褚紅娟 李 海 傅慶宜

（1. 南通醋酸纖維有限公司，江蘇南通 226008；2. 杭州銀豐科技有限公司，浙江杭州 310053）

1 項目簡介

南通醋酸纖維有限公司（簡稱NCFC）是由中國煙草總公司與美國塞拉尼斯公司合資經(jīng)營，集熱電、化工、輕紡為一體的大型工業(yè)企業(yè)，主要產(chǎn)品為煙用二醋酸纖維絲束及其原料二醋酸纖維素片。絲束的生產(chǎn)與紡織行業(yè)有些類似，每根絲束根據(jù)品種不同而不同，每個噴絲帽上開有350個細(xì)小的Y型孔。絲帶經(jīng)過卷曲、干燥、擺絲、打包形成最后的產(chǎn)品。整個過程是高速不間斷連續(xù)運轉(zhuǎn)的，如果構(gòu)成單根絲束的幾十個部位中有一根發(fā)生斷絲，則該絲帶成為廢品。斷絲報警系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過2400個DI點的狀態(tài)進(jìn)行邏輯控制、報警、輸出DO自動補絲，并將斷絲情況及時提交給MES系統(tǒng)，作為衡量絲束品質(zhì)的重要數(shù)據(jù)之一。

斷絲報警系統(tǒng)的工藝需求主要包含以下幾點：

（1）對所有紡絲機(jī)共約2400個部位進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)斷頭后產(chǎn)生報警信號并進(jìn)行自動補絲；

（2）將斷頭的部位以及該部位8小時內(nèi)發(fā)生斷頭的累計次數(shù)發(fā)送給現(xiàn)場的模擬屏（29只）；

（3）將斷頭信息發(fā)送給MES系統(tǒng)，MES系統(tǒng)中生成斷頭統(tǒng)計、斷頭率計算、斷頭原因統(tǒng)計分析以及各班組、機(jī)臺的斷頭率比較等報告（與MES系統(tǒng)集成）；

（4）在現(xiàn)場的錄入器上能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前的斷頭情況，操作工需在錄入器上錄入斷頭原因代碼（與MES系統(tǒng)集成）；

（5）在中控室的WinCC[1]工作站上顯示斷頭的實時信息、模擬現(xiàn)場顯示屏的顯示信息、顯示MES系統(tǒng)中的斷頭統(tǒng)計記錄（斷頭開始時間、持續(xù)時間）、顯示MES系統(tǒng)中的實時斷頭率統(tǒng)計情況。

整個絲束生產(chǎn)主系統(tǒng)采用的是SIEMENS PCS7系統(tǒng)[2]，MES系統(tǒng)采用的是SIEMENS SIMATIC IT系統(tǒng)，考慮到與主系統(tǒng)的集成度、可靠性以及工藝特點，我們采用了兩套SIEMENS S7-400 PLC作為斷絲報警系統(tǒng)的主控制器，而現(xiàn)場對斷頭的監(jiān)測和對補絲槍的控制均為開關(guān)量信號，且處于防爆區(qū)域，所以，我們選用了SICK的ASI總線模塊配以防爆箱安裝于現(xiàn)場。PLC與ASI模塊之間采用DP/ASI LINK進(jìn)行橋接。由于現(xiàn)場的模擬屏只提供了RS232的接口，所以，我們采用了Profibus DP/RS232網(wǎng)橋進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

斷絲報警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)涉及到4個層次：

（1）ASI網(wǎng)絡(luò)：底層采用ASI總線通過光纖模塊監(jiān)測斷頭，一臺紡絲機(jī)由4條ASI總線覆蓋。整個斷絲報警系統(tǒng)共包含ASI總線36條。

（2）Profibus DP網(wǎng)路：S7-400 PLC采用Profibus DP網(wǎng)絡(luò)連接底層的ASI總線，每條Profibus DP總線下掛8個DP/ASI LINK即8條ASI總線（即覆蓋兩臺紡絲機(jī)）。另設(shè)一條Profibus DP總線用于連接現(xiàn)場的模擬屏，由于現(xiàn)場模擬屏是RS232接口，僅支持串口協(xié)議，所以，必須采用Profibus DP/RS232網(wǎng)橋進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。整個斷絲報警系統(tǒng)共包含Profibus DP總線7條。

（3）工業(yè)以太網(wǎng)：S7-400 PLC與WinCC操作站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接[3]。同時，此工業(yè)以太網(wǎng)也與紡絲主控PCS7系統(tǒng)相連，便于斷絲報警系統(tǒng)與主控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（4）車間管理層：斷絲報警系統(tǒng)有一個很重要的功能就是與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，因此，將WinCC操作站上的普通網(wǎng)卡連接到MES網(wǎng)絡(luò)上。

