監(jiān)控系統(tǒng)在糧食儲備庫中的優(yōu)化設(shè)計

◎ 韓光輝，魏鵬飛

（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053）

1 項目簡介

該項目是一個新建項目，主要實現(xiàn)針對汽車來糧接收的自動控制。本系統(tǒng)的被控對象包括斗提式輸送機、皮帶輸送機、電動閘閥門、除塵除雜設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等。從工藝上講，本項目只有進倉流程，主要實現(xiàn)進倉作業(yè)的自動化控制。從被控對象上看，設(shè)備類型多、數(shù)量多。

從糧食儲備庫工況來看，閘閥門、傳感器、除塵器經(jīng)常發(fā)生故障，需要特別處理以減少設(shè)備停機時間。從人員上看，本項目的操作員不熟悉自動控制系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)必須注重實用性、易用性，盡量從技術(shù)上減少操作員的錯誤操作。

2 PLC S300+WINCC7.0的系統(tǒng)構(gòu)成

本項目按照集中管理、分散控制的思想。控制系統(tǒng)從功能上分為三部分：上位機操作員站、下位機控制站、通信網(wǎng)絡(luò)。由現(xiàn)場檢測裝置、現(xiàn)場開關(guān)、急停開關(guān)、現(xiàn)場操作箱、PLC、工業(yè)交換機及工控機等構(gòu)成[1]。

2.1 操作員站

操作員站作為人機交互界面，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)操作和設(shè)備的監(jiān)控功能，負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與管理等。選用一臺研華IPC-810E工業(yè)控制計算機作為操作員站，采用西門子WINCC7.0開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 下位機控制站

輸出模塊和通訊模塊等，構(gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3 通訊網(wǎng)絡(luò)

控制站作為整個控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)設(shè)備的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能?？刂普静捎脴?biāo)準(zhǔn)模塊式結(jié)構(gòu)化PLC：電源模塊、CPU、輸入模塊、

通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，其可靠性、實時性事關(guān)重大。本系統(tǒng)選用西門子CPU315-2EH作為主控制器，帶有2個以太網(wǎng)口和1個DP總線接口，CPU向上通過工業(yè)交換機與工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，向下通過DP總線與PLC從站及儀表通訊?？刂葡到y(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 PLC程序的開發(fā)

PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)項目設(shè)備類型和工藝要求來編寫各控制功能塊。主要控制模塊包括主設(shè)備控制功能塊、輔助設(shè)備控制功能塊、故障處理功能塊、流程選擇功能塊和IO轉(zhuǎn)換功能塊等。

根據(jù)設(shè)備的不同類型，建立相應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)變量，選擇相應(yīng)的控制功能塊就可以很大程度上提高編程效率。設(shè)備單機控制包括斗提機控制、皮帶機控制、除塵除雜設(shè)備控制、閘閥門控制和軸流風(fēng)機控制等。

根據(jù)流程作業(yè)的要求，編寫流程初始化程序、流程選擇程序、流程控制程序。其中，流程控制程序包括輸送設(shè)備的啟停邏輯控制、除塵器的啟停邏輯控制、閘閥門的開關(guān)邏輯控制等。其他還包括電表數(shù)據(jù)處理程序、報警處理程序、程序測試、控制系統(tǒng)通訊狀態(tài)等。

4 WINCC監(jiān)控畫面的開發(fā)

監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)從實用性、易用性的角度出發(fā)，包括登錄畫面、總工藝畫面、流程選擇控制、閥門管理、報警總覽、電能管理、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)配置。其中，總工藝畫面作為主畫面，監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位機監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)圖

4.1 總工藝畫面的設(shè)計

總工藝畫面作為操作員作業(yè)時主要監(jiān)控畫面，可以分為標(biāo)題欄區(qū)、畫面導(dǎo)航區(qū)、流程信息顯示區(qū)、系統(tǒng)按鈕區(qū)、工藝畫面區(qū)和報警區(qū)等6個區(qū)域，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的總工藝畫面圖

標(biāo)題欄區(qū)顯示了設(shè)計單位、項目名稱、當(dāng)前操作員名稱及當(dāng)前時間，畫面導(dǎo)航區(qū)用于不同畫面的切換，這兩個區(qū)域是所有畫面的共享區(qū)域。流程信息顯示區(qū)顯示當(dāng)前作業(yè)流程的類型、流程號、流程狀態(tài)、使用設(shè)備等。系統(tǒng)按鈕區(qū)包括全局連鎖、全局故障復(fù)位、總急停、開車預(yù)警和報警測試等。報警區(qū)用于顯示當(dāng)前最新報警，并啟動聲光報警器來提示操作員。工藝畫面區(qū)顯示糧食物流總工藝，包含所有可監(jiān)控設(shè)備。通過設(shè)備的顏色變化可直觀顯示出設(shè)備的狀態(tài)，如運行為綠色、故障為紅色、單機為黃色、連鎖為藍(lán)色等。通過鼠標(biāo)左鍵點擊該設(shè)備在彈出的操作窗口中，可對該設(shè)備進行單機啟停、手自動切換、故障復(fù)位、設(shè)備狀態(tài)查看等操作。通過倉上提示的信息能快速查看到正在進行的進倉作業(yè)。對于一個新的操作員，通過設(shè)備主要顏色、鼠標(biāo)操作提示功能可以快速適應(yīng)系統(tǒng)，減少誤操作。

