组态软件WinCC在无缝钢厂减径机监控系统中的应用

关键词：WinCC;减径机;监控系统

Abstract: Combined with the actual project, this paper introduces an application example of Siemens WinCC configuration software, Profibus-DP fieldbus technology and Industrial Ethernet technology in monitoring system in Shanxi Seamless Steel Pipe Plant. This system achieves pretty good effect in practice.

Key words: WinCC; reducing mill; monitoring system

0 引言

　　山西无缝钢管厂 219机组生产线选用了12机架三辊微张力减径机， 它采用了三辊式独立传动机构，分别用12台直流电机进行拖动控制，它的两个主要作用是减径和改变壁厚，即通过相互紧靠及串列的12机架序列使钢管的外径递减，同时利用该序列中轧制速度差在钢管上形成纵向拉应力即张力，通过控制张力的大小来使钢管壁厚按要求值变化。减径后的钢管外表面光洁、无划痕具有一定的真圆度，进一步提高了钢管外表面质量。

　　为了提高整个无缝钢管生产线的运行管理水平和自动化水平，进一步提高经济效益，本项目采用西门子的S7-300系列的PLC为控制器，并以WinCC为组态监控软件开发了该厂减径机的监控系统。

1 减径机监控系统构成

　　为了提高控制系统的可靠性，该监控系统采用“集中监测、分散控制”的设计思想，采用PC、PLC分布式控制方式，上位机采用PC作为主机，其配置为：CPU为P4-2.0;内存为512M;硬盘为80G;操作系统为WindowsXP，外接打印机，用于打印报表。在上位机运行WinCC组态软件，实现对各工况实时监控、数据归档和报表打印等功能。下位机选用S7-300PLC及编程工具STEP7，负责现场数据的采集、处理与对象的控制，将采集的数据通过逻辑运算、判断、变换后上传到PC机。为满足配置PROFIBUS-DP网络的需要，PC机配有CP5611通讯卡，负责上位PC机与下位机PLC之间的通讯[1]。此外采用了PROFIBUS-DP总线电缆完成润滑站、液压站、高压水除磷站以及辊道电机变频器之间的连接，实现从站与主站的数据交换。监控系统结构如图1所示。

图1 减径机控制系统结构图

2 监控系统的设计

　　本监控系统采用组态软件WinCC，它是一个实用且与SIMATIC产品无缝连接的组态软件，可靠性高、实时性强、适用范围广、界面友好、功能强大，不同厂家生产的硬件设备都可以通过更换不同的驱动程序来方便地完成监控系统的组态。WinCC包括几个主要的功能编辑器：图形设计编辑器、全局脚本编辑器、变量存档编辑器、报警存档编辑器、报表设计编辑器、用户管理和项目安全编辑器。用户可以在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，形成所需要的操作画面、监控画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。该监控系统的设计包括：WinCC与PLC通讯系统的设计和监控画面的设计。

　　2.1 WinCC与PLC通讯系统的设计[2]

　　WinCC提供了1个支持多种网络协议和类型的SIMATIC S7 Protocol Suite的通讯驱动程序，通过它的通道单元提供与SIMATIC S7-300PLC的通讯。WinCC所有应用程序必须以WinCC变量的形式从变量管理器中请求数据。这些WinCC应用程序包括图形运行系统、报警记录运行系统、变量记录运行系统等。WinCC变量管理器的任务是从过程中取出请求的变量值，这个过程通过集成在WinCC项目中的通讯驱动程序来完成。通讯驱动程序利用其通道单元构成WinCC与过程处理之间的接口，在许多情况下，到过程处理的基于硬件的连接是利用通讯处理器来实现的。WinCC通讯驱动程序使用通讯处理器来向PLC发送请求消息。然后，通讯处理器将回答相应消息请求的过程值发回WinCC。WinCC与PLC通讯结构如图2所示。

图2 WinCC与PLC通讯结构图

　　该通讯具体实现的步骤如下：

　　（1）创建WinCC站与自动化系统间的物理连接：在控制面板中打开“PG/PC”对话框，设置参数完成访问点和通信处理器之间的分配以及为WinCC中相应的外部变量赋地址。

