基于HMI的螺旋焊管機組設(shè)備監(jiān)控平臺建設(shè)

茆建軍，張朋年，劉 丁

（1.寶雞鋼管資陽石油鋼管有限公司，四川資陽 641300；2.寶雞鋼管克拉瑪依有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)是將鋼卷進行拆對、矯平等工序后，對帶鋼邊緣進行銑切，用遞送機將帶鋼送至成型器卷成管坯，然后用自動埋弧焊機將管縫焊接起來，制成管徑一致的螺旋焊縫鋼管。公司焊管機組電氣控制系統(tǒng)為PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）主從多站點控制方式，采用PROFIBUS（Process Field Bus，過程現(xiàn)場總線）現(xiàn)場總線通訊，主站控制模塊為西門子CPU 315-2 DP，分站由S7-300、S7-200以及MM440變頻器、6RA70直流調(diào)速器等組成，硬件組態(tài)見圖1。在此網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件基礎(chǔ)上建設(shè)基于HMI的螺旋焊管機組設(shè)備監(jiān)控平臺，能在監(jiān)控屏直觀顯示各設(shè)備運行狀態(tài)、參數(shù)、查看事件記錄，并能通過人機界面設(shè)置相關(guān)參數(shù)和實現(xiàn)功能控制。

圖1 硬件組態(tài)

1 監(jiān)控平臺功能規(guī)劃

螺旋焊管機組設(shè)備HMI（Human Machine Interface，人機界面或觸摸屏）監(jiān)控平臺包括數(shù)據(jù)采集、信息監(jiān)控、功能控制、事件記錄幾大功能板塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)采集功能:由PLC主站程序代碼實現(xiàn)，通過與分站信息交換，采集各關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)、電壓、電流、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，進行數(shù)值轉(zhuǎn)換及計算后存儲到指定存儲區(qū)域。

信息監(jiān)控功能:通過DP（Decentralized Periphery，分散式I/0通信）通信網(wǎng)絡(luò)將采集到的各種數(shù)據(jù)傳送到HMI設(shè)備，實現(xiàn)觸摸屏在線監(jiān)控。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

功能控制功能:在HMI設(shè)備上編制需要的功能控件和參數(shù)設(shè)定界面，通過特定布爾值的變換及存儲區(qū)域數(shù)值的改變，調(diào)用PLC主站對應(yīng)的程序代碼塊，完成設(shè)備功能控制及參數(shù)的設(shè)定和變更。

事件記錄功能:利用WinCC flexible的報警管理功能實現(xiàn)。當(dāng)設(shè)定的信號發(fā)生改變或模擬量值超出設(shè)定范圍時，觸發(fā)報警功能，HMI設(shè)備生成事件記錄，操作人員可在過程報警界面查看事件原因、報警類別及事件觸發(fā)的產(chǎn)生時間。

2 監(jiān)控平臺建設(shè)

2.1 在線數(shù)據(jù)采集

主站通過各分站PLC的數(shù)字量和模擬量輸入模塊采集各設(shè)備工作狀態(tài)、合閘及故障信號、模擬量數(shù)值等數(shù)據(jù)，另外讀取變頻器、直流調(diào)速器的設(shè)備狀態(tài)字得到相應(yīng)工作狀態(tài)和數(shù)值，將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)值轉(zhuǎn)換、運算、取整和數(shù)據(jù)傳送指令，傳送到指定寄存器地址，供HMI觸摸屏畫面進行直觀顯示。

2.2 設(shè)備信息監(jiān)控

在HMI狀態(tài)顯示界面添加控件，將指針盤或數(shù)顯控件與對應(yīng)的模擬量寄存器地址進行鏈接，在屏幕上直觀顯示設(shè)備運行參數(shù)。在WinCC flexible創(chuàng)建圖形列表，并在觸摸屏畫面進行調(diào)用，當(dāng)設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生改變后，對應(yīng)的圖形顏色和提示文字會相應(yīng)發(fā)生變化。遞送機上、下輥直流電機轉(zhuǎn)速、電流顯示界面見圖3；4臺銑邊機電流、運轉(zhuǎn)頻率顯示界面見圖4。

