基于WINCC 的工業(yè)爐群智能監(jiān)控系統(tǒng)

劉玲玲，夏志鵬，周熠民，李保強

（1.鄭州財經(jīng)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南鄭州 450044；2.機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007）

隨著工業(yè)4.0 和中國制造2025 的推進(jìn)，智能工廠、智能生產(chǎn)在我國工業(yè)領(lǐng)域的研究快速展開。智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實現(xiàn)，整個企業(yè)的生產(chǎn)管理、人機互動在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等技術(shù)將制造業(yè)推向智能化轉(zhuǎn)型。當(dāng)前國內(nèi)工業(yè)爐窯的自動化監(jiān)控多見于單臺爐窯，而現(xiàn)有的單臺爐窯監(jiān)控系統(tǒng)往往偏重于工業(yè)爐運行狀態(tài)信息的實時監(jiān)控，而不具備班次、操作員、產(chǎn)品型號、數(shù)量、材質(zhì)、工藝編號、工藝開始時間、工藝結(jié)束時間、耗氣量、耗電量等生產(chǎn)信息的記錄與查詢功能，更不具備通過以太網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程訪問與控制功能[1]。隨著工業(yè)向著規(guī)?；?、智能化、信息化方向的發(fā)展，生產(chǎn)和管理者對于整個工業(yè)爐群系統(tǒng)的全面智能監(jiān)控和管理有了更高的要求，并且工業(yè)爐群通過計算機甚至通過手機、平板電腦等移動終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)是未來的一個發(fā)展趨勢，因此針對工業(yè)爐群的智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)尤其迫切[2]。鑒于此，本文研究基于WinCC 的工業(yè)爐群智能監(jiān)控系統(tǒng)，集中了智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)技術(shù)，是工業(yè)爐裝備向高端裝備發(fā)展的一個重要方向。

1 WINCC

WinCC 是Windows Control Center（視窗控制中心）的簡稱，是西門子公司基于Windows OS 開發(fā)的SCADA/HMI 軟件，于1996 年進(jìn)入世界工業(yè)控制組態(tài)軟件市場，并在很短的時間內(nèi)成為世界第三個在世界范圍內(nèi)成果的SCADA 系統(tǒng)。SCADA 系統(tǒng)的核心功能是實時數(shù)據(jù)庫，WinCC 采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和采集，同時具備Web 瀏覽器功能，使操作者能夠遠(yuǎn)程實時監(jiān)控生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面。并通過不同權(quán)限的設(shè)置，更好的調(diào)度指揮工業(yè)生產(chǎn)。同時具有較強的開放性，可以使用戶程序與各種軟件相結(jié)合，建立友好的人機界面[3]。作為全集成自動化系統(tǒng)的重要組成部分，WinCC 與西門子STEP7 編程緊密結(jié)合，可將工業(yè)爐生產(chǎn)和過程自動化結(jié)合在一起，充分利用WinCC 變量管理器、圖形編輯器、報警記錄、過程值歸檔、報表編輯器、腳本系統(tǒng)、用戶管理器、交叉索引和文本庫對于工業(yè)爐群生產(chǎn)過程中變量通訊、實時過程控制畫面、數(shù)據(jù)采集和報警記錄、運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)歸檔、保存以及運行過程趨勢、曲線、報表等很好地呈現(xiàn)。

2 方案設(shè)計

以玉柴鑄件正（退）火爐項目為例，基于WINCC 的工業(yè)爐群智能監(jiān)控系統(tǒng)采用web 客戶端進(jìn)行工廠車間遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，客戶端通過以太網(wǎng)與工控機（WINCC 組態(tài)界面）相連。工控機一用一備確保安全性。下位控制系統(tǒng)采用SIEMENS公司S7-400 系列可編程控制器，通過以太網(wǎng)，實現(xiàn)以高速數(shù)據(jù)通訊傳輸連接的集中監(jiān)視、分散控制的自動化系統(tǒng)；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。具體由爐窯群、烘箱、智能儀表、PLC、傳感器、電能表、濃度測量儀、氣體流量計、切斷閥及A/D 轉(zhuǎn)換模塊等部件組成。上位機選用工控機、觸摸屏、個人計算機，現(xiàn)場使用觸摸屏現(xiàn)場監(jiān)控，中控室中使用工控機監(jiān)測與控制，遠(yuǎn)程監(jiān)控使用個人PC 監(jiān)控與管理，下位控制系統(tǒng)由西門子PLC與智能儀表構(gòu)成，采集模塊由傳感器、流量計、測量儀、電能表等組成。系統(tǒng)中通信采用RS232 和RS485 兩種通信標(biāo)準(zhǔn)，其中RS232 通信實現(xiàn)硬件和軟件的連接，RS2485 通信實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的傳送。

