1 項目簡介
1.1 項目背景
總部設于法國巴黎的達能集團是一個業務極為多元化的跨國食品公司，集團的業務遍布六大洲、產品行銷100多個國家。在法國、意大利及西班牙，達能集團都是最大的食品集團，達能亦是當今歐洲第三大食品集團，并列全球同類行業前六名之一。中國是達能集團全球發展策略中極為重要的一環，其中尤以法國依云(evian)天然礦泉水最為聞名，長期居于進口礦泉水的領導地位。九十年代初，達能集團開始在中國設廠，并迅速取得極佳效益，以達能為品牌的酸奶在廣州及上海均居于領導地位。現時達能集團在中國擁有七家工廠，分別位于上海、廣州、深圳及江門等地，從事酸奶、牛奶、餅干、醬油及冷凍點心的生產，產品除本銷外，還出口到世界各國。
上海達能餅干食品有限公司成立于1992年。現在旗下已擁有達能小王子，達能甜趣，達能閑趣，達能牛奶加鈣等多個品牌的餅干。達能餅干在中、高檔餅干市場中銷售額穩居市場第一。
甲方達能餅干廠的guerin系統是全廠生產的關鍵設備，是一套餅干食品的前端的打粉系統。其老的控制系統由一臺上位計算機和一套s5-135u plc控制系統（供粉系統、供糖系統、供油系統、供水系統）、磨糖系統等組成。系統中的s5 plc關鍵模塊屬于已經停產產品, 為避免影響生產,甲方委托乙方對guerin系統的西門子s5-135u plc進行升級改造為西門子s7-400plc，并將上位控制系統更新為西門子wincc，即采用pcs7控制包。
1.2 工藝說明
現場共有5條生產線，5條生產線的工藝流程一模一樣。
該打粉系統的原料一共有5種，分別是葡萄糖,起酥油,水,糖,面粉。下面依次說明5種原料的工藝流程。
葡萄糖：葡萄糖從原料罐中先進入葡萄糖稱重罐稱重，然后送入申請葡萄糖的攪拌器。
起酥油：起酥油從原料罐中先進入起酥油稱重罐稱重，然后送入申請起酥油的攪拌器。
水：水分為冷水和熱水，在進入攪拌器之前先根據溫度需要混和，達到要求溫度后，進入攪拌器。
糖：糖首先從儲糖罐中進入磨糖機（因為糖放久了會黏成塊狀），然后吹入申請糖料的那條線的糖稱重罐。再進入攪拌器。
面粉：面粉儲藏罐在收到某條線的原料申請后，下粉，風機開動，將粉送入該線的粉稱重罐，然后進入攪拌器。
當某條生產線的5種原料全部到位以后，攪拌器開始工作，攪拌之后就是可以用來制作餅干的面餅了。至此，打粉工作完畢。
附簡單流程圖及上位機監視圖如圖1、2所示。
圖1 工藝流程圖
圖2 上位機中起酥油、葡萄糖到攪拌器的流程界面
1.3 使用產品
由于用戶的原s5設備在3樓的主控室有一套plc設備，在1樓也有一套，而改造后希望plc設備全部在3樓主控室，其余電控柜位置不動。于是，在系統配置上，我們采用了目前最主流的硬件配置方案，即s7-400 cpu帶et200m i/o的構架。主機架采用cpu（s7-416）1塊，電源ps407 20a 1塊，通訊卡cp443-1 1塊、輸入/輸出卡39塊。et200m采用s7-300系列i/o卡10塊。操作站選用2臺ibm pc機（主流配置），任何一臺失效不會對機組運行構成嚴重影響。現場面板采用siemens操作面板op73 5塊。
2 控制系統構成
2.1 原系統配置方案
圖3 原s5系統配置
由圖3可見，用戶原來采用兩套s5-135u plc控制系統。主控室在3樓，3層機架結構。擴展控制室在1樓，2層機架結構。2個控制室之間的s5 plc通過sinec l2網絡進行通訊。現場設備信號直接進入i/o卡件。現場采用西門子td20面板進行操作和監視。上位機用戶采用intouch雙屏顯示，并連接打印機用來打印趨勢圖等。
