西门子工控产品在玻璃纤维制造行业中的应用

一、项目简介

巨石集团（见图1）地处浙江省桐乡经济开发区，是一家专业生产玻璃纤维及其制品的中美合资企业，注册资本2995.16万美元，现有总资产为11亿元，占地700亩，员工总数4000人，其中专业技术人员600人。集团公司拥有池窑拉丝生产线5条，2003年玻璃纤维年生产能力达12万吨；另配有短切毡、针织毡、方格布等玻纤制品生产线，是目前我国玻璃纤维行业生产规模最大的企业，占国内生产总量的28%，占世界生产总量的4%。

图1  巨石集团外景

巨石集团十分重视科学技术，不断推进技术进步与技术创新，积极采用国际先进的池窑拉丝生产技术，全面运用国内外先进的玻纤生产技术装备，是我国玻纤行业生产装备最齐全，技术水平最先进的企业之一。

巨石集团的主要产品有中、无碱玻璃纤维增强型无捻粗纱、短切原丝、针织毡、短切毡、方格布等20多个大类200多种规格，其中国家级新产品7项、国家级火炬计划7项、省级科技进步奖10多项。巨石产品销往全国各地300多家企业，还远销北美、中东、欧洲、东南亚、非洲等40多个国家和地区。由于产品整体质量水平达到了国际水平，个别产品更是达到了先进国家先进企业的质量水平，巨石集团在北美国市场上已成为继世界玻纤三巨头OCF、PPG和VETROTEX (S.G)之后的第四大玻纤供应商。预计2003年出口产品将达到6万吨，出口创汇超过5000万美元。

跨入新世纪，巨石集团有限公司提出了新的更高的战略目标是：  2005年实现“亚洲第一”、2007年跻身“世界五强”，2010年前在浙江桐乡建设完成“中国巨石30万吨玻纤工业基地”。

正是在巨石集团大力发展的背景下，我所承担了30万吨玻纤基地扩建工程的物流自动化输送系统工程。

二、系统介绍（见图2～图4）    

1．控制系统简介

整个物流自动化输送系统完成了几十个不同品种玻璃纤维成品从拉丝机上线经过空中转运、智能分配车、烘干炉、立体库到最终包装完成的整个自动化物流输送、分拣和分类存储过程。主要包括两条积放式悬挂输送链，4个智能分配小车，两个双巷道6层立体库，1条络纱合股板链、1条直接纱输送及自动包装系统，1条络纱输送及自动包装系统，1条空小车返回输送线、3套工业机器人及系统调度、管理和监控系统。

图2现场照片1

整个系统使用了5个s7-300 315-2DP CPU、两个S7-300 317-2DP CPU及若干本地I/O组成主线控制系统，并且通过DP网络连接了1 0个ET200M从站、34个现地远程I,O模块和32台MM440变频器；4个S7-300 313C-2DP CPU及若干本地I/O、8台MM440变频器组成4台智能分配车控制系统；4个S7-300 315-2DP CPU及若干本地I/O、8台MM440变频器组成立体仓库4个堆垛机控制系统；3个S7-300 315-2DP CPU及若干本地I/O组成3个工业机器人控制系统；中央控制室采用5台DELL计算机作为服务器和监控计算机运行WINCC控制中心软件（系统监控），数据分析处理软件（系统调度、管理）。整个系统除智能分配车同主线采用红外DP通讯以外，PLC之间和 PLC同管理系统之间全部采用10/100M快速光纤以太网络进行数据交换。

2．整个系统工艺流程

整个物流输送、存储过程大概有300米长，一个物料小车走一个循环大致需要2.5小时，行程近1.2公里。由于涉及的设备很多，所以工艺比较复杂，大致如下：

(1)拉丝区，拉丝区共分为上、下两个分区，每个分区左右两侧各放置132台拉丝机，共分8个工位作为成品丝进入物流系统的上线点；每个工位可以生产一种或不同品种的原丝，最多为4个品种；每个拉丝区由独立的悬挂式积放链完成空小车等待和满小车输送，装满原丝的小车通过工位的自动顶升台升至离地面60厘米后通过自动挂钩机构同积放链的吊具结合；挂钩完成后，工人利用发车按钮发车，此时发车按钮的信息由调度系统作记录，将小车编号、工位号、纱型号等信息进行绑定，存入数据库。

