电柜远程上断电系统的研发设计

沈宇浩 施 怡 韦 文 黄立仁 黄干将

（广西中烟工业有限责任公司,广西 南宁530000）

1 概述

南宁卷烟厂制丝车间设备总电取用模式依然是传统的断路开关控制方式,在开班、收班、外网电压异常波动时,需要维修电工行走至每一设备电柜进行上电、断电、检查工作,存在着效率低下、智能化程度低等现象,严重影响生产效率。

2 需求提出及解决思路

2.1 需求提出

（1）提升电柜上断电效率的需求

现车间每次节假日收班时,需按照节能、安全管理要求,将车间设备动力电源全部断开,开班时再上电。目前的操作方式为维修电工走到每一个主电柜面前按下断电、上电按钮,对每个区域段的设备进行逐一上断电。平均一次收开班的断电耗时约151min,上电耗时约217min 左右,由于上电后需检查下端设备运行情况,因此上电比断电耗时久属正常现象。断电耗时过长会延长收班日期。上电耗时过长会延后开班首天正常生产的时间,极大地影响了车间整体生产效率。

（2）上电后设备状态智能诊断的需求

上电后人工耗费了大量的时间在下端设备状态检查上,耦合器故障、交换机未启动两项故障占比较高,如图1 所示,经咨询生产厂家罗克韦尔公司,得知该类电子元件在首次上电时有一定几率自检不通过,需重新上电自检。目前这两项故障检测均是使用人工检查的手段,尚未实现智能诊断,是下端设备状态检查耗时长的根本原因。

图1 电柜上电耗时饼分图

2.2 解决思路

为了满足以上需求,提出“远程上断电”和“智能诊断”思路,将电柜上电方式由传统的电柜按钮开关上电转变为远程上电模式,将人工诊断模式转变为设备智能诊断模式,以自动化、智能化[3]的方式有效减少在电柜上断电过程中的人工时间,实现效率提升。电柜远程上断电系统按组成可分为：基础硬件层、远程控制层、智能诊断层三个部分,实现电柜远程上断电与上电后设备的智能自诊断。如图2 所示。

图2 系统设计框架

3 方案研究

3.1 基础硬件层的选择

（1）信号驱动源的选择

驱动源主要是用作当上断电信号产生时,发出24V 脉冲信号给控制电路,实现机构动作,要求信号发送准确：信号驱动源的电压脉冲信号发送准确率=100%。

综上所述,经过对PLC 控制器、远程IO 模块、单片机进行测试分析后。其中PLC 控制器发送准确率=100%,符合要求。所以采用PLC 控制器方案。

上电机构需要一定的储能时间后才能够实施上电动作,因此在选择PLC 控制器为信号驱动源后,需要对信号驱动进行一定的延时处理,完成元件的储能,不储能或储能不完全则元件无法动作。延时时间在满足储能动作正确率100%的情况下,时间越快越好。小组成员决定使用“黄金分割法”寻找元件储能的脉冲延时时间。

按照人工上电使用经验,在10s 内能够完全满足储能要求,因此脉冲延时时间X 范围在：0-10s 内选择。

使用PLC 控制器在程序里分别设定不同的脉冲延时时间,每个时间值进行五组试验,每组10 次,测试储能后动作正确率,计时精确到0.1s。（动作正确率=正确次数/10*100%）

在6.2s 时脉冲延时时间最短,且储能后元件动作正确率=100%,最终确定信号驱动的脉冲延时时间=6.2s。

（2）网络传输介质的选择

在确定PLC 控制器为信号驱动源后,PLC控制器需要与人机交互服务器进行通讯,由人机交互界面发出远程控制指令,命令PLC 控制器驱动输出。因此两者的网络传输介质需要满足以下要求：百米网络传输速率＞12.5MB/s。

综上所述,经过对六类网线、Profinet 四芯通讯线、光导纤维光纤[4]进行测试分析后。其中PLC 控制器发送准确率=100%,符合要求。所以采用PLC 控制器方案。