在與用戶的溝通中用戶反映，由于這套設備已經使用10年之久，很多s5關鍵設備已經停產，維護費用增加。由于程序的問題，現場某些設備的信號上位機無法讀取或控制，影響正常的生產流程和效率。由于程序的問題，原系統中的糖粉系統已停用5年。另外，2套cpu分別在1樓和3樓，cpu之間的通訊屢次發生故障，且不利于維護，于是決定升級改造。
2.2 新系統配置方案
在了解到用戶的需求后，我們作出了以下配置方案：
采用一套西門子強勁的s7-416 cpu進行控制，放置在3樓，于是原系統中兩套s5 cpu通訊不正常和維護不方便的問題瞬間解決。在3樓主控室全部采用s7-400系列的i/o卡件，di、do、ai、ao信號全部直接接入卡件。由于要保留在1樓的擴展控制室中的電控柜，于是原來安裝在1樓的s5 i/o卡件全部換成et200m遠程i/o模塊。兩個控制室之間通過西門子目前主流的profibus-dp網絡進行通訊。根據用戶要求，原來在各生產線旁的td20面板取消操作功能，只需要監視功能，于是換成op73面板，掛在profibus網絡上。通過與用戶的溝通我們了解到，整個打粉生產線的工藝流程主要是順序控制，加上需要恢復原停用的糖粉系統，直接將s5轉換成s7程序后，分析程序和新加程序的工作量太大而且繁瑣，于是決定采用西門子主推的pcs7過程控制解決方案，采用順序控制方式重新編寫程序。由于用戶強調上位機要保證和原intouch一模一樣的操作界面和方式以減少后期對操作員的培訓時間和成本，于是上位機用wincc完成同intouch一樣的雙屏界面。
2.3 配置圖及監視圖
圖4顯示的是在step7中完成的硬件配置圖：
圖4 硬件配置
可以看到，主控室的s7-400系統通過主機架和擴展機架之間的im460、im461接口模塊連接。cpu416-3上搭建出兩條profibus網絡，profibus（2）網上掛了兩個im153-2的et200m站，即1樓的遠程站，同時還掛上了安放在1樓擴展控制室電控柜內部的9個danfoss變頻器。在profibus （1）上是用來連接5個op73面板。
圖5顯示的是網絡結構圖:
圖5 網絡結構圖
該圖清晰的顯示了各個設備掛在不同的網絡上面。在該圖的右下角顯示的是上位機os站掛在綠色的工業以太網上。
圖6顯示的是運行中的上位機的監視畫面：
圖6 上位機監視畫面
這張圖是上位機監視到的1號線申請面粉原料的情況。通過該監視畫面可以看到，1號線要粉，于是圖6左側的風機打開(變綠)，將粉坦克中的面粉通過管道吹入面粉的稱重罐。接通的管道變綠，在上位機中顯示。
3 控制系統完成的功能
3.1 功能實現
cpu方面，選用了cpu416-3的套件，經濟實惠，內含20a ps407電源1塊，416-3 1塊，8m feprom卡1塊，cp443-1 1塊。cpu416-3（6es7 416-3xl04-0ab0）的工作存儲區大，2.8m用于程序，2.8m用于數據，其裝載存儲區256k，加上一塊8m的feprom卡進行擴展，完全能夠滿足該項目的需要。最后在項目完成后，發現cpu使用率為60％。主控室的plc柜由于i/o模塊數多，采用了1個中央機架和2個擴展機架，通過1個im460-1(send)和2個im461-1(receive)模塊連接。
選用cp441-2（6es7 441-2aa03-0ae0）1塊，通過modbus協議讀取一塊溫度儀表的數據。它有2個可變接口，用于高性能的點對點鏈接。同時該模塊需要硬件狗的支持才能使用，即modbus主站單用戶授權（6es7 870-1aa01-0ya1）。
原s5系統中采用了1塊ip242b的高速計數器模塊對流量計進行計數，根據用戶要求，在s7系統中要保留該模塊，于是選用一塊s5 adapter將ip242b做為一個標準的s7模塊集成在s7系統中組態并使用。可以在前面的圖5中看到該模塊的硬件組態。
