基于WinCC Web UX 的電解水制氫站SCADA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

趙振，張清愉，馮東輝，路建，劉國(guó)旭，周文露

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056004；2.中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司，河北 邯鄲 056000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的快速發(fā)展和工廠管理模式的不斷優(yōu)化，傳統(tǒng)的集中式監(jiān)控操作方式已經(jīng)不能滿足客戶的生產(chǎn)管理需求，很多客戶要求工廠可實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控、無人值守的智能化管理。傳統(tǒng)監(jiān)控模式會(huì)大大浪費(fèi)人力物力，導(dǎo)致工作效率低下。另外，“氫”作為一種易燃、易爆的氣體，一旦在制取過程中發(fā)生泄漏，極易發(fā)生爆炸事故，所以制氫站自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求更高。一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)不僅可以提升設(shè)備的安全監(jiān)控性能，同時(shí)客戶端可隨時(shí)隨地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，有效地彌補(bǔ)了本地監(jiān)控的短板。所以本文基于WinCC 的Web UX 選件功能為電解水制氫站設(shè)計(jì)了一套具備遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化控制系統(tǒng)。

1 電解水制氫遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)介紹

在工業(yè)控制中，遠(yuǎn)程監(jiān)控根據(jù)控制模式不同可分為三種：主機(jī)集中模式、客戶機(jī)-服務(wù)器（C/S）模式、瀏覽器-服務(wù)器（B/S）模式（如圖1）。本文設(shè)計(jì)的電解水制氫SCADA 系統(tǒng)是基于B/S 模式。B/S 模式下的客戶端使用的不再是應(yīng)用程序而是瀏覽器，其客戶端與服務(wù)器端通訊采用http 協(xié)議，而C/S 模式采用自定義協(xié)議。B/S 模式根據(jù)服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)重新生成界面，而C/S模式是根據(jù)服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)更新界面。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S 模式無需用戶單獨(dú)安裝應(yīng)用程序或軟件，而C/S 模式的應(yīng)用需單獨(dú)安裝，并且當(dāng)軟件升級(jí)時(shí)，需要用戶再次進(jìn)行安裝。另外，B/S 模式編程相對(duì)簡(jiǎn)單，程序員只需進(jìn)行界面開發(fā)和業(yè)務(wù)邏輯開發(fā)，無須再對(duì)通信模塊和自定義協(xié)議部分進(jìn)行編程。B/S 模式實(shí)際上是對(duì)C/S 模式的一種改進(jìn)和優(yōu)化。

圖1 B/S 模式

在B/S 模式中，客戶端在瀏覽器界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，界面與通信模塊建立通訊，通信模塊將操作指令以http 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，向Web 服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器的通訊模塊按照http 協(xié)議進(jìn)行拆包，在Web 服務(wù)器中調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，Web 服務(wù)器通信模塊對(duì)計(jì)算后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行打包發(fā)送至瀏覽器通信模塊，按照http 協(xié)議進(jìn)行拆包獲取數(shù)據(jù)，瀏覽器根據(jù)服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)生成新界面。基于Web 的制氫站控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控主要包括以下功能：遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程設(shè)備操作、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、分級(jí)管理權(quán)限設(shè)置。

遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)信息功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)制氫站內(nèi)儀表參數(shù)（系統(tǒng)壓力、液位、流量、溫度、氣體分析儀等）進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息情況、輔助設(shè)備運(yùn)行情況等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。在遠(yuǎn)程客戶端網(wǎng)絡(luò)條件良好的情況下，基本可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端與現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)同步顯示。遠(yuǎn)程設(shè)備操作用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備開關(guān)機(jī)、參數(shù)值設(shè)定、閥門啟停、輔助設(shè)備啟停、純化狀態(tài)切換等操作。數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并以報(bào)表和歷史趨勢(shì)圖的形式進(jìn)行顯示，方便操作人員在調(diào)試或處理事故過程中調(diào)取過去時(shí)間內(nèi)參數(shù)信息以及報(bào)警記錄。分級(jí)管理權(quán)限設(shè)置功能是為提高工廠安全性而開發(fā)的功能。用戶在WinCC 畫面中點(diǎn)擊登錄按鈕，在彈出的登錄界面輸入登錄名和密碼才能進(jìn)行操作，不同登錄名的操作權(quán)限不同。用戶必須在其對(duì)應(yīng)權(quán)限下進(jìn)行操作，不可越級(jí)進(jìn)行操作，這樣大大提高了制氫站的安全性，降低了人員誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

2 電解水制氫遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)

基于Web UX 的 SCADA 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為2 層：遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)和控制室網(wǎng)絡(luò)。電解水制氫站的PLC 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制是如圖2 所示。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)由客戶端以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成?？刂剖揖W(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要分為服務(wù)器層、控制器層和設(shè)備層3 層。

圖2 制氫站遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖3 用戶登錄界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面