（3）服务器的选择

服务器的作用是转发现场控制器和人机交互界面的信号,使得控制逻辑在界面显示,操作指令在控制器实现。需要满足以下要求：网络延迟满足数据传输需求,网络延迟平均≤1ms。

综上所述,经过对独立服务器、集控服务器、现场操作站进行测试分析后。其中集控服务器网络延迟平均=0.5ms＜1ms,符合要求。所以采用集控服务器方案。

3.2 远程控制层的选择

（1）网络结构的选择

网络结构在实际工况下运行时,必须具备较强的抗干扰能力和自恢复能力,通过人工模拟加大数据负荷,至百兆网络额定负荷的1.5 倍,测试过负荷通讯故障率与网络故障自恢复时间。需要满足以下要求：抗负荷能力：过负荷下通讯故障率≤5%。自恢复时间：单次网络故障自恢复时间≤120s。

综上所述,经过对星型、树型、环型进行测试分析后。其中环型

过负荷通讯故障率=3%≤5%,自恢复平均时间=64s≤120s,符合要求。所以采用环型方案。

（2）网段的选择

网段是用于设置PLC 控制器与服务器通讯IP 地址,保证两者处于同一通讯段中,进行数据交互。网段的选择有如下要求：网络安全性,生产工艺网段应与外网有物理隔离。兼容性,网段地址与PLC 控制器、服务器网卡设置地址应能100%兼容。

综上所述,经过对设备网、主机网、控制网进行测试分析后。其中设备网之间通讯使用的网段与外网物理隔离,网段处于IP网段内,符合要求。所以采用设备网方案。

3.3 智能诊断层的选择

（1）诊断模式的选择

诊断模式主要应用于在电柜上电后,诊断下端设备状态是否正常,要求误诊断率≤5%。误诊断率=误诊断次数/总上电次数*100%。

综上所述,经过对收发诊断、自检诊断、组态诊断进行测试分析后。其中收发诊断误诊断率=1.2%≤5%,符合要求。所以采用收发诊断方案。

收发诊断核心参数的确定：在收发诊断不同的参数条件下,统计误诊断率,误诊断率需＜5%,且越低越好。因为该指标受到多因素的影响,小组决定通过正交试验,寻找收发诊断的最佳核心参数,试验过程数据如表1 所示。因素：响应时间（ms）,扫描时间周期（ms）,发送频率（Hz）。选用正交表来做9 次试验,确认收发诊断核心参数的设置为响应时间150ms,扫描时间周期250ms,发送频率5Hz。

（2）报警方式的选择

表1 正交试验表

在系统诊断出上电后下端设备存在故障时,需发出报警提示现场维修电工,进行故障维修复位等操作,需满足以下条件：报警准确率=100%。有效报警范围≥50m2。

综上所述,经过对声光报警、系统软件报警、组合报警进行测试分析后。组合报警准确率平均值=100%,有效报警范围=64 m2≥50m2,符合要求。所以确定故障报警方式为组合报警。

4 方案实施过程

4.1 硬件部分

设置信号驱动源,在PLC 的输出I/O 点进行接线,送至执行机构。敷设光导纤维光纤,安装线路桥架,敷设光导纤维光纤。布置环形网络结构,按环网线路进行光纤接头熔接,制作声光报警器装置。

4.2 编程部分

部署服务器,配置服务器网卡,配置服务端数采驱动。设置交换机环网参数,制作IP 地址分配表,分配PLC 控制器及服务器IP 地址。在系统平台制作交互画面,部署至分散控制系统的操作站。编写收发诊断程序,设置收发诊断核心参数。编写软件报警程序。

5 效果检验

使用新型电柜远程上断电系统后,上电流程发生了改变,减少了行走与下端设备检查时间,上电时间总耗时减少至37.0min,效率提升了473%。

6 结论

本系统基于“远程控制”和“智能诊断”的方式,降低了车间设备上电时间,有效解决了人工上电耗时长,人工诊断效率低的问题,其创新点在于：通过智能诊断的方式,有效解决了人工诊断效率低下、诊断不全的问题,可为各类工厂远程控制系统提供借鉴。