profibus網絡保證了3樓和1樓plc柜之間的正常和流暢的通訊，也將op73面板掛在該網絡上，實時讀取plc中的數據方便現場操作工對生產線情況進行監視。同時由于profibus網絡的開放性與標準性，無縫的將第三方的變頻器掛在該網絡上由西門子plc進行控制。
通過cp443-1以太網通訊模塊和esm tp40交換機來進行跟上位機的連接，使得上位機的wincc通過ethernet工業以太網快速的讀取plc的數據，實時更新，使得操作員能夠方便正確的調度及操作。
3.2 項目難點及重點
該項目的難點在于：
（1）s5直接升級到pcs7;
（2）切換時間短，只有7天時間，要把整個系統投上去，不影響正常生產;
（3）原guerin系統的電氣圖紙不準確,現場很多情況與圖紙有出入;
（4）原guerin系統中糖粉系統已停用5年，現在要重新修改以正常投入生產;
（5）由于是升級項目，許多東西要符合用戶原先的使用習慣，于是很多pcs7的集成功能無法使用，如集成的控件，標準件，雙屏組態等;
（6）原guerin系統已投產10年，很多外圍現場設備嚴重老化，信號有問題。給調試帶來困難。比如返回信號沒有，profibus網絡嚴重老化等。
3.2.1 升級改造時間
針對該用戶切換時間短的特點,我們制訂了以下的方案,一共分為3步。
改造第一步分為三個次序。第一，核對現場現有接線，并作相應記錄；第二，在物理上將各個箱柜安裝到現有設備相近區域并進行新設備各器件和網絡的通電調試；第三，進行新設備各器件和網絡的破壞性試驗，以驗證其可靠性。
改造第一步不對生產造成任何影響，即不需生產停頓。
圖7 改造第一步
改造第二步：在各方做好準備工作后，首先，切斷電源，拆除s5端子板并作相應記錄；第二，拆除原柜體內s5模板，并安裝新的s7模板，進行新現場操作面板的安裝；第三，進行新設備接線。改造第二步前后對生產會有2天左右的影響。
圖8 改造第二步
對于項目在進行過程中所遇到的任何問題都做好記錄工作，即使需要恢復原狀設備進行生產也可以做到。
改造第三步:在第二步做好后首先接入電源，并調試程序。改造第三步前后對生產會有2天左右的影響。
圖9 改造第三步
3.2.2 程序邏輯
由于現場一共有5條生產線，在正常生產過程中往往是5條線同時生產，所以5條生產線會同時要粉，糖，葡萄糖，起酥油，水這些原料，于是以什么樣的順序來響應這些申請原料的要求就成為了難點。而且5條生產線的糖和粉又分為了不同了group，排列組合出來就有了很多的組合。在編程時就需要挑選最優的組合來響應供應原料的需求。
順序控制具有很大的優越性，但是同樣也具有一小部分先天性的不足，用梯形圖很容易實現的功能有時在pcs7的編程中需要很大的工作量，在衡量利弊并且考慮到實際的設備運行情況下，選擇最優的編程方式。盡管如此，在實際設備的投運中還是會產生很多意想不到的問題。比如說面粉系統的搶粉問題，在理論情況下應該保證設備在一個批次結束以后再進行補粉，而現場的情況缺乏批次結束的標志位，即只能用各種原料都配齊的情況下認為批次結束（實際上并沒有結束，各種原料都還存在于打粉缸中），這時系統會自動為之準備下一個批次的原料，這樣大大增加了系統的繁忙程度，也無形中增加了其它打粉缸的等待時間。而且容易產生死等現象——即在多個打粉缸公用一個供粉系統的情況下，會使其中的由于順序控制而造成的優先級低的打粉缸始終得不到粉（順控中左邊的順序流程優先級高，而實際設備并無優先級），這就是所謂的搶粉的問題。在綜合考慮了現場設備各個實際使用的狀況后，我們決定利用“時間差”來完成軟件的編程，即充分考慮到每個設備的下粉和補粉時間的情況下，利用軟件中間的空隙時間來完成“不搶粉”的任務，從而保證了在正常的情況下，不會產生搶粉現象。