　　（2）在WinCC项目中添加适当的通道驱动程序：SIMATIC S7 Protocol Suite。

　　（3）在通道驱动程序适当的通道单元（Profibus）下建立与指定通讯伙伴的连接。

　　（4）在连接下建立变量，包括内部变量和外部变量。

　　2.2 监控画面的设计

　　为了更形象的反映现场设备的实际运行状况，将相应的设备以图形的方式显示在主画面中;以颜色、闪烁、样式等不同的对象属性作为区别设备的运行、故障、报警等不同的状态。为了进一步方便操作人员随时查看系统的状态，在减径机监控主画面中设置了12台主电机的转速设定、转速反馈、励磁电流反馈和电枢电流反馈，以及冷床区推进链电机的转速设定和辅助传动辊道电机的转速设定。该监控主画面如下图3所示：

图3 监控主画面

　　2.2.1 对减径机运行状态实时监控跟踪

　　启动WinCC，在其项目管理器中打开图形编辑器，根据实际设计要求在WinCC的标准对象、智能对象和Windows对象的下拉列表框中选择需要的静态文本、输入输出域、应用和画面窗口以及功能按钮等。然后对选择的对象进行更名、复制、粘贴、定位和旋转等基本静态操作，以及通过动态对话框、C动作或VBS动作来实现对象属性的动态化。当减径机系统开始运行时,就可以通过WinCC的图形编辑器来完成对主传动直流电机、冷床推进链电机和辅助传动辊道电机的实际转速、电枢电流、励磁电流进行实时的监控，并对其他一些重要的生产数据以及生产状态进行动态显示。

　　2.2.2 过程值归档组态

　　在归档的组态中，分为过程值归档和压缩归档两种类型，本项目中选择过程值归档组态，其目的是当减径机系统开始运行时来采集、处理和归档工业现场的过程数据。获得的这些过程数据以趋势曲线和表格的方式显示出来作为现场设备运行状态的管理和技术标准。在组态过程值归档时，考虑要归档的过程变量和存储位置以及是否设定归档备份和归档备份的目标路径。具体实现步骤如下[3]：

　　（1）在变量记录管理器中创建一个新的归档，添加要归档的变量。

　　（2）设置归档的属性。包括归档的常规信息和归档参数。

　　（3）设置归档变量的属性。包括归档变量的名称、变量类型、采集类型等属性。

　　（4）创建和设置趋势图。选择WinCC在线趋势控件，并设置其属性，在“常规” 和“曲线”选项卡中分别输入趋势窗口标题以及添加趋势曲线图。

　　（5）激活变量记录运行系统。

　　2.2.3 报警组态

　　在实际生产现场，安全性是非常重要的，当在生产过程发生意外故障时，报警组态系统就会自动触发相应的报警信息，此信息会显示在报警记录表中，此外在减径机主操作台上还装有蜂鸣报警器，一旦有报警或故障信号就能在第一时间通知现场操作人员，并快速做出相应的处理。报警组态的具体实现步骤为：

　　（1）在报警记录编辑器中选择报警消息块。

　　（2）组态报警消息和报警消息文本。包括设置消息类别、消息变量、消息位、状态位等属性。

　　（3）组态报警消息的颜色。在监控画面中，不同类型消息的不同状态用不同的颜色表示，以便操作人员快速的识别出报警类型和状态。

　　（4）组态报警事件窗口。在“对象选项板”上选择报警控件，并根据需要对报警控件的属性进行设置。

　　（5）激活报警记录运行系统。

　　2.2.4 用户权限管理

　　WinCC本身具有一个先进的、强有力的、人性化的用户安全管理系统，为了解决好授权与安全性问题，需要通过WinCC的用户管理器对用户的使用权限进行相应的设置，在本系统中将用户权限分为3种：浏览用户、管理员用户、程序员用户，这样既能使不同类型的用户共同使用该系统，又能保证系统的安全管理。