線設各繁多，分散，分佈時變參數多信息交互量大是複雜的生產過程系統。因此需要構建SCADA系統以實現對煙葉生產線數據的檢測與控制。系統應該達到的總體要求是：
1）為滿足系統的實時多任務監控需求，系統要有高可靠性，數據交換要決速，抗干擾能力強，要採用分層控制方式關鍵部分採用冗餘技術。
2）具有良好的圖形界面，能夠動態，直觀地反映整條生產線的工藝流程，設各狀態便捷的操控界面，完善的報警功能，以及完善的趨勢分析等。
3）生產線分為多個工序段，為了生產協調需要能夠實現多用戶，多點分佈監控，有利於現場各工序點及時、快速對生產狀態作出反應。
4）要能實現生產管埋功能，監控資料庫和管理資料庫之間的數據交換。並可通過ODBC.SQL等技術與管理層資料庫進行數據交互。
二、系統設計
SCADA監控系統總體結構採用PC+Ethernet+PLC+IN-TERBUS模式構建，系統分為：設備層、控制層、監控管理三層網路，監控管理層根據工業Ethernet協議構建，PC通過交換機組成區域網，實現客戶／伺服器分散式監控、管埋控制層採用INTERBUS現場匯流排（FCS）連接PLC、分散式I/O.FCS儀錶構成控制網：設各層包括各種感測器和執行器2.1PLC+INTERBUS現場匯流排
控制器採用德國Phoenix公司PC-BASE主控器RFC430，它集成了工業Ethernet網介面，RS-232和INTERBUS現場匯流排介面，通過INTERBUS匯流排與遠程分散式站點件進行數字化信息交換同時通過Ethernet網與上位監控系統連接，實現了工業Ethernet和FCS耦合。RFC430控制器1k字指令執行時間為0.1ms，保證控制的實時性。控制程序採用Flash卡存儲，防止數據的丟失。採用符合IEC1131-3標準的PCWORX控制軟體開發了功能塊圖（FBD）程序，實現了各段工藝流程式控制制.
INTERBUSFCS，採用集總幀傳輸協議，有效數據傳輸率高達52%，掃描4096I/O點的時間僅為7.8ms（500Kbps）。而且INTERBUS採用了光纖傳輸，降低了電磁干擾造成的故障：同時INTERBUS具各強大的故障診斷功能因此滿足了系統下位控制實時性、可靠性的要求
由於採用了FCS技術，減少了現場布線，降低了安裝成本，系統擴展性好。5套RFC430控制器（用於相應的工藝段控制）設置於主控櫃內；根據現場設各分佈需要，就近安裝控制子站用於現場設各信號的採集、控制。子站採用終端IBSST24BK-LK模塊（相當於遠程和本地網的交換樞紐，完成數據轉換），連接到INTERBUS匯流排，同時在本地子站掛接各種I/O模塊，其處理的信號類型包括4-20mA，110V，熱電偶、熱電阻等標準信號.
由於INTERBUS匯流排開放性，大量選用了符合INTERBUS標準的Lenze變頻器，ABB的軟啟動器、紅外水分儀，E+H的電磁流量計等，它們通過INTERBUS光纖介面模塊直接掛接到INTERBUS匯流排上，實現了儀錶設備所有參數數據的全數字式採集和設置，充分發揮了智能儀錶的分散控制功能；大大減少了信號遠距離傳輸造成的衰減和干擾口適應了復烤線控制器件多，位置分散、易受干擾的特點。由於下位控制系統的先進性為上位監控提供了可靠、高效的數據支持。
2．PC+Ethernet網
根據生產的需要在每個關鍵工序段設置監控站對本段設備進行的現場監控；同時在中控室對整條生產線進行集中監控。實現了多用戶、集中／分散式監控。在中控室，配置兩台高性能監控資料庫伺服器，通過NCRLifeKeeper雙機容錯軟體包和磁碟陣列實現雙機熱備容錯，以防止數據受到意外事故，造成數據丟失口其型號為IBMNetfinity5600選用兩台監控計算機分別用來對生產線的前／後段進行集中監控。主機採用IBM電腦，SONY21寸高清晰顯示器。同時在工序段現場設置7台ICP工控機。並增加管理、編程計算機對控制系統進行編程、故障診斷、設備管理。通過UPS對伺服器、監控計算機、主控器、報表印表機HP8550DN進行單獨供電，防止掉電造成生產停機。
在中控室放置一台ForeSystemESX3000交換機，負責連接5套InterbusFCS系統、監控機、伺服器、管理、編程計算機。並採用4台CISCOCATALYST2950交換機，負責連接各工序段的現場監控站、新增鋪把、精選、環境除塵、潤葉PLC.形成一個完整的監控網路由於採用了工業Ethernet交換網技術，降低了網路負荷，減少對網路資源爭奪造成的衝突，通信的「確定性」和實時性得到保證。
根據監控系統的各種參數指標和控制要求，伺服器資料庫採用MSSOLServer2000.它擔任整個網路系統的據服務工作，構建客戶／伺服器結構。監控軟體採用澳大利亞悉雅特公司Citect工業組態軟體進行開發，運行於Windows2000平台。Citect組態軟體由Configuration Environment（組態環境）和Runtime System（運行環境）兩部分組成。