3.2.3 雙屏顯示
由于是升級改造項目，所以很多方面用戶希望盡可能的保留其原有的習慣。最明顯的就體現在上位機這一塊。由于用戶原先使用的是intouch的上位機，在換成pcs7系統中,上位機顯然也要采用wincc。雖然是兩套完全不同的上位機系統，但用戶希望能夠用wincc做成跟以前一模一樣的操作界面，以減少操作員由于對新界面的不熟悉而造成的誤操作，同時也節省了后期的培訓費用。wincc同樣具有雙屏組態的功能，但由于要使用pcs7的標準畫面，而該標準畫面的雙屏概念跟intouch的雙屏概念不同。比如，原上位機雙屏顯示，兩副畫面分別獨立，并且其中一副畫面中的按鈕可以控制另一副畫面翻轉。而pcs7集成的雙屏功能兩個畫面分別由標準畫面上方集成好的按鈕來控制翻轉，無法由一個畫面中集成的標準按鈕來控制另一副畫面。
因此一開始，我們舍棄pcs7的標準啟動畫面”@screen”，單獨用自己做的畫面名為“danone_main”來做啟動畫面。后來由于用到了pcs7的電機、閥的標準件，我們發現，彈出這類標準件的對話框的彈出腳本是寫在標準畫面“@screen”里面的，否則這些標準件無法使用。因此啟動畫面還是必須用pcs7默認的“@screen”。最后我們發現，真正的啟動畫面是通過“@screen”這張畫面來層層調用的。具體調用的順序如下：“@screen”畫面中調用了一副名為“@1001”的picture bbbbbb；“@1001”中又調用了一副名為“@desk”的picture bbbbbb；在“@desk“這個picture bbbbbb的屬性中，它的picture name是一張“@welcome”的畫面，這就說明，最終pcs7一運行起來的畫面就是“@welcome”這張。于是，將“@desk”的picture name 屬性連接到自己做的名為“danone_main”這張畫面，這樣pcs7運行的時候，就通過標準的”@screen”畫面調用了我自己做的主畫面。同時在“@screen”畫面把顯示pcs7集成按鈕的picture bbbbbb刪掉。這樣，最終達到了用戶的需求。
3.2.4 外圍設備
在調試的過程中碰到很多外圍設備帶來的問題。首先是直接進入卡件的外圍設備的信號。由于原guerin系統已經投產10年，這次升級改造的過程中，僅僅改造了plc設備，外圍的泵、閥、電機等設備仍沿用原設備，由于這些設備的老化，很多現場設備的返回信號不好，經常會讓正常運行的程序停止無法走完正常流程，造成程序有誤的假象。經過客戶要求，把實際中由于價格或其他因素而造成的無法更換的設備的返回信號在不影響設備和流程的情況下去掉，以保證程序的正常進行。
在profibus通訊過程中，1樓的et200m模塊和9個danfoss變頻器同時掛在一根由用戶提供的profibus總線上。一開始所有正常，后來經常在plc斷電再上電以后所有的et200m模塊和變頻器通訊不上。在現場排查過程中，首先排除了軟件的問題，因為軟件和程序沒有做過任何變化，只經歷了斷電再上電的過程。然后排查變頻器和et200m模塊，依次只掛上變頻器或者et200m模塊。最后發現在單獨掛上其中一個et200m后，通訊不上，于是斷定是該遠程站影響整個網絡。換掉該遠程站的dp頭之后，一切恢復正常。2日后再次出現該情況，經診斷后，確認是該profibus總線嚴重老化(已用11年)，換上一根新的profibus總線后，該問題得到解決，再未發生。后來再用另一根profibus總線通訊op73面板時,同樣發生此問題,當時沒有及時意識到該問題的相似性,在調試一天后才意識到,最后將通訊速率由1.5m降到187.5k,于是通訊正常。
3.2.5 特殊卡件