圖3 遞送機上、下輥狀態(tài)及運行參數(shù)監(jiān)控界面

圖4 銑邊機狀態(tài)及運行參數(shù)監(jiān)控界面

在機組遞送機啟動過程中，需滿足一些必要的聯(lián)鎖條件以保證設(shè)備的正常運行。梳理出需要滿足的這些條件，制作成相對應(yīng)的流程圖（圖5）。通過監(jiān)控畫面，可以在遞送機啟動前，查看運行條件是否滿足，相關(guān)設(shè)備是否正常啟動；生產(chǎn)過程中設(shè)備突然停機時，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，確定問題產(chǎn)生的環(huán)節(jié)，減少維護人員查找故障的時間，提高生產(chǎn)效率。

圖5 聯(lián)鎖條件流程界面

2.3 設(shè)備功能控制

參數(shù)設(shè)定:以設(shè)定機組遞送上限速度為例，在HMI畫面中顯示當(dāng)前上限值，通過3種設(shè)定方式對遞送上限速度進行設(shè)定（鍵盤輸入、參數(shù)調(diào)整控件、電位器給定值），也可根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況取消速度限制功能，設(shè)定完成后通過確定按鈕使參數(shù)設(shè)定值生效（圖6）。在PLC主站程序代碼中將設(shè)定值用傳送指令傳送到指定的DB（Data Block，數(shù)據(jù)塊）地址單元，使設(shè)定值能斷電保持。

圖6 參數(shù)設(shè)定界面

功能切換:在HMI畫面中顯示當(dāng)前功能和增加進行功能切換的按鈕控件，通過切換按鈕改變對應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊地址的值。在PLC程序中編寫實現(xiàn)不同功能的功能塊，根據(jù)對應(yīng)DB數(shù)據(jù)塊地址的不同值來分別調(diào)用相應(yīng)的塊進行執(zhí)行。

由于功能控制板塊與生產(chǎn)工藝和制管質(zhì)量有密切關(guān)系，不允許現(xiàn)場操作員工隨意改動，因此將此板塊功能放在HMI特定畫面中，進入該畫面需要用戶特權(quán)，用WinCC flexible建立相關(guān)用戶組，將權(quán)限分配給工段長或管理人員，輸入正確用戶名和密碼后方可使用該功能。

2.4 事件記錄

利用Win CC flexible的報警管理功能，生成報警事件記錄。

開關(guān)通斷、熱繼保護、運行狀態(tài)、變頻器警告或報警標(biāo)志等布爾型變量，添加離散型觸發(fā)變量，將觸發(fā)器位與其PLC中對應(yīng)的位地址進行關(guān)聯(lián)，并設(shè)置報警類型、對應(yīng)的文本顯示等信息。當(dāng)對應(yīng)的值發(fā)生改變，將會生成事件記錄，顯示觸發(fā)標(biāo)志、現(xiàn)狀和觸發(fā)時間。查看事件記錄可以對機組每次開、停車時間、各設(shè)備運轉(zhuǎn)時間進行統(tǒng)計和分析，為精益生產(chǎn)提供依據(jù)，為設(shè)備維護人員排查故障提供指向性參考。

對于速度、溫度、壓力、位移等模擬量信號，利用模擬量報警功能完成。通過輸入限制值和觸發(fā)模式設(shè)定，可對連接的模擬變量進行監(jiān)控，當(dāng)超出限制值時生成事件記錄，同時自動調(diào)用報警畫面進行閃爍提示。當(dāng)超出最大限制值時，可對指定位進行置1或置0操作，控制設(shè)備停機，對設(shè)備安全和生產(chǎn)質(zhì)量進行保護。通過此功能可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，提高對設(shè)備故障的預(yù)判能力，降低設(shè)備故障率和減少質(zhì)量事故。

3 結(jié)束語

螺旋焊管機組設(shè)備監(jiān)控平臺利用PROFIBUS-DP通信網(wǎng)絡(luò)，通過HMI界面實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)、參數(shù)。采取人機交互方式，實現(xiàn)設(shè)備功能切換和工藝參數(shù)變更，避免了程序反復(fù)修改和調(diào)試。事件記錄生成的運轉(zhuǎn)日志和報警事件可對機組生產(chǎn)時間、設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況及異常情況進行實時掌握和快速響應(yīng)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，對日常巡檢、設(shè)備檢修和故障排查方向具有指導(dǎo)意義。

隨著系統(tǒng)功能的不斷擴充完善，設(shè)備監(jiān)控平臺將在設(shè)備狀況掌控、工藝參照和數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮更加積極的作用。