圖1 斷絲報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3 控制系統(tǒng)功能及要點

根據(jù)前面講到的斷絲報警系統(tǒng)的工藝需求，控制軟件必須實現(xiàn)以下功能：

（1）總共有9臺紡絲機(jī)，每臺紡絲機(jī)分A、B兩面，大多數(shù)面有144部位(即144個DI點)，每個部位的絲是從甬道中噴出的，甬道號也就是這根絲的絕對地址。這144根絲組成幾根絲束（線）是由工藝決定的。當(dāng)開始生產(chǎn)某種規(guī)格的絲束時，MES系統(tǒng)會生成一個工單，并將工單中與控制系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，其中，傳送給斷絲報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就包含各臺紡絲機(jī)的“每面線數(shù)”?！懊棵婢€數(shù)”是指144根絲將形成絲束的根數(shù)。因此，每根絲又有另一個屬性，即它是屬于某一根絲束的。

（2）甬道（絲）和絲束（線）都有各自的屬性，甬道的屬性包含空甬道、母線和正常，當(dāng)為空甬道和母線時，不產(chǎn)生斷絲報警；絲束的屬性包含顯示、記錄、補絲，顯示指發(fā)生斷絲時是否在現(xiàn)場模擬屏上顯示報警信息，記錄指是否將斷絲記錄寫入MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中、補絲指斷絲發(fā)生時是否進(jìn)行補絲。另外，當(dāng)絲束的斷絲數(shù)量超過設(shè)定值時，認(rèn)為該條絲束出于斷帶狀態(tài)，系統(tǒng)不顯示每條絲斷絲，而顯示該線斷帶，直到所有絲均回復(fù)正常為止。所有屬性和參數(shù)均可在WinCC上設(shè)置。

（3）系統(tǒng)在監(jiān)測到斷絲后需立即將斷絲信息（甬道號、8小時內(nèi)該位置的重復(fù)斷絲次數(shù)）發(fā)送到現(xiàn)場的模擬顯示屏。顯示屏將循環(huán)顯示實時的斷絲信息。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，我們覺得將以上功能放在PLC中實現(xiàn)更加合理，不過這樣增加了PLC編程的難度，需要實現(xiàn)以下程序功能。

（1）在PLC中根據(jù)“每面線數(shù)”應(yīng)能夠計算出各個甬道所屬的絲束，然后才能根據(jù)絲束的屬性以及甬道的屬性來決定是否報警或補絲。

（2）由于需要對上千個DI點進(jìn)行監(jiān)視，我們采用了用WORD來拼裝16根絲的狀態(tài)，并采用指針對DB塊進(jìn)行尋址，使得程序看起來不那么冗長。另外，對每根絲的監(jiān)測都會用到延時，用傳統(tǒng)的方法編程需要幾千個定時器，可能會超出系統(tǒng)的容量，因此，我們用存儲區(qū)累加的方式取代定時器，而且通過指針也很容易進(jìn)行定位。

（3）顯示屏需要循環(huán)顯示當(dāng)前的斷絲信息，這就需要PLC中有一個堆棧，一個子程序負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前的斷絲信息不斷更新堆棧的內(nèi)容，另一個子程序則負(fù)責(zé)將堆棧中的信息發(fā)給模擬屏。另外，模擬屏需要優(yōu)先顯示最新的斷絲信息（例如：有10個斷絲信息在循環(huán)顯示，當(dāng)顯示到第5個時，來了一個新的斷絲，則立即顯示這個新的斷絲信息，再繼續(xù)循環(huán)顯示），所以，我們用指針來控制斷絲信息的發(fā)送，當(dāng)有新的斷絲信息時，將該信息插入到指針?biāo)傅奈恢?，之后的信息往后移位，就能夠快速實現(xiàn)功能了。至于發(fā)送的信息中需包含該位置8小時內(nèi)的重復(fù)斷絲次數(shù)，僅需要在PLC里專門開辟一個空間來存放8小時的斷絲記錄，在有新的斷絲產(chǎn)生時查詢斷絲記錄生成8小時重復(fù)次數(shù)，同時更新8小時斷絲記錄。

（4）補絲控制的難點在于補絲槍和線的對應(yīng)關(guān)系。每臺紡絲機(jī)的每個面有四組補絲槍，每組兩只槍，操作人員可以任意指定補絲槍和絲束的對應(yīng)關(guān)系（即指定某條絲束中的斷絲由哪一組補絲槍來補）。我們在PLC中用了一個DB塊將補絲槍和絲束的對應(yīng)關(guān)系以數(shù)字的方式存儲下來，由一個子程序收集各條絲束中需要補絲的斷絲數(shù)，傳遞給補絲子程序，然后，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系去控制相應(yīng)的補絲槍。操作人員還可以在WinCC上設(shè)置補絲槍的優(yōu)先級、使能以及二次補絲等參數(shù)。