在原s5系統中的一塊ip242b的高速計數器模塊由于用戶的要求，需要在s7系統中繼續保留使用，因此選用了s5 adapter。將ip242b插入該適配器，于是就能將ip242b做為一個標準的s7模塊在s7系統中使用，通過其自身所帶的功能塊來進行編程控制。
通過cp441-2走modbus協議來讀取一塊第三方溫度儀表的信號。搞清楚該儀表控制字的參數含義，通過對冷熱水閥的開度進行控制來實現對混合水溫度的控制。
4 系統運行
4.1 投運時間
用戶原guerin打粉系統于2006年6月19日凌晨6點正式停產，我們進入現場進行改造。利用3天時間完成所有的對s5設備的拆除和s7設備的安裝與接線。第3天對設備上電開始調試，第7天第一套設備正式開始運轉，恢復其正常生產。7月5號，所有5條生產線全部完成單獨調試和聯調，所有流程全部通過測試，整個工廠完全恢復正常生產。
4.2 用戶評價
由于重新編寫了程序，邏輯控制比原guerin系統流暢，通順，響應率高。同時通過程序恢復了工廠原停用5年的糖粉系統。為用戶創造了巨大的價值和利益。同時，用戶原系統的手自動切換功能及其落后，甚至可以說是一個很大的隱患，通過重新編寫程序，實現了真正意義上的手自動切換。
由于pcs7具有的sfc可視化功能，調試非常方便，可監視每一步程序，流程清楚。
上位機wincc集成的趨勢功能比原系統所使用的intouch功能強大，能同時顯示8路曲線（原intouch系統僅能顯示4路，而用戶需要5路），并能保存歷史趨勢記錄。可幫助用戶進行后期分析，提高其生產效率。
由于原s5系統的模塊已經停產到或者價格很高，而且s5的資料越來越少，更新到主流的pcs7新系統后便于維護。
5 應用體會
在整個項目的執行過程中我們可以看到，整個項目的開展還是相當順利的。尤其是s5到s7的升級過程中，在硬件方面沒有任何的瓶頸，充分說明了西門子產品的強大，以及西門子產品在設計之初和更新換代的時候為用戶考慮的全面性，整套系統幾乎是無縫全面升級。
在升級過程中所遇到的困難幾乎都是由外圍設備或者用戶的特殊需要所帶來的。比如由于用戶需要重新恢復其糖粉系統并實現手自動切換，于是不能簡單的通過軟件來將s5程序轉換成s7程序，只能重新編寫程序。但同時pcs7解決方案中集成了類似于手自動控件等很多標準功能控件，又為工程師的編程帶來了極大的方便，工程師只需要在下位機調用標準的程序塊編寫程序，就能在上位機生成標準的上位機操作控件，省去了自己編寫功能塊和完成上位機界面的工作，大大提高了工作效率。而上位機上所遇到的困難，也是由于用戶的特殊需要才帶來的，如果采用pcs7的標準界面，界面的繪制和變量連接的工作會更輕松簡單。
在現場的調試過程中，pcs7集成的一項功能得到了用戶的高度評價。這就是sfc的可視化功能。它的優點主要體現在：通過es sfc 軟件包自動產生顯示；在線組態;每一步有導航顯示；帶有“步”和“條件”框的總體顯示；通過序列框彈出；操作要求的概要顯示；動態的“步”和“條件”框。
利用該功能，在調試程序流程的時候，啟動在線，就可以清晰的看到編寫的程序進行到了哪一步，完成的部分會顯示為綠色。每一步所要進行下去所需要條件都可以看到。如果程序停在了某一步，該部分會顯示紅色。比如，若是外圍設備沒有到位或者信號沒有返回，可以先對該條件進行強制，保證程序順利的走下去以進行后面流程的調試。該功能對檢查程序、設備未到位時的模擬調試等等都非常有用，而且方便直觀。
6 結束語
總而言之，在整個項目的進行中，西門子的各種設備，無論是硬件還是軟件，包括網絡，都非常好的勝任了這個項目，使得這個項目能在這么短的時間內完成并恢復正常生產，完全滿足用戶的需求。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
