摘要：随着工业数字化智能化转型升级的不断深化，提高生产效率、加强企业管理是电解铝企业目前的关键要求。针对铝用炭素开槽机原来独立的PLC控制系统造成的信息孤岛、无法集中监控与无法追溯数据的问题，本文设计并实现了一套基于PCS7平台系统的集成方案，利用OPC通讯技术将PCS7系统与原有的设备S7-200 PLC进行可靠的数据传输；利用变量映射匹配、控制逻辑优化和人机界面组态，使开槽机系统能够与集中控制中心完成通讯集成。应用结果表明，集成后能够实现对开槽机设备进行远程集中监控以及生产工艺的历史数据追溯，将故障诊断时间由原来60min缩短至现在的10min以内，降低了人工劳动强度、减少运维成本，并且提高了设备的智能化管理水平。

　　关键词：异构系统集成；数智化转型；集中监控；PCS7

　　1前言

　　1.1研究背景与意义

　　伴随着“工业4.0”“中国制造2025”发展战略的推进，制造业正朝着数智化方向发展。作为电解铝炭素行业，在提质降本增效的同时加快生产线数智化建设刻不容缓。

　　在预焙阳极制作过程中，开槽机位于焙烧之后，用于将阳极炭块底部进行铣削出用以导流的沟槽，开槽机的加工精度以及运行稳定对于保证阳极成品的质量和使用性能至关重要；由于大多数传统炭素企业在升级换代的过程中，并没有考虑到开槽机这些关键设备本体带有的自动化系统，结果使得很多工厂出现了类似的信息“孤岛”现象。开槽机独立运行，无法与中央控制中心通信，导致监控和维护效率低下，生产决策无数据依据。

　　目前以黄河鑫业有限公司为例，所采用控制器为老旧的西门子S7-200系列CPU，该CPU无法与现有先进强大的PCS7直接进行数据读写。

　　1.2国内外研究现状

　　国内现有文献较多集中于讨论全新系统的构建或在同构平台下的扩展，而对于如何将一套技术成熟但相对独立的老旧专用设备，无缝、稳定地集成到现有主流DCS架构中，尤其是面临不同品牌、不同协议设备间的互联互通挑战时，相关的深入案例研究和技术路径总结仍相对不足。这其中的挑战包括但不限于通讯协议的转换、数据结构的映射、控制逻辑的兼容性以及人机界面的统一等。

　　基于此，本文针对原有开槽机控制系统深度集成展开论述，本课题研究不是简单的系统替代，在保留原有系统底层控制的核心基础之上，着重探讨异构系统之间的数据接入及高层应用问题，有利于进一步推动数智化转型以及工厂集中控制平台的搭建。

　　2开槽机原控制系统问题分析

　　2.1硬件与通信协议不兼容

　　S7-200。是一款经典的小型PLC，其主导的通信协议是PPI协议。并非开放的国际标准工业以太网或现场总线协议。

　　PCS 7。其底层架构建立在PROFIBUS-DP或PROFINET这类高速、可靠的国际标准工业总线之上。PCS 7系统的标准通信驱动程序中，根本不包含对S7-200 PPI协议的直接支持。存在物理层面和协议层面的根本性不兼容。

　　2.2软件与工程架构不集成

　　S7-200。使用经典的STEP 7-Micro/WIN软件进行编程。这款软件与PCS 7的工程框架是两套完全独立的系统，无法实现项目整合。

　　PCS 7。其硬件目录里只包含与之兼容的S7-400等模块。根本无法在PCS 7的硬件组态中找到S7-200 CPU这个选项。因此，从工程配置的第一步起，S7-200就被排除在外。

　　2.3性能与规模不匹配

　　S7-200。处理能力、内存和通信速度都有限，是为小型设备或局部控制而设计的。

　　PCS 7。是为管理成千上万个过程变量、处理海量数据、实现全厂级优化而设计的。如果强行让PCS 7去轮询S7-200，其低下的通信效率和数据量会成为整个系统的性能瓶颈，完全违背了采用PCS 7的初衷。

