WinCC在連續(xù)退火線監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

潘志友 ，周 穎 ，2，王 雪

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130；2.河北省控制工程技術(shù)研究中心，天津300130）

連續(xù)退火線是冷軋產(chǎn)品的后道工序，它對(duì)提高冷軋產(chǎn)品的性能起著至關(guān)重要的作用[1]，由于它具有生產(chǎn)效率高、成本低，產(chǎn)品質(zhì)量高、多樣化等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在連續(xù)退火中可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)節(jié)以及趨勢(shì)變化、報(bào)警信息等各種功能[2]，使得操作管理迅速化、自動(dòng)化，改善控制質(zhì)量的同時(shí)又提高產(chǎn)量，為獲得高收益和節(jié)能降耗創(chuàng)造了條件。

1 連續(xù)退火工藝簡(jiǎn)介

連續(xù)退火機(jī)組是集電解清洗、退火、平整、拉矯、表面檢查、精整為一體的帶鋼熱處理工藝，采用立式連續(xù)退火爐代替間歇式罩式爐，減少了多次鋼卷處理，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，產(chǎn)品質(zhì)量好，能耗低。

機(jī)組可分為入口段、工藝段、平整段、出口段4個(gè)部分。入口段主要包括開(kāi)卷機(jī)、雙層剪、焊機(jī)、入口活套等設(shè)備，完成開(kāi)卷、帶鋼頭尾剪切和焊接等功能；工藝段主要包括清洗段、退火爐、水淬槽等設(shè)備，完成帶鋼的清洗、退火、過(guò)時(shí)效處理及冷卻等工藝過(guò)程；平整段主要包括平整機(jī)、拉伸彎曲矯直機(jī)、圓盤剪等設(shè)備，經(jīng)過(guò)平整、拉矯和切邊的處理，可以提高帶鋼的平直度，改善板形，提高帶鋼尺寸精度和綜合力學(xué)性能；出口段主要包括出口活套、靜電涂油機(jī)、檢查平臺(tái)、出口剪、卷取機(jī)等設(shè)備，完成成品檢查、涂防銹油、切邊、分卷等功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該套連退生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用上位設(shè)置二級(jí)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及監(jiān)控計(jì)算機(jī)HMI、并配置過(guò)程數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)（PDA），一級(jí)主站采用SIEMENS公司S7-400系列可編程控制器，通過(guò)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)以高速數(shù)據(jù)通訊傳輸連接的集中監(jiān)視、分散控制的自動(dòng)化系統(tǒng)[3]；HMI和二級(jí)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)與CPU采用工業(yè)以太網(wǎng)連接；PLC控制系統(tǒng)與從站裝置之間采用Profibus－DP網(wǎng)通訊。系統(tǒng)連接示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件配置Fig.1 System hardware configuration

SIMATIC S7-400多CPU系統(tǒng)是一種全數(shù)字、可自由配置、實(shí)時(shí)多任務(wù)、多處理器的機(jī)架安裝，模板化控制系統(tǒng)。每個(gè)機(jī)架內(nèi)可插入1～4個(gè)S7-400處理器，每個(gè)處理器可獨(dú)立執(zhí)行應(yīng)用任務(wù)，處理器之間互相獨(dú)立運(yùn)行，處理器之間也可通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此通訊速度非?？臁Ｓ啥鄠€(gè)S7-400控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，控制器可采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式進(jìn)行組態(tài)，一個(gè)邏輯的主控制器可連接多個(gè)邏輯的從控制器。該生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用3個(gè)S7 416－2DP作為整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。

中央處理器CPU416－2DP（內(nèi)置有一個(gè)DP接口和一個(gè)MPI接口）作為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)Profibus－DP的主站，處理系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)和工藝動(dòng)作流程，并通過(guò)Profibus－DP總線連接到傳動(dòng)控制裝置（變頻器）的通訊單元，將控制命令和速度給定值等傳給主傳動(dòng)控制裝置，將各系統(tǒng)的啟、停狀態(tài)、電壓、電流、運(yùn)行頻率、故障、報(bào)警信息等采集回來(lái)進(jìn)行處理；從站中ET200M作為遠(yuǎn)程I/O站通過(guò)IM153接口模塊與Profibus－DP總線進(jìn)行通信，保證了系統(tǒng)的快速響應(yīng)時(shí)間的要求。

PLC從站系統(tǒng)采用的是SIEMENS ET-200，它通過(guò)遠(yuǎn)程I/O Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與S7-400處理器通訊。主要完成S7-400與各個(gè)液壓站、稀油潤(rùn)滑站、油膜站、乳化液的智能變送器的信息傳送以及變頻器之間的邏輯控制，如：泵的合閘分閘、溫度壓力液位的報(bào)警以及連鎖動(dòng)作，電機(jī)的啟停、接觸器的分合控制與應(yīng)答信號(hào)采集，各種液壓閥的動(dòng)作、高壓和電機(jī)故障報(bào)警等。