圖1 方案結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

爐窯監(jiān)控分為遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層和中控室監(jiān)控層。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理層可遠(yuǎn)程查看整條生產(chǎn)線的運行情況，包括了現(xiàn)場的爐溫、爐壓的實時數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)，并可打印參數(shù)報表和各項參數(shù)曲線，對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)督、管理和決策。中控室監(jiān)控層設(shè)在窯爐車間中控室，完成對整個窯爐車間進(jìn)行監(jiān)測和控制，可以實現(xiàn)手動、自動、現(xiàn)場操作控制，設(shè)計有各段爐溫調(diào)整、管道壓力調(diào)整、爐壓調(diào)整、實時趨勢、歷史趨勢及系統(tǒng)報警等操作監(jiān)控畫面。

通過組態(tài)王提供的各種通用I/O 接口設(shè)備驅(qū)動程序，將現(xiàn)場控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位計算機監(jiān)測系統(tǒng)連接起來。為提高系統(tǒng)的安全性，設(shè)置報警提示信息及聲光報警；通過生動形象的動態(tài)圖形組態(tài)畫面，實現(xiàn)車間爐窯運行狀態(tài)的可視化監(jiān)控；通過組態(tài)軟件豐富、強大的報表功能，對值班操作人員的操作情況、窯爐的運行情況實現(xiàn)自動化管理；通過組態(tài)王與SQL Server 建立鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理。

3.1 界面設(shè)計

本課題研究和設(shè)計的WINCC 組態(tài)界面是以玉柴鑄件正（退）火爐項目為例的，鑄件正（退）火爐人機界面主要包括：起始畫面、主畫面、系統(tǒng)數(shù)據(jù)畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、報警記錄畫面、溫度曲線畫面、氮氣曲線畫面、通訊畫面和幫助畫面。人機界面可完整顯示退火爐的實時狀態(tài)信息，并對溫度、氮氣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對系統(tǒng)運行過程中的報警信息進(jìn)行顯示和記錄，可以通過參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行工藝曲線的設(shè)置和運行過程數(shù)據(jù)的記錄。

3.2 用戶管理與通訊設(shè)置

圖2 主界面圖

圖3 參數(shù)設(shè)置畫面

為安全生產(chǎn)，與工藝相關(guān)的每個操作都必須由操作員確認(rèn)。操作員必須登錄經(jīng)校驗后才能對該生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。未進(jìn)行授權(quán)的訪問人員無法進(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 強大的腳本編輯功能設(shè)定了用戶管理[4]。本項目中總體設(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，將不會為其賦予任何權(quán)限。也就是說，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150m 長，軋制段和入口段的操作員很難準(zhǔn)確了解對方系統(tǒng)所處的準(zhǔn)確狀態(tài)，因此不能干預(yù)對方的操作），當(dāng)管理員調(diào)用一個受訪問權(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)。如果沒有，用戶管理器將拒絕用戶訪問所期望的功能。HMI 系統(tǒng)通過以太網(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[5]。

圖4 通訊畫面

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[6]。它通過安裝在PC 機上的通訊卡與SIMATIC S7進(jìn)行通訊，使用的通訊協(xié)議為ISO 傳輸層。WinCC 站SIMATIC S7 自動化系統(tǒng)之間的通訊是通過SIMAT-IC S7 Protocol 來實現(xiàn)的，無需通過其他OPC 服務(wù)器進(jìn)行連接[7]。這樣就整個系統(tǒng)的組建提供了極大方便。WinCC 系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與自動化系統(tǒng)進(jìn)行通訊連接需要在上位機系統(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CP-TCPIP；（2）在TCP/IP通道添加的驅(qū)動連接的屬性中設(shè)置相應(yīng)的連接參數(shù)，如圖5 所示；（3）將控制面板中設(shè)置PG/PC 接口的應(yīng)用程序訪問點選擇對應(yīng)的網(wǎng)卡，并進(jìn)行對應(yīng)的診斷測試。

圖5 通訊鏈接參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)尚無符合本文研制目標(biāo)要求的基于WinCC 的工業(yè)爐群智能監(jiān)控系統(tǒng)，來滿足國內(nèi)眾多機械廠工業(yè)爐群智能監(jiān)控的需求，現(xiàn)有的基于WinCC 系統(tǒng)多基于煤礦、配料或污水處理等，工業(yè)爐行業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)也以單臺為主，并且也以基本的狀態(tài)監(jiān)控為主，不具備生產(chǎn)信息的記錄、查詢、統(tǒng)計和報表打印功能，更不具備通過移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問和控制的功能，所以現(xiàn)有的工業(yè)爐監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足未來熱處理車間工業(yè)爐在規(guī)?；⒅悄芑?、信息化上的更高需求，這對在高端熱處理爐群的應(yīng)用場合，就會付出喪失市場機會的沉重代價。