　　2.4局限性带来的影响

　　正是由于上述不兼容性，导致无法实现数据实时读写，为生产控制、设备管理带来极大影响。

　　无法实现直接监控。在中央控制室的PCS 7操作员站上，无法像监控一个AS站那样，直接、实时地看到S7-200的内部数据。故障发生时，人员仍然必须前往现场。

　　无法实现历史数据归档。PCS 7强大的Process Historian功能无法直接从S7-200中采集数据，导致“数据黑盒”问题无法解决。

　　3基于PCS7的系统集成技术方案设计

　　3.1系统集成总体目标与原则

　　目标。实现开槽机在PCS7系统中的集中监控、数据记录、报警管理。

　　原则。可靠性、开放性、经济性。

　　3.2硬件与网络架构设计

　　本项目集成方案的核心目标是在不影响开槽机原有S7-200 PLC控制系统稳定运行的前提下，将其数据安全、可靠地接入PCS7系统。为此，设计了三层网络架构。

　　监控层。PCS7服务器承担整个系统的数据集中管理。

　　采集层。配置单台双网卡工控机作为桥梁，其中网卡1使用PC Access软件连接现场S7-200PLC，网卡2则向监控层PCS7服务器发送数据。

　　设备层。利旧开槽机原有工业控制器，不改变任何控制逻辑。

　　3.3关键通信实现方案与优化

　　良好的通讯是保证本次项目运行成功的根本基础。但是，在最初是希望将PC AccessSMART软件直接装入PCS7服务器，以此来实现PLC的直接OPC连通，但是在经过实际的测试之后，发现在这种模式下有很大的缺点。

　　数据传输极不稳定，频繁出现连接中断和数据包丢失的情况，严重威胁到监控系统的可靠性。经深入分析，我们判定其不稳定性源于两方面。一是PC Access SMART软件与PCS7系统庞大的数据服务在同一操作系统内运行，存在资源争用和潜在冲突；二是直接连接缺乏冗余和隔离，任一环节的波动都会直接导致通信故障。

　　为解决此问题，提出了“独立OPC服务器”的隔离式架构。具体实施方案如下。①硬件隔离。将OPC服务器单独部署在一台独立的工业控制计算机中。②协议转换。该独立OPC服务器通过西门子S7协议与下层的S7-200 PLC进行稳定通信，采集其所有需要监控的数据点。③标准OPC接口。该OPC服务器将这些数据转换为标准的OPC UA协议对外提供服务。④稳定访问。上层的PCS7系统服务器通过标准的OPC客户端接口，跨网络访问这台独立OPC服务器提供的数据。

　　4 PCS7控制系统的实现与组态

　　4.1 PCS7项目创建与硬件组态

　　在PCS7工程环境中创建项目，并通过Station Configuration Editor配置了与独立OPC服务器的可靠连接。

　　4.2 OPC变量连接与数据映射

　　数据映射是实现异构系统集成的技术核心。由于开槽机的控制逻辑仍由原S7-200 PLC执行，PCS7系统需通过OPC方式读取其数据。因此，大量使用了PCS7的“OPC变量”功能。具体实现步骤如下。①分析并导出原有控制器中的关键变量。②在PCS7变量管理中，新建采集层工控机中的OPC变量唯一、易于识别的名称作为该变量的名字。③建立数据连接。变量逐一映射添加。

　　4.3操作员站（OS）画面组态

　　画面布局与模板。以PCS7标准的OS项目模板为例，画面布局分为，上部为顶部总览区（显示重要报警、系统时间、模式状态），中部为主视图（显示工艺流程画面）。

　　工艺流程画面。开发的开槽机工艺流程总览图是我们整个项目的核心画面，用矢量图绘制设备外观，状态显示使用不同的颜色区分状态；主要工艺参数如：电流、压力、转速等则通过显示值来呈现。

　　高级功能实现如下。①趋势曲线。使用Historical Archiving记录所有的关键模拟量值。操作人员可以调出趋势曲线图，可以自行设置时间段比较不同变量，能够为故障诊断、工艺优化提供重要的参考依据。②报警管理系统。搭建完善的报警体系，所有报警消息都进行了中文文本化，并设定了三级分级规则，将不同级别报警在报警列表中用不同颜色标记，并产生不同等级的声光提示，保证生产事件能够得到及时准确的回应。③用户权限管理。采用多级操作权限设定，如操作员、工程师和管理员三级权限分级管控。

　　5系统应用效果与分析

　　本项目在完成系统开发与组态后，经历了严格的测试与调试阶段，最终成功上线并稳定运行。本章将从系统调试、应用效果对比及综合效益三个方面，对本次系统集成工作的成果进行全面分析。