3 冗余服務(wù)器設(shè)計(jì)

HMI人機(jī)接口由9臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，選用臺(tái)灣研華工業(yè)PC機(jī)。2臺(tái)位于入口段：一臺(tái)用于一級(jí)自動(dòng)化，一臺(tái)用于二級(jí)自動(dòng)化；3臺(tái)位于計(jì)算機(jī)室：其中一臺(tái)用作數(shù)據(jù)庫(kù)采集和開(kāi)發(fā)工具，兩臺(tái)用作服務(wù)器。如操作不出故障，兩臺(tái)服務(wù)器完全并行運(yùn)行。自動(dòng)化系統(tǒng)把所有數(shù)據(jù)同時(shí)傳遞給兩臺(tái)服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器處理自己的數(shù)據(jù)。如其中一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障，如：網(wǎng)絡(luò)連接故障、服務(wù)器故障、過(guò)程連接故障，“應(yīng)用程序正常檢查”服務(wù)檢測(cè)到故障應(yīng)用程序等，則連接到該服務(wù)器的客戶機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)向冗余服務(wù)器。在服務(wù)器故障時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行客戶機(jī)從缺?。ㄖ鳈C(jī)）服務(wù)器到冗余服務(wù)器的切換。切換保證無(wú)數(shù)據(jù)丟失并可繼續(xù)操作過(guò)程。當(dāng)故障服務(wù)器已恢復(fù)到可操作狀態(tài)時(shí)，WinCC將通過(guò)傳遞自發(fā)生故障起，冗余服務(wù)器所記錄的所有數(shù)據(jù)來(lái)同步服務(wù)器。

4 軟件設(shè)計(jì)和使用

圖形組態(tài)是WinCC系統(tǒng)核心，在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作界面、監(jiān)視界面、控制界面、報(bào)警界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計(jì)周期，而且提高了工作效率。

上位機(jī)的界面主要由主監(jiān)控界面，實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線界面，入口、出口操作界面，報(bào)警顯示界面等組成。其中最主要的是主監(jiān)控界面，操作人員可對(duì)全線電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行人工干預(yù)，可通過(guò)主監(jiān)控界面，對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行速度、張力等參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)監(jiān)視和記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。其中主監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 連續(xù)退火系統(tǒng)主監(jiān)控界面Fig.2 Continuous annealing system main monitoring interface

在變量記錄中添加需要顯示的歸檔變量，就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)退火機(jī)組流程中的主要檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示和歷史趨勢(shì)記錄，例如張力輥速度給定值、速度實(shí)際值、電流反饋值等；可以方便地調(diào)出組態(tài)好的趨勢(shì)曲線，并能調(diào)整量程范圍來(lái)使局部放大，幫助分析生產(chǎn)情況或事故原因。同時(shí)頁(yè)面上還設(shè)有打印鍵，打印鍵是通過(guò)WinCC腳本編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可將實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和歷史趨勢(shì)圖打印出來(lái)進(jìn)行具體的工藝分析。

系統(tǒng)報(bào)警界面顯示和記錄在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的報(bào)警和故障，并附有簡(jiǎn)要說(shuō)明，通過(guò)顏色不同來(lái)區(qū)分報(bào)警的危險(xiǎn)性，這樣就可避免危機(jī)情況，縮短危機(jī)時(shí)間或減小危機(jī)造成的影響。在事故分析時(shí)還可把報(bào)警記錄打印出來(lái)。設(shè)備/工藝報(bào)警表包括標(biāo)簽名、報(bào)警事件、日期、報(bào)警類型值、報(bào)警文本信息，系統(tǒng)將記錄最近發(fā)生的100個(gè)報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)報(bào)警界面如圖3所示。

圖3 連續(xù)退火系統(tǒng)報(bào)警界面Fig.3 Continuous annealing system alarm interface

由于報(bào)警分散在各個(gè)畫面中，為了增強(qiáng)報(bào)警的實(shí)時(shí)可讀性，又設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合的報(bào)警組態(tài)畫面。將各報(bào)警標(biāo)記名分成幾個(gè)報(bào)警組，例如入口段、工藝段，在每個(gè)畫面的上方添加綜合報(bào)警窗口對(duì)系統(tǒng)報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且有切換到主報(bào)警窗口的鏈接按鈕，在主報(bào)警窗口里確認(rèn)各種報(bào)警及了解歷史報(bào)警的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，會(huì)顯示在鏈接按鈕右面的指示燈上，這樣操作員隨時(shí)能總覽全局的報(bào)警狀態(tài)，并及時(shí)做出處理，大大增強(qiáng)了控制功能。