如果說PLC的任務(wù)主要是完成控制邏輯的話，WinCC的功能則是實現(xiàn)人機(jī)接口以及與MES系統(tǒng)集成，具體包含以下幾點：

（1）實時顯示斷絲報警信息、補絲槍狀態(tài)以及各機(jī)臺、各面和各線的斷頭信息；

（2）提供參數(shù)設(shè)置窗口，束的對應(yīng)關(guān)系、補絲槍屬性等等，也可以從MES系統(tǒng)獲得“每面線數(shù)”并下傳；

圖2 WinCC顯示畫面

（3）將斷絲信息實時發(fā)送給MES系統(tǒng)。在MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中（SQLServer2000），我們定義了幾個斷絲報警相關(guān)的表，其中一個表專門用于存儲所有部位當(dāng)前斷絲狀態(tài)，WinCC需要實時對這張表進(jìn)行更新。在WinCC中，我們將16位斷絲狀態(tài)組成一個Tag（總共約170個Tag），在全局腳本中當(dāng)Tag的值發(fā)生變化時，判斷Tag的哪一位發(fā)生了變化，從而推算出是具體哪個甬道的斷絲狀態(tài)發(fā)生了變化，最后通過存儲過程寫入MES的數(shù)據(jù)庫中。在MES數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)存儲實時斷絲狀態(tài)的表的內(nèi)容發(fā)生變化時，會觸發(fā)事先定義好的觸發(fā)器更新其它的表如：斷絲記錄表。斷絲記錄表的內(nèi)容包含：部位號、線號、斷絲開始時間、斷絲結(jié)束時間和斷絲原因等，而這張表的內(nèi)容也會反映到現(xiàn)場的錄入器上，由操作人員輸入原因代碼。

4 項目運行

斷絲報警系統(tǒng)自投運以來，系統(tǒng)以24小時*365日的方式連續(xù)運行，穩(wěn)定可靠。由于系統(tǒng)架構(gòu)和軟件模塊設(shè)計的合理性，斷絲報警系統(tǒng)也具備良好的擴(kuò)展能力。到目前為止，工藝上已經(jīng)三次對系統(tǒng)擴(kuò)容或增加新的功能，我們都能夠很方便地在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，特別是軟件上相對獨立的模塊功能分割，使得修改一處程序不會影響到其它程序的執(zhí)行。因此，工藝上的三次功能擴(kuò)展都是在在線的情況下完成的。

斷絲報警第一時間防止了斷絲對成品絲束質(zhì)量的影響，它與MES系統(tǒng)的集成也為生產(chǎn)管理者提供了分析和統(tǒng)計的數(shù)據(jù)（如：斷頭原因比較等），使用戶能夠從源頭上減少斷絲的產(chǎn)生，提高生產(chǎn)效率，受到用戶的肯定。

圖3 MES中的斷頭原因比較報告

5 應(yīng)用體會

斷絲報警是PLC系統(tǒng)中的一個特例，PLC程序中大量運用了指針、堆棧的編程技術(shù)，此外，WinCC與MES系統(tǒng)集成也用了許多數(shù)據(jù)庫訪問的腳本和控件。這些功能的設(shè)計與部署是這個項目成功的基礎(chǔ)。在斷絲報警項目的設(shè)計初期，考慮到成本，有一個方案：即PLC直接將現(xiàn)場的斷絲信號傳送給WinCC，在WinCC通過功能更為強(qiáng)大的VB腳本來實現(xiàn)斷絲和補絲的邏輯判斷以及斷絲信號堆棧的生成，然后，將補絲信號和斷絲信號堆棧發(fā)送給PLC，PLC再將信號發(fā)送給補絲槍和模擬屏。這樣做，PLC中的程序?qū)⒎浅：唵?，而用VBScript實現(xiàn)之前所述功能也比PLC容易得多，但是，由于降低系統(tǒng)分散控制功能，犧牲了系統(tǒng)的可靠性和實時性，一旦操作站W(wǎng)inCC中斷運行，將會導(dǎo)致整套系統(tǒng)的癱瘓，這樣會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以，與生產(chǎn)相關(guān)的控制邏輯應(yīng)要放在更為可靠的PLC中來實現(xiàn)的。

[1] Siemens. wincc V1.0 Configuration manual. 37436832[EB/ OL][2009-09].http://www.ad.siemens.com.cn.西門子wincc組態(tài)手冊.

[2] Siemens. S7-400PLC. Technical Manual 0788000 29963[EB/ OL][2007-08]. http://www.cloc88.com/P. 西門子98-400PLC技術(shù)手冊.

[3] Siemens wincc V7.0 communication manual. 37436836[EB/ OL][2009-09]. http://www.acl. siemens.com.cn. 西門子wincc通信手冊.