3.通信方式
Citect和RF430主控器採用了OPC方式進行通信，在資料庫伺服器運行Phoenix Contact公司的Interbus OPCServ-er：通過它來訪問控制器RF430上需要監控的數據，所有Citect監控程序作為其客戶端.client利用DCOM技術，通過區域網對運行於Windows/2000平台的OPCSERVER進行數據訪問，實現伺服器和客戶端數據的透明訪問。OPCServer為基於Windows的應用程序Citect和PLC控制程序建立了橋樑，實現了數據的開放和互操作。
OPC使Citect監控與RF430控制程序的數據通訊非常方便、可靠。OPCServer根據配置變數表，循環訪問的PLC.並緩存所獲得的變數；同時客戶端Citect與緩存進行數據交換，即可實現數據的實時交互。OPC通信方式數據刷新率很高，響應能力強。（如監控變數分為tPD/DA和CSV兩種。其循環更新時間對tPD/DA為1000Byte小於50ms，對csv變數1000Byte小於500ms.）保證了數據的更新速度，滿足了監控和下位控制系統實時通信要求。
對於新增PLC由於監控點數較少，採用乙太網直接通信方式，在西門子s7-300端增加CP343-1Ethernet模塊GE控制器端採用CCM通信模塊，通過交換機實現和Citect監控系統的數據通信。原監控系統實際點數為2700多點，選用了3000點檔的授權。為節約成本並未升級組態軟體點數。採用軟「壓縮」和軟「解壓縮」也同樣解決由於新增PLC控制系統而造成點數不夠的問題口辦法是：先通過下位機PLC功能將點數壓縮，將個獨立的控制點組合為16個一組，及一個字，通過字進行通信，相當於16：1的壓縮比，然後在上位機Citect中將這些字信息解壓縮，及將這些字分解為有實際意義的位信息。如VarWord是由PLC傳送到上位機的一個包含16位信息的整形變數。因為數值量只有0，1兩種狀態，所以要判斷16位中的第n為採用下式：VarBit-n=VarWordBLAND（2n），BitAND是與運算指令，布爾型值，根據上式結果，即可執行相應的操作。節約了經費開支實現了同樣的控制。
三、監控程序設計
利用Citect為監控系統組態，使監控界面友好，易於操作，圖形形象豐富能以動畫的形式實時顯示現場設備的運行狀態並開發了完善的管理功能，方便了操作人員監控，減輕了其勞動強度。中控站完成生產線所有畫面的顯示與上位操作各現場工控機站分別完成每個工序段的監控。共開發了有70多幅監控畫面。
（1）各段工藝流程圖
包括打葉段的打葉、風分機組、煙葉輸送設備烤片機各區設備預處理煙葉解把、切尖、潤葉、加料設備的流程總貌圖。各工藝段又劃分為：設備動態顯示圖水分、溫度、加料、轉速控制調節圖變數趨勢畫面分析圖等。
1）由於整條生產線使用了近400多台各型電機並且電機又分為：變頻、軟啟動器、接觸器三種控制方式。如何快速、簡潔她反映各種電機的狀態，是系統開發的關鍵。對此我們採用了Citect的GENIES，SUPERGENIES（精靈、超級精靈）來實現。首先用超級精靈構建一個電機類，為該類添加各種屬性和方法：根據電機實際信號，通過顏色、文字來反映其的狀態，如故障、運行、停止等屬性手動啟／停等方法。然後建立精靈，它在畫面中代表電機的簡略圖，根據不同的顏色表示電機的啟／停、故障、隔離開關的閉／合。然後在精靈中編寫腳本，調用超級精靈（點擊精靈后彈出超級精靈，詳細反映電機狀態）。AssPopUp（「!mo-Tor＿Vf"，"空氣開關％」，「％隔離開關％」，「％運行指示％」，「％變頻器狀態％」，「％電機名稱％」「％電機號％」「％額定功率％」，「％額定電流％」）；!motor＿vf是被調用的超級精靈其後是電機的結構變數（相當於型參），對不同的電機實例賦予不同的實參，即可完成電機的類調用實現了類模塊化開發，大大提高了效率對於20多個「軟控制器」採用了同樣的方祛來開發包括控制器的狀態（MAN/AUTO），內／外控的切換、調節參數、SP.PV.OP值及實時調節曲線的顯示，並對SP/PV進行分析，以便及時進行控制參數調節以滿足控制工藝要求。
2）利用趨勢圖可以直觀地分析設定量與被控量的關係，評估控制效果，並進行相應的調整應用Citect提供的大量內部函數，可實現了對趨勢圖靈活控制，如TrendSelectPen選擇要顯示的趨勢（TREND）變數；為用別的軟體分析當前的趨勢數據，編寫函數ExportFileButton把當前趨勢數據導出為CSV或dBASEⅢ格式文件，以便分析〔如SPC控制）、顯示和存儲TrnPrint實現趨勢圖的列印.
