利用WinCC设计机电一体化设备的实时鼓掌诊断系统-利用

卞家宏（华北制药股份有限公司计控处，石家庄050015）摘要本文在具体工程实践中设计了实时故障诊断系统，此系统可以将故障现象与故障原因通过逻辑图形直观地联系在一起，为操作、维修人员提供了直接的信息和故障判断方向，因此能快速处理故障。关键词机电仪一体化设备实时故障诊断系统winCCProfibus-DPPLCAbstractArealtimefaultdiagnosissystemisdesignedforpracticalprojects.Itcanimplementthevisualcombinationbetweenfaultsymptomandreasonthroughlogicdiagrams,providingoperatorsandmaintenancepersonnelwithfirsthandinformationandfaultpredictiontrend,andallowingthemtodiagnosefaultsquickly.KeywordsMechanical-electrical-InstrumentintegrationequipmentRealtimefaultdiagnosissystemWinCCProfibusPLC0引言机电产品及设备的一体化和智能化是一个趋势，尤其在工业生产中使用的一些大型机电设备组成越来越综合化，系统构成规模越来越大,可实现的功能越来越多，需要的控制功能也越来越复杂。机电一体化设备的大型化、综合化、智能化、控制网络化是其发展趋势。目前应用在化工批量生产过程中的机电仪一体化设备为数众多，而且发展迅速。正是由于机电仪一体化机组有以上的特点和要求，因此其本身的自动化水平、可靠性和工作效率相对来说很高。但是，一旦其出现一定的元件故障或仅仅是内部的逻辑条件（非常大量）不满足就会造成操作人员无所适从（因为通常机组自带的人机界面非常简单），而且软件程序的运行过程又不可见的，影响因素和联锁条件又如此众多，常常会用很长时间去排除这些故障，或去逐项凑试满足其操作条件，造成长时间的生产中断。因此，有必要为大型机电仪一体化设备设计实时故障诊断诊断系统，使机组更易于使用和维修维护[1]。1机电仪一体化机组控制功能制药生产中的三合一干燥器生产系统包括4台(A#、B#、C#、D#)三合一分离器大型机组，每两台机组组成一条，共两条完全相同生产线(1#,2#)，每条生产线各由一套PLC图1三合一分离器大型机组系统组成动力系统真空过滤器A#进料真空过滤器B#振荡筛液压系统人机界面管路流程控制器称重系统料仓排料搅拌控制器控制。其机组具体组成如图1所示。三合一干燥器系统的主要生产工艺如下[2]：密闭机组，充入惰性气体保护，然后进料达到一定体积量后关闭进料阀；通入惰性气体加压，利用过滤板实现青霉素结晶液固液分离；洗涤；洗涤结束后通过液压下降搅拌装置进行搅拌并加热物料，严格控制干燥过程温度，系统抽真空，使之快速干燥，启动除尘器自动工作，保证真空系统的工作；物料干燥合格后，停止真空，进入自动排料程序；物料经自动排料进入料仓后分批通过称量控制器进行分装。至此完成青霉素的过滤、洗涤、干燥、分装过程。三合一干燥器作为综合性大型机电仪一体化机组的特点是：工序流程长，动作复杂，自动化程度高；监控点数多，既有大量开关量联锁、顺序控制，又有大量模拟量回路调节；而且生产全过程既是洁净生产环境又是易燃易爆性气体危险环境；既有很高的安全性要求，又有非常高的控制精度要求。每套三合一干燥器机组采用西门子PLC作为主控器(每套PLC容量为开关量288路，模拟量20路)，采用Profibus-DP作为控制网络，现场人机操作界面采用防爆操作屏。控制系统主要完成的控制功能有：①分阶段流程自动控制。通过程序设计实现进料、过滤、洗涤、干燥、排料、称重分装等的自动化工作程序。②液压程序控制。通过液压油泵产生30MPa油压驱动液压油缸实现搅拌装置的升降、定位、过滤板的升降、定位和底盘的拆卸、旋转锁紧等功能。