(2)具携带满车离开相应的拉丝区后，分别进入上、下两个烘箱区，系统通过顶升台将小车接到地面输送线，在到达炉前智能分配车前，PLC将小车编码上报给调度系统，系统根据前面绑定的信息，自动根据纱型类别和现场生产情况选择对应的烘干炉，并且将去向下达给炉前智能分配车，炉前智能分配车根据调度指令将货物准确送到指定的烘干炉。

(3)满车通过烘干炉后，在积放区等待，炉后智能分配车不断往复运动，将满车从烘箱运送至立体仓库外围输送线。

(4)上、下两个半区的立体仓库分别接收来自各自烘箱区的满车，特殊条件下也可以接收来自另一个区的满车。堆垛机根据不同的纱型将满车按不同区域存放，等待原丝温度自然冷却。

(5)上、下两个立体库根据调度系统的命令，自动将符合条件的满车从库中取出，通过输送线分别进入直接纱或络纱包装输送线。

(6)包装线设有机器人和包膜机等设备，协助工人进行自动包装和分拣。    

(7)被取空纱团的空小车通过自动空小车返回线，进入拉丝区等待上料。

图3现场照片2

图4现场照片3

三、控制系统构成    

控制方案的确定    

整个系统的控制对象多，每个单独对象的动作都很复杂，且它们之间需要协调一致地动作，相互间的接口、数据交换也很复杂。另外从系统维护、使用等角度考虑，全部采用一个公司的产品会更加经济、有效。

我们根据国内外类似系统的运行管理情况以及在该行业中的实际经验，依照国际自动控制领域的发展趋势，本着安全可靠、简单实用、先进的原则，充分发挥西门子自动化产品的技术优势，以 S7控制平台和开放的现场总线网络ProfinetTM、ProfibusTM体系为核心，采用最新的控制器、驱动、网络架构及工控软件产品为用户提供了一个由计算机、PLC、现场分布式I，O组成的多级的、开放的、模块化的、实时多任务的集散型可扩展数据采集和控制系统。

该系统采用集成工业现场总线、控制总线和10/100M高速以太网组成的混合三层体系结构，既支持基于浏览器的B/S结构体系，也支持C/S结构体系，系统的模型如图5所示。

图5系统模型

整个工厂的输入，输出信息形式多样（包括图像、图形、文字、语音、数字等多媒体形式），信息量大，对系统功能要求高。控制监视任务不仅仅限于单机的检测和控制问题，而且还要求实现列整个物流系统的监控、诊断、优化、预报、调度。以PLC和计算机为核心的信息处理机制完成对综合信息的管理、生产过程的计划、调度、监视与自动化控制，系统必须具有以下3个主要方面的功能：

(1)现场生产数据的采集、分析、处理、动态追踪、工艺控制等前台生产现场检测与控制；    

(2)纱型数据、设备故障信息、工位管理等后台信息管理；

(3)物流过程监控与计划调度指挥系统。

为了充分发挥西门子自动化产品的优势，我们提出了以下设计原则：    

(1)系统的可靠性

生产线工程可靠性问题至关重要。系统的可靠性是我们设计中遵守的第一或最高原则。

图6现场照片4

(2)技术的先进性

应用国际上最先进的自动化技术，将体现出我国工业自动化的最高水准。在考虑采用先进技术的同时，还要考虑技术的成熟性。成熟的技术是可靠性的基础，正确地选择使用先进技术也是增强系统可靠性的有效途径。因此我们将仔细权衡利弊，在选择先进性与成熟性上达到平衡。

(3)系统的易操作性和易维护性

大量的工程经验说明，成功的项目，系统使用和维护必须都是成功的。从设计角度出发，系统必须是易操作、易维护的。系统的可靠性保证了系统在正常条件下可以长期、可靠、无故障运行（平均无故障时间）。另一方面，系统在异常条件下发生故障后，应能够在尽可能短的时间内修复（平均修复时间），这就是系统的易维护性。可靠性与易维护性指标的综合就是系统的可用性，应使可使用率接近100%。

(4)系统的开放性

参与整个工程建设的厂家、设计、技术来自不同的国家和地区。而整个工程将成为一个系统运行，，不同设备、技术上的连接是非常重要的。因此，系统的开放性为不同厂家设备连接提供可能。广泛采用国家及国际有关行业标准是保证系统互连及开放性的一个有效措施。