（2）組合操作
包括遠程、本地控制，單機、閉鎖、自動選擇，組合啟動／停止、煙葉進出儲櫃選擇等功能。操作員通過監控計算機，選擇控制方式，發出指令到主控器，完成相應的操作如在監控畫面上按下「打葉段啟動按鈕」則調用Start-Dy（）函數，發出生產線啟動脈衝.IFMessage（"確認"，"起動打葉段嗎？"，33）=0THENDy_autostart=1；／／啟動變數SIeepMS（500）；//延時Dy_autostart＝0；//複位
（3）報警功能
報警包括開關量報警如：變頻器故障、空開跳閘、安全限位開關報警模擬量報警如：水分過高／過低，蒸汽壓力報警系統報警如通信I/OServer故障等。根據採集到的數據通過腳本進行判斷，如有異常情況，則進行的文字、語音提示。而且編寫腳本AIarmDspLast在主畫面醒目的位置顯示最新的報警.語音報警程序如下：
tasknew（"soundtaskl"，""，8）／／觸發語音報警函數soundtaskl，參數8為調用模式
FUNCTIONSoudtaskl（）DspPIaySound（"[run]：soundl.waV"，0）；//語音報警
文字報警首先組態報警類別，包括報警文本顯示格式、故障發生／消除時間，報警設備、內容描述、確認顏色等，然後在類別中添加控制器中需要報警的變數.
故障發生進行提示的同時把報警記錄存入ASCⅡ＿DEV類型設各ALARMLOG中，生產結束時觸發SOL腳本，通過ODBC方式把報警記錄存入伺服器的資料庫中。以便將來查閱分析排除故障后，調用腳本來確認報警通過這些措施實現了決速、直觀的故障診斷為生產維護帶來了極大的方便：同時通過統計、分析歷史故障有助於設各故障的預防維護。
（4）控制設備參數表
用於設定各工藝段的煙葉的加工參數如：電子稱流量，煙葉水分、溫度、電機轉速等等。
（5）管理功能
主要利用CicodeEditor編寫腳本，實現煙葉生產相關的管理。
1）由於加工的煙葉根據特性分為42個等級，對不同的等級需要採用不同的加工參數，因此建立配方資料庫，根據生產需要進行配方的查尋、調用、更改、增減。開發中採用了SQL腳本通過ODBC方式的訪問網路資料庫SQLSERVER實現了煙葉加工的配方管理具體過程：首先在SQlServer中建立表PeiFang用於存儲煙葉加工配方參數，並在Cltect實時資料庫中組態dBASE數據表RECIPE.DBF，用於數據的轉存在打開配方管理的事件中調用函數OpenRecipeQ.獲得RECIPE.DBF的句柄hReclpe-DevOpen（"RECIPE0），然後調用函數UpdateForm（）用RECIPE中的數據更新參賽表配方選用事件調用Selec-tRecipe（）函數把參賽表直接賦給PLC用於實際生產配方查尋事件調用SearchFormQ函數根據查尋條件從表PeiFang獲取數據，存入RECIPE表中並調用函數UpdateFormQ更新參賽表，完成查尋配方更換事件調用函數UpdateReclpe（）。把現在生產所使用的配方參數，更新表PeIFahg，實現配方的更新杳尋流程如圖1，查尋分為煙葉配方號（NoFlag）、煙葉等級CGradeFlag）兩種方式SQLExec執行查詢hSQL為連接資料庫后返回的句柄QUERYSTR為查詢字元串UpdateForm腳本函數，用於更新配方顯示參數表。
2）統計包括生產產量、有效作業率兩方面對每個班組產量統計，首先在控制程序中對動態電子皮帶稱煙葉重量脈衝累加，得到投料累計重量，利用腳本寫入資料庫而有效作業率是根據控制系統狀態（包括故障，生產，暫停）標誌進行時間累加，並計算得到最後對每個班的生產有效作業率，產量進行報表列印組態，作為班組考核依據.
（6）系統的安全性
為防止未經授權的人員進入系統，進行操作、修改，設置了不同級別的操作許可權，不同的用戶只能根據許可權進行相應的操作本系統設置了系統管理員級、生產管理員級、操作員級、電氣修理員級四種不同的許可權。管理員級、電氣修理員級可進行系統維護；操作員級進行日常的操作生產管理員級可以進行各種參數的設置。具體實現如下：首先在資料庫表vwUser中定義用戶名，密碼，許可權。然後根據輸入用戶名通過SQL查詢其許可權，對RCltect用戶許可權級別設置，賦予登錄者不同的操作許可權防止了無授權操作同時對每台監控機的所有操作時間、內容，操作人員編寫函數TransLog進行記錄，一但出現問題便於檢查通過這些措施，保證了系統的安全性。