③电气传动控制。PLC输出调节信号控制变频器驱动电机，使搅拌转速达到设定的要求。④精确称重控制。利用称重传感器监测包装桶的重量来控制分装自动阀实现粉状物料的精确分装，精度为+2.5g/4000g。⑤模拟量的回路自控。可以进行温度、物位、仓体压力、搅拌转速、扭矩等的调节，并有很高的控制精度要求。⑥大量开关量、模拟量的逻辑联锁、顺序控制、混合控制。2实时故障诊断系统设计由于制药生产过程必须符合GMP（制药质量要求规范）认证的要求，此机组必须在一个封闭的无菌室中操作和运行，这就给机组的维护、维修提出一个课题：机组一旦出现了故障，应尽可能地减少维修人员在无菌区的维修操作时间。即当机组一旦发生故障后，维修人员能在无菌室外判断机组的故障点所在，做好维修准备，然后进入无菌室内快速解决设备故障。基于这一目的，在工程中设计了三合一实时故障诊断系统。2.1设计原则①实时故障诊断系统与机组控制系统相隔离，不影响机组的控制操作，但能够对机组进行实时诊断。②故障诊断系统与机组信息管理系统相结合，做到一机多用。③故障诊断直观化处理，使诊断简捷化、直接化、合理化，便于维修人员快速找到故障原因和解决方法。2.2设计方法①利用西门子SIMATIC-S7系统的网络构成三合一信息管理系统，系统结构图如图2所示。wincc315-2DPCP-342AIAODIDOA#Bartec防爆操作屏现场电机现场自控元件安全栅MotorContorlCenterCP5611B#Bartec防爆操作屏安全区危险区Profibus-DPProfibus-DP图2三合一控制系统系统结构图②设置一台工业计算机作为上层管理计算机，并同时实现故障诊断功能，组态工具使用SIEMENSwinCC6.0[3]。③由三合一生产厂商（意大利COGAM公司）提供PLC程序的数据定义。④在PLC系统中增加CP341-2Profibus通信卡，完成PLC向故障诊断系统的实时数据传送，同时对诊断系统与控制程序进行程序上和物理上的隔离。⑤进行故障因素的整理。首先尽可能全部找出影响机组运行的所有故障因素，通过分析，按照出现几率大小和影响程度来进行合理分组。⑥分析三合一PLC程序，画出机组运行中主要功能的条件逻辑图，然后将其图形化，再将其组态，并按照COGAM公司提供的数据定义将各逻辑条件与PLC程序作实时动态点的连接，以此作为实时故障诊断系统的流程图。以其中一个干燥搅拌器顺、逆时针旋转需要的逻辑条件为例，其逻辑条件图如图3所示。图3搅拌器旋转逻辑条件图在winCC中设计的实时故障诊断页面如图4所示。对于所有监测点状态或程序内的虚拟条件来说，满足程序要求的逻辑条件时显示为绿色，条件变为红色时则表示此状态没有满足运行条件或处于故障状态；只有所有限制条件全部显示为绿色时程序才可以向下一步执行。通过分析红色所提示的条件就可以直观方便地找出故障点，及时地排除、或找出影响程序进行的原因，实施合理的操作或维修，避免停车损失。wincc图4三合一实时故障诊断图3结束语因为故障诊断系统可以将故障现象与故障原因通过逻辑图形直观联系在一起，为操作、维修人员提供了直接的信息和故障判断方向，因此能快速处理故障。故障原因显示直观为维修人员提供了明确的维修方向，消除了误判断情况的发生，迅速排除故障，减少机组的停机时间，实际应用取得了很好的效果。此套管理系统数据还具有非常丰富的管理功能。对机组的状态运行，使用效果等情况可以详细掌握，并可以方便查询、归档。对于大型机电仪一体化设备的控制系统设计来说，不仅要完成所有的工艺自动控制功能，而且应根据机组本身的特点和实际生产的要求来考虑其故障的排除问题，并设计实时故障诊断系统，这样就可以方便机组的操作与使用维护，提高用户的使用满意度。参考文献1黄启明等.化工过程故障诊断研究进展.［J］.化工自动化及仪表,2000(3)2卞家宏,马永水,张平.西门子SIMATIC控制系统在大型机电一体化设备中的应用.[J].国际流程自动化,2007.(7)3苏昆哲.深入浅出西门子winCCV6.[M].北京航空航天大学出版社,2004.