　　5.1系统调试与上线

　　系统调试是对整个系统进行调试的过程，是保证项目能否顺利进行下去的关键步骤。为保证项目工作正常开展，在调试过程中制定分步调试方案：首先进行硬件和网络检测，确保PCS7服务器、单独OPC工控机与原来S7-200 PLC之间可以进行正常的网络连接；再进行点对点的数据测试，使用PCS7“OS Process Mode”模式以及变量监视的方式对第4章所定义的上千个外部变量逐个进行读写测试，保证数据映射的正确以及实时性；最后是全功能集成功能测试，在此阶段主要针对该套系统进行正常生产、设备启停、故障报警等不同工况下的控制逻辑、连锁保护、人机交互界面等相关功能是否完整和正确。

　　调试阶段遇到的主要困难是初次通讯稳定性问题。使用独立OPC服务器，在承受大容量数据交换的冲击之后，仍有个别数据包会有轻微的延时问题。于是对OPC服务器端的网络参数做了Keep-Alive时间等参数修整，并给PCS7配置了扫描周期、死区等功能，在大容量的数据块上传输的过程中采用分块的方式来进行数据传输，攻克了数据延迟的问题，使系统达到了可以在较为恶劣的工业环境中长时间稳定运行的效果。与此同时，设备经过两个星期左右的试运行，并且各方面都达到了方案设计的要求后，该设备也正式进入到了远程控制生产使用状态。

　　5.2应用效果对比分析

　　系统上线以后，实际的应用效果比预期的效果要好很多，在定性的评价和定量的数据当中都能够体现出来。

　　定性分析。经与中央控制室操作人员和现场维护人员交流发现，普遍认为运行情况良好：在大屏上清晰地能看到开槽机各项信息，启停信息，报警消息一览无余，生产数据过程追溯及工艺管控水平大幅提高。

　　定量分析。为了科学地检验此次改造的效果，我们选取了改造前后的三个月运行数据，从改造前后核心指标对比可以看出。平均故障排查时间效率提升>83%，操作员每班现场往返次数降低为0，历史数据可追溯性实现了从无到有的突破，因信息不畅导致的非计划停机基本杜绝。

　　5.3经济效益与社会效益

　　本项目的成功实施，带来了显著的经济效益和广泛的社会效益。

　　5.3.1经济效益

　　①提质增效。减少的非计划停机以及故障处理时间显著降低，开槽机后续所有的生产线有效工作时间有效提升，产量同步提升。②降本增效。节约了操作员近20分钟/次的现场往返时间，节省更多的时间进行其它的监控任务，并合理分配人力；故障诊断快速，维修及维护时间成本低。③隐性收益。全数采集的生产数据档案为后续工艺优化、预防性维修和大数据分析奠定了可靠的数据基础，它对于产业的意义不可估量。

　　5.3.2社会效益

　　①安全保障。集中监控能够减少人员进入生产核心现场，保障人员的安全；快速准确的报警处置提高了生产本质安全水平。②技术赋能。在项目建设实施的过程中，培养出一批熟悉PCS7系统集成与运维的人才。③行业示范。有利于相同类型的传统制造业对于落后设备进行更新换代、不同种类系统之间的融合、依赖数据驱动方面提供有力的工程化参考。

　　6总结与展望

　　6.1总结

　　以解决铝用炭素开槽机控制系统中存在的“信息孤岛”问题为目的，经过多次调研和讨论，设计并实现了一种基于西门子PCS7的系统集成方案，通过利用独立OPC服务器的方案，克服异构系统间通信不稳定的技术难关，将开槽机有机地融入到PCS7中，可以达到开槽机集中监控、数据追踪和报警管理的目的，该项目也成功完成了任务目标，使设备更加便于维护，同时提高设备的使用效率。并且还证明了通过标准工业协议来整合旧设备，为传统制造业企业的数字化转型起到了良好的示范作用。

　　6.2展望

　　第一，继续将PCS7系统的生产数据上传到MES系统，把生产计划、质量管理、设备状态等所有数字化的信息融为一个整体，来实现更加完整和充分的数字化工厂。第二，将本文的技术方案以及实现过程中的经验和教训总结出来，通过规范化的手段在企业内部全面推广应用到同类孤岛设备中去，达到对全厂设备监控的统一化、智能化的目的。第三，通过对系统中保存下来的历史数据开展大数据分析工作，形成故障预测维护模型，使得由“事后维修”向“事前预警”的发展方向转变，从而实现真正的智能运维。