基于WinCC的模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

殷永華，楊 明

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210097)

0 引言

模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)MPS，是模塊化概念在工業(yè)中的具體應(yīng)用。模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)集成了機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及其他學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包含了PLC控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和工業(yè)組態(tài)技術(shù)。利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性，可選擇符合加工要求的設(shè)備單元的數(shù)量和類(lèi)型，通過(guò)模塊組合模擬自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)，滿(mǎn)足教學(xué)和科研需求。

WinCC由西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)，是過(guò)程控制系統(tǒng)及其他自動(dòng)控制系統(tǒng)中的人機(jī)界面組件，是多種自動(dòng)化設(shè)備及一些控制軟件的集成。采用模塊化結(jié)構(gòu)，WinCC將生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化整合，提供開(kāi)放性數(shù)據(jù)庫(kù)接口、多種編程接口等靈活的擴(kuò)展方式，采用可視窗口和菜單選項(xiàng)進(jìn)行功能操作，使用方式靈活。

1 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

MPS采用了上料檢測(cè)、零件搬運(yùn)、加工和檢測(cè)、分類(lèi)存儲(chǔ)6個(gè)工作站。各站采用S7－200PLC，負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備的輸入輸出信息的采集及傳送，采用S7－300PLC作為各站信息的采集匯總，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線(xiàn)的控制和管理以及與從站的信息的交換，通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)網(wǎng)卡CP5611連接PC，其控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。6個(gè)工作站為DP從站，輸入輸出信息的字節(jié)數(shù)小于16字節(jié)，S7－300PLC為1類(lèi)DP站，主要實(shí)現(xiàn)各站信息的采集匯總、總線(xiàn)的控制和管理以及與從站的信息的交換;PC機(jī)為2類(lèi)主站，通過(guò)Step7軟件作進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置及WinCC監(jiān)控程序的編制和顯示。

圖1 模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

2 WinCC組態(tài)

2.1 WinCC通訊結(jié)構(gòu)及其原理

WinCC應(yīng)用程序包括圖形、報(bào)警記錄和變量記錄運(yùn)行等系統(tǒng)，處理的數(shù)據(jù)主要有項(xiàng)目產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。在WinCC運(yùn)行系統(tǒng)中，運(yùn)用變量的形式，通過(guò)用戶(hù)不可見(jiàn)變量管理器來(lái)集中管理變量，從變量管理器中請(qǐng)求數(shù)據(jù)。WinCC數(shù)據(jù)管理器主要任務(wù)是通過(guò)通訊驅(qū)動(dòng)程序的通道和過(guò)程之間的接口——通訊處理器與PLC交換數(shù)據(jù)，WinCC通訊結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 WinCC通訊結(jié)構(gòu)層次

2.2 WinCC 組態(tài)設(shè)置

通過(guò)創(chuàng)建WinCC站與PLC系統(tǒng)間的物理連接→在WinCC項(xiàng)目中選擇合適的通道驅(qū)動(dòng)程序→在通道驅(qū)動(dòng)程序連接適當(dāng)?shù)耐ǖ绬卧⒆兞縼?lái)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。通訊驅(qū)動(dòng)程序中包括不同的通道單元，通道單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序及通訊處理器與PLC連接。PLC過(guò)程值將通過(guò)通道進(jìn)行傳送并存儲(chǔ)在WinCC服務(wù)器的工作存儲(chǔ)區(qū)中。

在圖1所示控制結(jié)構(gòu)中，根據(jù)主從站的設(shè)置，利用Step7軟件對(duì)CP5611網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的安裝及通訊參數(shù)的設(shè)置、EM277設(shè)備添加及設(shè)置，其主要設(shè)置步驟及參數(shù)為:

主站S7－300PLC組態(tài):主要在Step7軟件中進(jìn)行主站組態(tài)，添加PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定其通訊地址為1類(lèi)主站，波特率為9600;

CP5611添加及設(shè)置:在 Step7軟件中的“Set PG/PCInterface…”項(xiàng)目中進(jìn)行該卡的驅(qū)動(dòng)安裝，經(jīng)測(cè)試后設(shè)置其地址為2類(lèi)主站，波特率為9600;

EM277設(shè)備添加:GSD文件是設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，EM277屬于第三方設(shè)備，根據(jù)事先準(zhǔn)備的驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)入EM277的GSD文件，然后在Step7軟件中添加模塊，依次設(shè)定EM277模塊的外部地址開(kāi)關(guān)為1～6;

從站組態(tài):在Step7的組態(tài)窗口，根據(jù)EM277模塊的外部地址開(kāi)關(guān)進(jìn)行配置后設(shè)定通訊緩沖區(qū)為VB0～VB15，采用8字節(jié)入/8字節(jié)出的通訊方式;

變量定義:根據(jù)各站輸入輸出點(diǎn)數(shù)，在WinCC軟件中進(jìn)行相應(yīng)的外部變量定義，實(shí)現(xiàn)PLC和WinCC的數(shù)據(jù)交換。

