發布日期：2022-07-20 點擊率：75 品牌：西門子_Siemens
摘 要：結合實際的工程項目，介紹了在山西無縫鋼管廠減徑機中利用Siemens公司的WinCC組態軟件、Profibus-DP現場總線技術和工業以太網技術設計實現了一個監控系統。通過實施獲得了較好的監控效果。
關鍵詞：WinCC;減徑機;監控系統
Abstract: Combined with the actual project, this paper introduces an application example of Siemens WinCC configuration software, Profibus-DP fieldbus technology and Industrial Ethernet technology in monitoring system in Shanxi Seamless Steel Pipe Plant. This system achieves pretty good effect in practice.
Key words: WinCC; reducing mill; monitoring system
0 引言
山西無縫鋼管廠 219機組生產線選用了12機架三輥微張力減徑機， 它采用了三輥式獨立傳動機構，分別用12臺直流電機進行拖動控制，它的兩個主要作用是減徑和改變壁厚，即通過相互緊靠及串列的12機架序列使鋼管的外徑遞減，同時利用該序列中軋制速度差在鋼管上形成縱向拉應力即張力，通過控制張力的大小來使鋼管壁厚按要求值變化。減徑后的鋼管外表面光潔、無劃痕具有一定的真圓度，進一步提高了鋼管外表面質量。
為了提高整個無縫鋼管生產線的運行管理水平和自動化水平，進一步提高經濟效益，本項目采用西門子的s7-300系列的PLC為控制器，并以WinCC為組態監控軟件開發了該廠減徑機的監控系統。
1 減徑機監控系統構成
為了提高控制系統的可靠性，該監控系統采用“集中監測、分散控制”的設計思想，采用PC、PLC分布式控制方式，上位機采用PC作為主機，其配置為：CPU為P4-2.0;內存為512M;硬盤為80G;操作系統為WindowsXP，外接打印機，用于打印報表。在上位機運行WinCC組態軟件，實現對各工況實時監控、數據歸檔和報表打印等功能。下位機選用S7-300PLC及編程工具STEP7，負責現場數據的采集、處理與對象的控制，將采集的數據通過邏輯運算、判斷、變換后上傳到PC機。為滿足配置PROFIBUS-DP網絡的需要，PC機配有CP5611通訊卡，負責上位PC機與下位機PLC之間的通訊[1]。此外采用了PROFIBUS-DP總線電纜完成潤滑站、液壓站、高壓水除磷站以及輥道電機變頻器之間的連接，實現從站與主站的數據交換。監控系統結構如圖1所示。
圖1 減徑機控制系統結構圖
2 監控系統的設計
本監控系統采用組態軟件WinCC，它是一個實用且與SIMATIC產品無縫連接的組態軟件，可靠性高、實時性強、適用范圍廣、界面友好、功能強大，不同廠家生產的硬件設備都可以通過更換不同的驅動程序來方便地完成監控系統的組態。WinCC包括幾個主要的功能編輯器：圖形設計編輯器、全局腳本編輯器、變量存檔編輯器、報警存檔編輯器、報表設計編輯器、用戶管理和項目安全編輯器。用戶可以在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，形成所需要的操作畫面、監控畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。該監控系統的設計包括：WinCC與PLC通訊系統的設計和監控畫面的設計。
2.1 WinCC與PLC通訊系統的設計[2]
WinCC提供了1個支持多種網絡協議和類型的SIMATIC S7 Protocol Suite的通訊驅動程序，通過它的通道單元提供與SIMATIC S7-300PLC的通訊。WinCC所有應用程序必須以WinCC變量的形式從變量管理器中請求數據。這些WinCC應用程序包括圖形運行系統、報警記錄運行系統、變量記錄運行系統等。WinCC變量管理器的任務是從過程中取出請求的變量值，這個過程通過集成在WinCC項目中的通訊驅動程序來完成。通訊驅動程序利用其通道單元構成WinCC與過程處理之間的接口，在許多情況下，到過程處理的基于硬件的連接是利用通訊處理器來實現的。WinCC通訊驅動程序使用通訊處理器來向PLC發送請求消息。然后，通訊處理器將回答相應消息請求的過程值發回WinCC。WinCC與PLC通訊結構如圖2所示。
圖2 WinCC與PLC通訊結構圖
該通訊具體實現的步驟如下：