2.1 服務(wù)器層

本系統(tǒng)的服務(wù)器層主要是由Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WinCC 服務(wù)器組成，三者可在同一臺(tái)電腦上實(shí)現(xiàn)。Web 服務(wù)器是連接客戶端和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。?shù)據(jù)庫服務(wù)器是用于處理、存儲(chǔ)設(shè)備信息的服務(wù)器；WinCC 服務(wù)器是西門子上位軟件WinCC 自帶的，一方面可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件，另一方面，可以作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的服務(wù)器。

2.2 控制器層

控制器層的作用是處理來自現(xiàn)場(chǎng)儀表的參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制邏輯做出相應(yīng)的指令，將指令作用到被控對(duì)象上，并為上位機(jī)提供參數(shù)數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)控制器采用的是西門子S7-1200，下位編程軟件選擇西門子Portal編程軟件。

2.3 設(shè)備層

設(shè)備層由電解水制氫設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備等組成。電解水制氫設(shè)備包括氣液處理器框架、純化框架、輔助設(shè)備等。網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備用于進(jìn)行各層之間的網(wǎng)絡(luò)連接。

3 電解水制氫遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

電解水制氫站系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理以及可視化顯示等，包括以下幾個(gè)模塊。

（1）設(shè)備SCADA 系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)電解水制氫設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并存到SQL 數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)可視化模塊。將電解水制氫設(shè)備上的儀表參數(shù)實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。

（3）報(bào)表功能。包括系統(tǒng)的報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)報(bào)表以及歷史參數(shù)等可視化顯示功能。

（4）遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊?；赪inCC Web UX 選件以網(wǎng)頁訪問的形式實(shí)現(xiàn)電解水制氫設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

4 WinCC 畫面的發(fā)布以及訪問

4.1 Web UX 配置

Web UX 是WinCC 的一個(gè)選件，其基于公認(rèn)的Web 標(biāo)準(zhǔn)，無須額外的軟件和硬件就可在支持HTML5 的Web 瀏覽器的設(shè)備上使用。下面對(duì)Web UX 選件的配置步驟進(jìn)行介紹。

（1）安裝。Web UX 的安裝文件包含在WinCC 的DVD 中，在安裝時(shí)應(yīng)該勾選上SIMATIC WINCC Web UX 和SIMATIC WINCC Navigator 選件，當(dāng)然也可以根據(jù)需要在以后進(jìn)行單獨(dú)安裝。安裝該選件時(shí)，會(huì)檢測(cè)Windows系統(tǒng)的IIS 配置，只有滿足條件時(shí)，才能進(jìn)行下一步進(jìn)行安裝。建議使用64 位操作系統(tǒng)，僅支持HTTPS 連接。

（2） 配置。 在安裝Web UX 選件后， 需要對(duì)WinCC Web UX 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配置，并對(duì)IIS（Internet Information Service）網(wǎng)站進(jìn)行配置，需要配置站點(diǎn)名稱、端口以及證書等參數(shù)。之后，在控制面板中選擇管理工具，進(jìn)入IIS 管理界面，對(duì)新生成的網(wǎng)站進(jìn)行IP地址綁定、端口配置和SSL 證書選擇。

4.2 畫面發(fā)布

（1）畫面設(shè)計(jì)。通過圖形編輯器設(shè)計(jì)創(chuàng)建屏幕畫面。在相應(yīng)畫面激活Web-enable，在輸出畫面中檢查畫面兼容性，具有Web UX 屬性的畫面會(huì)被保存為.PDL 和后綴名為.json 的文件。

（2）畫面訪問。在圖形編輯器中完成畫面設(shè)計(jì)后，需要?jiǎng)?chuàng)建用戶和權(quán)限，并定義起始畫面。打開WinCC 的用戶管理器，選擇需要訪問Web UX 的用戶。激活Web UX 選項(xiàng)，配置起始畫面和起始語言。

4.3 訪問

保證客戶端和Web UX 服務(wù)器在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。首先要激活WinCC 項(xiàng)目，然后在客戶端打開支持HTML的瀏覽器，輸入Web UX 站點(diǎn)的網(wǎng)址，輸入格式為：https://IP 地址，在彈出的登錄界面中輸入相應(yīng)的用戶名和密碼，就可遠(yuǎn)程瀏覽發(fā)布的畫面了。

5 結(jié)語

基于Web UX 選件的SCADA 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)客戶端無須安裝和維護(hù)、隨時(shí)隨處可在世界范圍內(nèi)對(duì)制氫站的參數(shù)信息、運(yùn)行情況和報(bào)警記錄等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。并組態(tài)配置集成在工程項(xiàng)目中，其具有無須安裝額外的軟件和硬件，無需進(jìn)行后期維護(hù)以及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),有很好的應(yīng)用前景，可大大提升水電解制氫站監(jiān)控的安全性能。