3 WinCC監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

監(jiān)控程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)作的監(jiān)視，反應(yīng)各站實(shí)際動(dòng)作順序及常用的的報(bào)警設(shè)計(jì)，其程序主要包括界面設(shè)計(jì)、動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和報(bào)警程序設(shè)計(jì)。WinCC提供了一個(gè)圖形庫(kù)，這些庫(kù)提供了多種預(yù)先完成的圖形對(duì)象和各種各樣的工具，可以創(chuàng)建和動(dòng)態(tài)修改畫(huà)面。由于MPS的特殊性，WinCC自帶的圖形庫(kù)很少有符合該系統(tǒng)的圖形控件，無(wú)法模擬各站具體逼真地運(yùn)行，所以必須進(jìn)行動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)和調(diào)用。WinCC監(jiān)控界面整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 WinCC主體界面設(shè)計(jì)圖

3.1 WinCC 畫(huà)面設(shè)計(jì)

為了清晰形象地展現(xiàn)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，全面有效的掌握系統(tǒng)運(yùn)行，將監(jiān)控畫(huà)面分為開(kāi)始畫(huà)面、過(guò)程畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面。

開(kāi)始畫(huà)面中主要包含了“過(guò)程畫(huà)面”、“報(bào)警畫(huà)面”、“趨勢(shì)畫(huà)面”、“退出系統(tǒng)”4個(gè)主體部分。過(guò)程畫(huà)面是當(dāng)鼠標(biāo)單擊開(kāi)始“過(guò)程畫(huà)面”時(shí)，用來(lái)在開(kāi)始畫(huà)面中的“畫(huà)面窗口”中顯示的過(guò)程畫(huà)面包括6個(gè)站的切換，在過(guò)程畫(huà)面中添加一個(gè)畫(huà)面窗口，用來(lái)顯示每個(gè)站的具體運(yùn)行情況，而在畫(huà)面窗口下，添加6個(gè)按鈕，用來(lái)完成對(duì)6個(gè)站的切換。

3.2 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和調(diào)用

WinCC中提供了腳本驅(qū)動(dòng)平面圖形、模擬電影播放原理、用圖形庫(kù)中自帶的控件和用外部視頻資源的動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)方式。模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)作為一個(gè)順序動(dòng)作控制過(guò)程系統(tǒng)，系統(tǒng)中傳感器和電磁閥很多，控制多為開(kāi)關(guān)量，采用三維動(dòng)畫(huà)視頻來(lái)表現(xiàn)各工作站的具體狀態(tài)，利用Flash控件調(diào)用swf控制動(dòng)畫(huà)文件的方式來(lái)表達(dá)動(dòng)作，使過(guò)程控制簡(jiǎn)單，動(dòng)作過(guò)程顯示逼真。

3.2.1 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)

運(yùn)用常用的動(dòng)畫(huà)軟件，依據(jù)各站動(dòng)作的順序，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些非關(guān)鍵因素，如形狀、色彩等，并對(duì)動(dòng)畫(huà)動(dòng)作的分解處理，更直觀的反映不同傳感器的觸發(fā)狀態(tài)及工作站各元件的運(yùn)動(dòng)情況，制作成swf格式的Flash動(dòng)畫(huà)。

3.2.2 動(dòng)畫(huà)調(diào)用及控制

在WinCC程序中利用其內(nèi)部的的Shockwave flash Object控件進(jìn)行動(dòng)畫(huà)調(diào)用，使加入的Flash動(dòng)畫(huà)保持原有的功能，播放時(shí)占用的系統(tǒng)資源較少，控制動(dòng)畫(huà)播放的腳本較為簡(jiǎn)單。

WinCC中，對(duì)象的動(dòng)態(tài)化都是針對(duì)對(duì)象屬性進(jìn)行的，Shockwave flash Object控件屬性有Movie(讀寫(xiě))、Playing(只讀)、FrameNum(讀寫(xiě))。在上位機(jī)中，WinCC從外部變量中讀取工作站傳感器的狀態(tài)字，當(dāng)WinCC變量滿(mǎn)足播放條件時(shí)，Playing屬性置true，動(dòng)畫(huà)播放，監(jiān)控畫(huà)面與實(shí)際動(dòng)作相匹配，當(dāng)動(dòng)作過(guò)程結(jié)束時(shí)將FrameNum屬性置為動(dòng)畫(huà)對(duì)應(yīng)的那個(gè)幀上，達(dá)到動(dòng)畫(huà)與實(shí)際動(dòng)作同步。其主要通過(guò)VB腳本對(duì)Playing項(xiàng)和FrameNum項(xiàng)進(jìn)行屬性的賦值。

Playing項(xiàng)的VB腳本為:

3.3 簡(jiǎn)單報(bào)警設(shè)計(jì)

WinCC主要實(shí)現(xiàn)MPS系統(tǒng)整體監(jiān)控，每個(gè)工作站動(dòng)作的是每個(gè)站的PLC進(jìn)行控制，當(dāng)工作站出現(xiàn)故障的時(shí)候，發(fā)送報(bào)警狀態(tài)字給S7－300PLC或者直接發(fā)送到WinCC，根據(jù)報(bào)警狀態(tài)字來(lái)顯示出哪個(gè)站出現(xiàn)硬件異常、當(dāng)前工作站故障位置及原因。

4 結(jié)論

WinCC是功能強(qiáng)大的人機(jī)交互軟件，適用于很多控制系統(tǒng)。通過(guò)WinCC對(duì)模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)控程序的編制，實(shí)現(xiàn)了模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)各工作過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，為各種控制系統(tǒng)的監(jiān)控提供了一種新的實(shí)現(xiàn)思路。

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