5 用戶管理與通訊設(shè)置

為安全生產(chǎn)，與工藝相關(guān)的每個(gè)操作都必須由操作員確認(rèn)。操作員必須登錄經(jīng)校驗(yàn)后才能對(duì)該生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。未進(jìn)行授權(quán)的訪問(wèn)人員無(wú)法進(jìn)行任何相關(guān)操作，這樣就可預(yù)防非工作人員的誤操作導(dǎo)致的生產(chǎn)事故。為此，利用WinCC強(qiáng)大的腳本編輯功能設(shè)定了用戶管理[4]。

本項(xiàng)目中總體設(shè)置了以下兩種權(quán)限：用戶、管理員。當(dāng)用戶登錄到系統(tǒng)時(shí)，將不會(huì)為其賦予任何權(quán)限。也就是說(shuō)，用戶既不能調(diào)用或查看數(shù)據(jù)，也不能執(zhí)行控制操作。其中管理員又分為軋制、入口段兩種（本生產(chǎn)線有150 m長(zhǎng)，軋制段和入口段的操作員很難準(zhǔn)確了解對(duì)方系統(tǒng)所處的準(zhǔn)確狀態(tài)，因此不能干預(yù)對(duì)方的操作），當(dāng)管理員調(diào)用一個(gè)受訪問(wèn)權(quán)限保護(hù)的功能，則用戶管理器將檢查用戶是否具有允許其如此操作的相應(yīng)授權(quán)。如果沒(méi)有，用戶管理器將拒絕用戶訪問(wèn)所期望的功能。

HMI系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)同PLC控制器連接，通信采用TCP/IP協(xié)議，通信速率為10 Mb/s，網(wǎng)絡(luò)連接采用光纖。工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)環(huán)境中最有效的一種子網(wǎng)，它是一種開(kāi)放式的通訊網(wǎng)絡(luò)，可靠性高，使用范圍廣，且速度快，能夠進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的交換。它通過(guò)安裝在PC機(jī)上的通訊卡與SIMATIC S7進(jìn)行通訊，使用的通訊協(xié)議為ISO傳輸層。WinCC站與SIMATIC S7自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊是通過(guò)SIMATIC S7 Protocol來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)需通過(guò)其他OPC服務(wù)器進(jìn)行連接[5]。這樣就整個(gè)系統(tǒng)的組建提供了極大方便。WinCC系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接需要在HMI系統(tǒng)中進(jìn)行以下幾步設(shè)置：

（1）將 SIMATIC S7 Protocol Suite的 TCP/IP 通道中系統(tǒng)參數(shù)中單元選框的邏輯設(shè)備名稱選為CPTCPIP。

（2）在TCP/IP通道添加的驅(qū)動(dòng)連接的屬性中設(shè)置相應(yīng)的連接參數(shù)，如圖4所示。

（3）將控制面板中設(shè)置PG/PC接口的應(yīng)用程序訪問(wèn)點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)的網(wǎng)卡，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的診斷測(cè)試。

6 二級(jí)自動(dòng)化

二級(jí)自動(dòng)化是整個(gè)軋制工藝控制系統(tǒng)的核心，是用VB做成的畫面。該系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)變規(guī)格設(shè)置，自適應(yīng)運(yùn)行，跟蹤系統(tǒng)（實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄系統(tǒng)中每一卷鋼帶、焊縫的準(zhǔn)確位置，為焊縫順利通過(guò)軋機(jī)，自動(dòng)剪切分卷等過(guò)程提供有力保證）。操作員只需提供來(lái)料的各種規(guī)格和成品的各種規(guī)格（如：厚度、寬度、重量、長(zhǎng)度、卷徑等）系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的根據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)各個(gè)張力輥的速度、張力輥間的張力等進(jìn)行合理分配，并存儲(chǔ)在SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)WINCC與SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的通訊連接使得數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示在畫面上，通過(guò)監(jiān)控畫面對(duì)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、修改等操作；同時(shí)可利用WINCC的腳本編程將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Word文檔進(jìn)行保存和打印。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在山東某帶鋼廠的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行充分證明，這套系統(tǒng)能全面反映該自動(dòng)化生產(chǎn)線工作的總況，信息和曲線能實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)各參數(shù)的實(shí)際情況，跟蹤、顯示、運(yùn)算、分析、保存以及修改這些信息對(duì)分析系統(tǒng)，調(diào)整參數(shù)，尋找故障原因提供了快速有效的幫助，極大降低了開(kāi)發(fā)工作量，同時(shí)還降低工廠維護(hù)與部署所需的時(shí)間。

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