（1）創建WinCC站與自動化系統間的物理連接：在控制面板中打開“PG/PC”對話框，設置參數完成訪問點和通信處理器之間的分配以及為WinCC中相應的外部變量賦地址。
（2）在WinCC項目中添加適當的通道驅動程序：SIMATIC S7 Protocol Suite。
（3）在通道驅動程序適當的通道單元（Profibus）下建立與指定通訊伙伴的連接。
（4）在連接下建立變量，包括內部變量和外部變量。
2.2 監控畫面的設計
為了更形象的反映現場設備的實際運行狀況，將相應的設備以圖形的方式顯示在主畫面中;以顏色、閃爍、樣式等不同的對象屬性作為區別設備的運行、故障、報警等不同的狀態。為了進一步方便操作人員隨時查看系統的狀態，在減徑機監控主畫面中設置了12臺主電機的轉速設定、轉速反饋、勵磁電流反饋和電樞電流反饋，以及冷床區推進鏈電機的轉速設定和輔助傳動輥道電機的轉速設定。該監控主畫面如下圖3所示：
圖3 監控主畫面
2.2.1 對減徑機運行狀態實時監控跟蹤
啟動WinCC，在其項目管理器中打開圖形編輯器，根據實際設計要求在WinCC的標準對象、智能對象和Windows對象的下拉列表框中選擇需要的靜態文本、輸入輸出域、應用和畫面窗口以及功能按鈕等。然后對選擇的對象進行更名、復制、粘貼、定位和旋轉等基本靜態操作，以及通過動態對話框、C動作或VBS動作來實現對象屬性的動態化。當減徑機系統開始運行時,就可以通過WinCC的圖形編輯器來完成對主傳動直流電機、冷床推進鏈電機和輔助傳動輥道電機的實際轉速、電樞電流、勵磁電流進行實時的監控，并對其他一些重要的生產數據以及生產狀態進行動態顯示。
2.2.2 過程值歸檔組態
在歸檔的組態中，分為過程值歸檔和壓縮歸檔兩種類型，本項目中選擇過程值歸檔組態，其目的是當減徑機系統開始運行時來采集、處理和歸檔工業現場的過程數據。獲得的這些過程數據以趨勢曲線和表格的方式顯示出來作為現場設備運行狀態的管理和技術標準。在組態過程值歸檔時，考慮要歸檔的過程變量和存儲位置以及是否設定歸檔備份和歸檔備份的目標路徑。具體實現步驟如下[3]：
（1）在變量記錄管理器中創建一個新的歸檔，添加要歸檔的變量。
（2）設置歸檔的屬性。包括歸檔的常規信息和歸檔參數。
（3）設置歸檔變量的屬性。包括歸檔變量的名稱、變量類型、采集類型等屬性。
（4）創建和設置趨勢圖。選擇WinCC在線趨勢控件，并設置其屬性，在“常規” 和“曲線”選項卡中分別輸入趨勢窗口標題以及添加趨勢曲線圖。
（5）激活變量記錄運行系統。
2.2.3 報警組態
在實際生產現場，安全性是非常重要的，當在生產過程發生意外故障時，報警組態系統就會自動觸發相應的報警信息，此信息會顯示在報警記錄表中，此外在減徑機主操作臺上還裝有蜂鳴報警器，一旦有報警或故障信號就能在第一時間通知現場操作人員，并快速做出相應的處理。報警組態的具體實現步驟為：
（1）在報警記錄編輯器中選擇報警消息塊。
（2）組態報警消息和報警消息文本。包括設置消息類別、消息變量、消息位、狀態位等屬性。
（3）組態報警消息的顏色。在監控畫面中，不同類型消息的不同狀態用不同的顏色表示，以便操作人員快速的識別出報警類型和狀態。
（4）組態報警事件窗口。在“對象選項板”上選擇報警控件，并根據需要對報警控件的屬性進行設置。
（5）激活報警記錄運行系統。
2.2.4 用戶權限管理
WinCC本身具有一個先進的、強有力的、人性化的用戶安全管理系統，為了解決好授權與安全性問題，需要通過WinCC的用戶管理器對用戶的使用權限進行相應的設置，在本系統中將用戶權限分為3種：瀏覽用戶、管理員用戶、程序員用戶，這樣既能使不同類型的用戶共同使用該系統，又能保證系統的安全管理。
3 結束語
該無縫鋼管生產線于2009年4月21日正式投產，生產實踐表明，以西門子公司的WinCC軟件平臺為基礎的監控系統實現了對減徑機系統的實時控制與管理，具有故障響應快，操作簡單，組態畫面豐富等特點，減少了工人的勞動強度，保證了無縫鋼管生產的連續性，大大提高了生產效率。
參考文獻：
[1] S7-300/400PLC應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.
[2] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6.0版[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.
[3] 王曉遠.工業組態軟件WinCC在雨水泵站監控系統中的應用[J].中國農村水利水電，2006年第12期：85-87.
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