4.2 分畫面的設(shè)計

本系統(tǒng)分畫面設(shè)計按照功能劃分，清晰明了，操作簡潔，避免了操作員的誤操作。

流程選擇控制畫面包括進倉流程選擇、流程控制、流程信息顯示等功能，流程控制包括流程保存、流程取消、流程啟動、流程停止和流程急停等。流程控制信息顯示所選擇流程的基本信息，包括流程號、流程作業(yè)類型以及此流程使用的設(shè)備。

閥門管理畫面由于工況復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)閥門傳感器故障的情況，為了減少設(shè)備停機，當(dāng)現(xiàn)場閥門傳感器故障時，在手動將閥門搖到位時，在確認(rèn)閥門位置后，仍然可以使用流程進行作業(yè)。報警畫面顯示所有被監(jiān)控的設(shè)備的報警信息，包括報警設(shè)備、報警類型、報警時間等。電能管理畫面顯示設(shè)備的運行電流、額定電流、電流百分比設(shè)定，其中電流百分比的設(shè)定需要獲得授權(quán)。參數(shù)設(shè)置在調(diào)試時為避免失速和堵料傳感器報警，為了減少設(shè)備停機時間，可以設(shè)置故障信號不停機；設(shè)備故障屏蔽后還有故障報警，但不會再因故障導(dǎo)致停機。該功能同樣需要獲得授權(quán)。系統(tǒng)配置畫面可顯示控制系統(tǒng)的硬件配置，監(jiān)控各PLC站狀態(tài)，修改操作員密碼，變更登錄等功能。

4.3 權(quán)限分級管理

本系統(tǒng)設(shè)置了三級賬號管理，即操作員級、電工級、工程師級。由于本項目為2家企業(yè)共用，為了防止操作員誤操作，系統(tǒng)通過權(quán)限管理，實現(xiàn)了不同單位不同級別賬號擁有不同的授權(quán)。操作員用戶用于正常作業(yè)，電工用戶用于設(shè)備故障或設(shè)備運行參數(shù)變化時；工程師用戶用于設(shè)計單位在系統(tǒng)調(diào)試時使用。其中，操作員用戶的授權(quán)包括過程監(jiān)控、窗口選擇、設(shè)備啟停，流程選擇和系統(tǒng)退出等功能。電工用戶的授權(quán)包含操作員用戶的所有授權(quán)，但是同時擁有電能管理和參數(shù)設(shè)置的授權(quán)。

4.4 單機操作窗口的開發(fā)

本項目中單機操作窗口如圖4所示，操作窗口的畫面布局分為6個區(qū)域，分別是設(shè)備標(biāo)題區(qū)、設(shè)備靜態(tài)信息區(qū)、設(shè)備傳感器顯示區(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)、設(shè)備控制區(qū)和設(shè)備輔助功能區(qū)。

圖4 斗提機操作窗口畫面圖

設(shè)備標(biāo)題區(qū)的設(shè)計可以使操作員清楚地知道自己將要操作的設(shè)備。設(shè)備靜態(tài)信息區(qū)的設(shè)計可以使操作員清楚每個設(shè)備的位置、功率、控制回路的位置等，以便在故障發(fā)生時，可以結(jié)合報警信息指導(dǎo)電工快速找到問題，解決問題。設(shè)備傳感器顯示區(qū)的設(shè)計使操作員可以實時查看設(shè)備保護裝置狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)的設(shè)計使操作員可以集中管理現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，當(dāng)有故障發(fā)生時第一時間看到設(shè)備故障情況。設(shè)備控制區(qū)包括自動、手動、啟動、停止4個按鈕，當(dāng)設(shè)備處于流程作業(yè)時，4個按鈕是不能操作的，這樣設(shè)計提高了流程作業(yè)的安全性，防止了操作員的誤操作。設(shè)備輔助功能區(qū)包括故障清除和退出，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，只有現(xiàn)場設(shè)備故障排除后，故障清除按鈕才能清除程序中的故障狀態(tài)。

5 結(jié)語

本項目所設(shè)計的基于西門子PLC S300+WINCC7.0的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對糧食儲備庫的自動控制。清晰明了、信息豐富、操作簡潔、人機交互友好的主畫面設(shè)計和單機窗口設(shè)計，提高了系統(tǒng)的易用性和可操作性；參數(shù)設(shè)置、閥門管理分畫面設(shè)計，減少了系統(tǒng)故障停機時間，提高了系統(tǒng)的靈活性；按功能劃分的各畫面、控制按鈕分時可用、權(quán)限管理等設(shè)計，避免了操作員的誤操作；程序測試功能作為操作員實戰(zhàn)演練的工具，得到了操作員的一致好評。

參考文獻：

[1]許德剛，肖人彬.我國智能化糧食物流系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2009，5（2）：22-26.

[2]邱星亮，游彩虹.錦州港現(xiàn)代糧食物流控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].糧食流通技術(shù)，2009，15（3）：25-27.

[3]杜海濤.基于西門子S7400+WINCC7.0在單吹鈍化顆粒鎂裝置中的應(yīng)用[J].中國科技博覽，2014，15（3）：27-28.

[4]蘇昆哲.深入淺出西門子Wincc V6[M].2版.北京：北京航天航空航空大學(xué)出版社，2004.

[5]廖常初.S7300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.