基于工业以太网的除尘风机节能控制系统设计.pdf

2019 年 6 月 第 52 卷第 6 期 烟草科技 Tobacco Science Industrial Ethernet; Energy saving; Dust removal fan; PLC; Data exchange 收稿日期2018-07-20修回日期2018-12-27 作者简介韦文 （1983） ， 硕士， 工程师， 主要从事自动化、 卷烟制丝设备改进工作。E-mail 125948842 引文格式韦文， 沈宇浩， 唐湛恒. 基于工业以太网的除尘风机节能控制系统设计 ［J］ . 烟草科技， 2019， 52 （6） 117-121. （WEI Wen, SHEN Yuhao, TANG Zhanheng. Design of energy saving control system for dust removal fan based on industrial Ethernet ［J］ . Tobacco Science Technology, 2019， 52 （6） 117-121.） DOI 10.16135/j.issn1002-0861.2018.0325 在卷烟工业现场中通常有多种不同厂家的主 机设备， 例如昆明船舶设备集团有限公司、 意大利 COMAS公司、 德国HAUNI公司等， 其配备的电控 系统各不相同， 主流配置的 PLC 分别有德国西门 子、 美国罗克韦尔、 法国施耐德等公司的产品， 由 于不同品牌产品之间的通讯协议相对独立， 这些 系统之间无法直接进行数据通讯， 而目前解决该 问题的主要技术手段是使用协议转换硬件。其 中， 刘星 ［1］利用协议转换器实现了西门子S7-1200/ S7-1500 PLC 与带有 MODBUS 变频器的仪表设备 通讯接口进行数据交换。强海洋［2］通过 BM85 网 桥实现了施耐德 Quantum 和 Twido 两种 PLC 之间 2019 年烟草科技 的Modbus Plus通讯， 解决了重要设备关键参数的 远程监控问题。曾贺湛 ［3］基于Prosoft Prolinx无线 网关通讯技术实现了不同类型PLC之间的远程数 据通讯。但上述研究主要是基于第三方硬件实现 不同 PLC 之间的数据通讯， 利用上位机软件进行 协议转换的方法鲜见报道。工业以太网的传输技 术目前广泛应用于生产和过程自动化领域 ［4-5］。为 此， 以南宁卷烟厂除尘风机节能控制系统为例， 通 过使用上位监控系统作为转换站点， 利用工业以 太网平等地将不同 PLC 接入监控数采系统， 以期 解决不同系统协议之间数据无法直接通讯等问 题， 降低卷烟企业能源消耗。 1问题分析 南宁卷烟厂制丝车间除尘控制系统主要由风 机电机、 本地开关、 驱动单元、 主控制断路器、 PLC ［6］、 上位机等部分组成。当工艺段设备启动时， 由操 作人员控制上位机发出指令， 传递至PLC， 通过逻 辑判断是否满足启动条件， 再由通讯指令启动驱 动单元 （变频器、 软启动器等） 带动风机电机运 转。为解决除尘风机能耗过高等问题， 制丝车间 对2台110 kW、 1台30 kW除尘风机进行了节能改 造， 增加了一套节能系统。图1可见， 节能系统以 SPS节能装置为驱动单元， 以西门子200系列PLC 为控制单元； 原除尘控制系统以AB系列变频器为 驱动单元， 以罗克韦尔 Logix 系列 PLC 为控制单 元。改造完成后采用 “一用一备” 控制方式， 以节 能系统为主控制单元， 原变频器系统为备用控制 单元。由于两个控制单元采用不同厂家的控制 器， 无法直接通过各自的网络模块进行数据交互， 在选择控制方式时需要手动切换继电器。正常情 况下， 由SPS节能装置为电机供电， 继电器KM1闭 合； 当遇到特殊情况时， 需要将SPS节能控制柜上 的 “节能/检修/旁路” 开关旋转到 “旁路” 模式， 继电 器KM2闭合， 由原控制方式为电机供电。控制过 程繁琐， 且无法远程采集节能系统数据。 2系统设计 本系统中主要采用西门子 ProfINet 和罗克韦 尔 Ethernet/IP 协议工业以太网对节能控制系统进 行改进［7］。在设计过程中， 不改变原有罗克韦尔 PLC控制硬件架构， 西门子PLC的cp234-1模块采 用RJ-45接口， 以工业以太网接口方式接入控制层 环网交换机。软件设计中， 使用美国 WonderWare 公司的 SMC （System Management Console） 软件对 两种PLC进行组态， 与监控站进行数据交互， 并通 过监控站端的 I/O 型上位数据进行逻辑运算和数 值设置。 2.1硬件架构 除尘节能控制系统自上而下分为监控层、 控 制层和终端设备层。层与层之间、 每一层内部均 由工业以太网线路组成， 主要设备包括分布式监 控站、 2 台互为冗余的双网卡数据采集服务器［8］、 西门子 200 系列 PLC、 罗克韦尔 5000 系列 PLC、 3 台变频器和 SPS 节能控制柜等， 见图 2。其中， 监 控层的分布式监控站与数采服务器网卡 1 使用 10.162.72.xxx作为自身网段； 控制层的数采服务器 网卡 2、 西门子 200 系列 PLC、 罗克韦尔 5000 系列 PLC使用193.168.0.xxx作为自身网段； 终端设备层 的EN2T、 变频器、 耦合器模块、 参数监测元器件等 使用192.168.1.xxx作为自身网段。 2.2软件组态 在集散控制系统的 GR 操作站上对各个 PLC 进行以太网组态［9］， 使用 SMC 软件配置 PLC 信 息。配置之前首先安装罗克韦尔的 Ethernet/IP 以 太网驱动DASABCIP.和西门子的ProfINet以太 网驱动DASSIDirect.。具体配置过程如下。 （1） 图 3 可见， 在 ArchestrA.DASABCIP.4 中添 加罗克韦尔控制器 ENB_CLX_CC_PC Parameters， IP 地 址 设 置 为 193.80.0.161。 在 ArchestrA. DASSIDirect.3 中添加西门子控制器 New_S7CP_ 200_000， IP地址设置为193.80.0.188。 （2） 图 4 可见， 在 ArchestrA IDE 软件中配置上 下位数据交互通讯， 在 1和 2数采服务器中分别 添 加 DASABCIP 和 DASSIDirect 数 据 组 Server_ZSCC1、 LC_CC、 Server_CC、 LC_ZSCC1， 并 在数据组内部添加上位点与下位点对应关系。使 用的通讯协议为基于TCP/IP的SuiteLink协议。 图1除尘风机节能控制系统电路图 Fig.1Circuit of energy saving control system for dust removal fans 118 第 52 卷第 6 期 图2除尘风机节能控制系统硬件架构 Fig.2Hardware architecture of energy saving control system for dust removal fans 图3控制器组态过程图 Fig.3Configuration process of controller 图4上下位机数据交互配置图 Fig.4Data interactive configuration of host and slave computers 韦文， 等 基于工业以太网的除尘风机节能控制系统设计 119 2019 年烟草科技 图5节能控制系统逻辑流程图 Fig.5Logic flow of energy saving control system 图6节能控制系统控制与监控图 Fig.6Control and monitoring diagrams of energy saving control system 2.3底层程序 在上位机监控站服务器中创建布尔量标签 Motor_ControlMode， 分别对应西门子 PLC 中的下 位 点 S7_ControlMode 和 罗 克 韦 尔 中 的 下 位 点 AB_ControlMode。控制器程序 S7_ControlMode 使 用检查通指令作为控制模式生效的前提条件； AB_ControlMode使用检查断指令作为控制模式生 效的前提条件。图 5 可见， 当 Motor_ControlMode 值1， 即通时， 西门子 PLC 控制模式生效， 罗克韦 尔 PLC 控制模式失效； 当 Motor_ControlMode 值 0， 即断时， 罗克韦尔 PLC 控制模式生效， 西门子 PLC控制模式失效， 由此实现互锁控制的目的。 2.4监控画面 在 Intouch 监控画面中对控制模式、 电机参数 及运行状态等进行监控 ［10］。图6可见， 主画面和控 制画面可以显示当前处于 “节能” 或 “旁路” 模式； 进 入除尘器电机子画面可以查看 “节能” 模式下电机 参数， 包括电机频率、 电压、 电流、 运行状态等数据。 3应用效果 3.1试验设计 设备 30 kW 除尘风机 U001， 110 kW 除尘风 机 U034 以及 110 kW 除尘风机 U037 （南宁卷烟厂 制丝车间） 。 方法 ①使用上位机对原控制系统与节能控 制系统进行切换， 检测状态位， 观察系统切换是否 正确； ②在相同工况下， 原控制系统与节能控制系 统分别运行4 h， 统计用电消耗量。 3.2数据分析 表 1 可见， 使用除尘节能风机双控制系统后， 通过上位机画面的切换， 拟切换系统与实际运行 系统完全一致。通过工业以太网配合集控系统服 务器， 实现了不同PLC之间信号的连锁， 控制信号 切换准确， 保证了原控制系统与节能控制系统的 顺利切换， 达到了除尘风机双系统 “一用一备” 的 设计目的。 表 2 可见， 在相同工况下， 采用节能控制系统 后3台除尘风机的节电率均在40以上， 年节电量 可达 2.6 万 kW。在正常生产中， 采用节能控制系 统作为主系统使用， 采用原变频器系统作为主系 统检修或故障时使用， 可有效节省电能消耗， 经济 效益显著。 120 第 52 卷第 6 期 表1双控制系统切换运行结果 Tab.1Results of double control system switching operation 切换前系统状态 旁路 节能 拟切换系统状态 节能 旁路 原控制系统下位点值 AB_ControlMode1 AB_ControlMode0 节能系统下位点值 S7_ControlMode1 S7_ControlMode0 实际运行状态 节能 旁路 4结论 通过工业以太网接口将除尘风机节能控制系 统接入控制平台， 利用 Intouch 上位软件和以太网 传输实现了不同 PLC 之间的数据交互， 系统具有 冗余且与原控制模式顺利切换； 基于可视化界面 调控现场控制模式， 准确采集不同模式下设备运 行状态和工艺参数等信息。以南宁卷烟厂制丝车 间3台除尘风机为例进行对比测试， 结果表明 采 用节能控制系统后， 日常生产为节能模式， 检修时 为旁路模式， 在相同工况下 3 台除尘风机的节电 率均在40以上， 年节电量达2.6万kW， 节能效果 显著。该方法可为各种类型PLC之间的数据交互 提供参考。 参考文献 ［1］刘星. 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Process visualization configuration software InTouch application technology ［M］ . Beijing Mechanical Industry Press, 2006. 责任编辑曹娟 表2改进前后除尘风机控制系统能耗对比 Tab.2Comparison of energy consumption of control system for dust removal fan before and after improvement 设备 原控制系统 节能控制系统 风机U001 （110 kW） 运行时间/ h 4 4 能耗/ （kW h） 79.6 45.9 节电率/ 42 风机U034 （110 kW） 运行时间/ h 4 4 能耗/ （kW h） 227 129.2 节电率/ 43 风机U037 （110 kW） 运行时间/ h 4 4 能耗/ （kW h） 277.8 144 节电率/ 48 韦文， 等 基于工业以太网的除尘风机节能控制系统设计 121