根据以上设计原则，我们系统架构的示意如图7所示。

图7系统架构示意图

四、项目遇到的难点及解决方案

1．网络通信的优化     

由于本物流控制系统涉及的单元很多，它们又是一个统一的整体，虽然单独的控制并不复杂，！但是需要它们协同一致准确无误地工作就需要通过网络传递大量的实时数据。由于玻璃纤维生产的特殊性，它是多品种大批量的生产方式，造成几百个不同品种产品在一个物流通道上运输，而它们的去向又不相同，造成在物流信息上报、物流分拣点、立体库出入库系统、车间监控系统都需要和总控系统不断进行大量的数据交换。系统运行初期，我们发现网络通信很不稳定，经常丢失信息或发现速度很慢。后来我们通过网络诊断软件发现，整个控制工业以太网络带宽饱和度达到90%左右，造成数据包延时增大甚至丢包，外在表现就是网络反应缓慢。在这个背景下，我们根据物流的特性和节拍，将通讯程序AG SEND和AG RECIEVE添加了定时器TRIGGER，采用不同的时间间隔来分享网络资源，就有效地解决了问题。联想到我们以前实施项目中发现AG SEND和 AG—RECEIVE在网络硬件没有问题的前提下偶尔会发出通信失败的报警，可能也是PLC之间的通讯受到WINCC同PLC之间的通讯的影响，只是由于网络规模小，偶尔发生堵塞。通过这个项目，我们发现在一个比较大的网络环境中，通讯指令一定要让它们分时、合理地使用网络资源，避免浪费。

2．系统的可靠性要求高

这是玻璃纤维生产的又一个特殊性，当窑炉开起以后，每天会有近300吨的原丝源源不断地生产出来，而窑炉一旦运行起来就是24小时运转，5年之内就不会停下来，所以这条物流输送线的任务之繁重就可见一斑，每天大约需要运送4万个纱团。虽然我们在设计物流的时候考虑到物流通道的备用，但是如此大量的纱团通过单一通道的时候还是会发生拥堵的情况。而采用多个物流通道的设计在场地、投资的条件下都是无法实现的，只有充分发挥现有线体的效能，才是根本解决之道。我们在采用SIMATIC高性能和高可靠性工业产品的同时，通过大量的程序对每一个环节进行了优化，对每一个设备（包括每一个开关）进行了故障诊断和预报，在发生问题时可以准确地提供故障位置和可能的故障原因，尽量减少维修时间。

图8现场照片5

3．物流信息绑定和物流分拣

这条生产线分上下2个半区，共计16个工位，生产出来的产品根据需要分别送到15个烘箱中去，如何将4000个载料小车准确送到目的地成为系统的关键。起初我们准备识别系统，在工位上件点写入信息，在分拣出读取信息，再根据调度系统分配去向。但是由于系统中有个关键环节是烘箱，而他的温度在1百摄氏度左右，采用耐高温的载码体芯片会大大增加成本，业主无法接收。后来我们采用了编码板的模式，在每个小车上面放置一块长70公分高20公分的铁板，每块编码板均有下排有13个孔(22。22)，而上排孔(22。22)从左边数第二个孔开始根据二进制编码来开孔，某个位置有孔表示二进制数的1，无孔表示二进制数的0，12个孔表示12位二进制数，每一块表示的编码（二进制数）（分别从1～3999），因而每块板上排孔的数量和排列也不同，其中1～1999为络纱小车，2000～3999为直接纱小车。采用这种方式后，我们在上线点通过读码设备读出小车编号后，将生产信息同小车绑定，利用程序的存储区来记录生产信息，并且跟随小车的运动传递数据，直到分拣处。这时总控系统利用OPC方式读取PLC存储区的小车信息，根据生产计划将去向发送给控制系统，系统根据指令将小车送到指定的烘箱。在包装区由于温度、环境等条件适宜，我们采用了电子标签系统对纱团进行自动分拣。

五、结束语

本系统从2004年12月底投入运行到现在，为用户带来了的巨大效益。不仅体现在经济上，而且作为世界上最大的玻璃纤维自动化输送系统，还吸引了全球同行的眼光，为用户扩大了宣传影响，增加了大量订单。而我们又签署了第2条线的合同，目前正在实施当中。

六、应用体会

通过这个项目的实施，我们体会到西门子工业自动化产品的TIA理念可以从低压电气、本地I/O、远程I/O、驱动装置、控制器、RFID、操作员终端到现场总线技术、控制网络技术和系统监控软件等几乎全部各个方面为用户提供一个完整的解决方案，这对于系统设计、实施和维护都带来了极大的方便。由于现场总线技术及西门子自动化产品本身都提供了丰富的诊断信息，对于保证系统的健壮性、稳定性都是非常重要的。