WinCC在冷軋?zhí)幚砭€監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹了WinCC在冷軋硅鋼處理線中的應(yīng)用，分析了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對軟件功能進行了描述。
　　關(guān)鍵字：SACL；自動化；HMI；WinCC；工業(yè)以太網(wǎng) 　　
　　0．概述
　　冷軋電工鋼（硅鋼）連續(xù)退火涂層機組（SACL）是冷軋?zhí)幚砭€中工藝最復(fù)雜、技術(shù)含量最高的機組，同時電工鋼也是冶金工業(yè)采用現(xiàn)代化技術(shù)最多、生產(chǎn)難度最大的品種，全世界只有少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家可以生產(chǎn)，并實行技術(shù)壟斷。電工鋼的產(chǎn)量、品種、質(zhì)量水平可視為國家是否有強大冶金工業(yè)的一個象征。目前國內(nèi)只有武鋼、太鋼、寶鋼能生產(chǎn)，且都是從國外引進的技術(shù)和設(shè)備，而鞍鋼冷軋硅鋼廠No.1電工鋼SACL機組是國內(nèi)第一條全部由國內(nèi)設(shè)計、制造及軟件編程調(diào)試的SACL機組。
　　鞍鋼SACL機組是由中冶南方總承包，進行工藝設(shè)計、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計和自動化系統(tǒng)設(shè)計及軟件編程調(diào)試。HMI人機接口系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報警，以及相應(yīng)的工藝操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護等，發(fā)揮越來越重要的作用。SACL機組的HMI系統(tǒng)信息都以友好界面提供給用戶。自動化控制 系統(tǒng)接收過程計算機（PCS）和生產(chǎn)操作工通過HMI畫面輸入的數(shù)據(jù)進行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機組狀態(tài)信息和各種檢測信息以符號、數(shù)值、棒圖和圖表的形式在HMI畫面上顯示。HMI操作站的設(shè)計目標(biāo)以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息幫助操作人員和設(shè)備維護人員快速準(zhǔn)確的了解機組當(dāng)前狀態(tài)及其相關(guān)信息。
　　1. 硬件配置
　　硅鋼SCAL機組的工藝布置設(shè)有一個PLC室和兩個操作室（一個入口操作室及一個出口操作室）。根據(jù)自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求，我們在PLC室設(shè)置了3COM SuperStack3 Switch 4200 24口中心交換機一臺，3COM OfficeConnet Switch 8口邊緣交換機兩臺，WinCC服務(wù)器一臺，工程師站一臺，便攜式編程器一臺，HP 5100網(wǎng)絡(luò)打印機（帶1塊10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)卡）一臺。在入口操作室設(shè)有一臺WinCC操作站和一臺3COM 8口邊緣交換機。在出口操作室設(shè)有兩臺WinCC操作站和一臺3COM 8口邊緣交換機。HMI監(jiān)控系統(tǒng)的中心交換機是SCAL機組基礎(chǔ)自動化（L1）數(shù)據(jù)交換的核心，我們在配置交換機時，采用了VLAN技術(shù)，將24口交換機按端口劃分，劃分了不同的兩個網(wǎng)段，分別連接著PLC控制器和WinCC操作站，同時還和過程計算機系統(tǒng)（L2）相連，接受L2機有關(guān)機組生產(chǎn)工藝的設(shè)定值。兩臺邊緣交換機放在PLC室的操作臺上用于連接PLC網(wǎng)段和PC機網(wǎng)段。
　　WinCC服務(wù)器和操作站的硬件配置為：
　　工業(yè)PC機
　　CPU Pentium IV 2.2GHz （Server）
　　CPU Pentium IV 2GHz （Client）
　　硬盤60G，軟驅(qū)1.44MB
　　RAM 1G（Server）；RAM 512M（Client）
　　CD-R/W （Server）
　　CD-ROM （Client）
　　64M緩存顯卡
　　17" 液晶顯示器
　　Intel 10/100自適應(yīng)以太網(wǎng)卡（Client）
　　SIEMENS CP1613以太網(wǎng)卡 （Server）
　　工業(yè)防水鍵盤和軌跡球
　　入口操作室WinCC操作站，用于監(jiān)視和控制入口段的機組運行狀況及設(shè)備運行狀況。出口操作室WinCC操作站，用于監(jiān)視和控制工藝段和出口段的機組運行狀況和設(shè)備運行狀況。
　　2．網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

　　SACL機組的基礎(chǔ)自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見上圖，我們選用的是AVAYA公司的超五類銅纜按568B的標(biāo)準(zhǔn)將4個S7-400 PLC控制器和1個S7-300F急停PLC控制器連到3COM中心交換機的PLC網(wǎng)段。工程師站、便攜編程器和HP網(wǎng)絡(luò)打印機也都采用雙絞線按568B的標(biāo)準(zhǔn)連到操作臺上PC機網(wǎng)段的邊緣交換機上。PLC控制器與WinCC Server之間采用SIMATIC工業(yè)以太網(wǎng)ISO協(xié)議通訊，WinCC Server與WinCC Client之間采用TCP/IP協(xié)議通訊。PLC室與兩個操作室之間通過光纜連接。PLC控制器與PLC控制器、傳動裝置、R I/O站通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接。離PLC室較遠的R I/O站采用光纜和OLM光纖模塊連接。SCAL機組所有I/O點分布在機組全線的44個R I/O站里，通過PROFIBUS-DP網(wǎng)與PLC室的PLC控制器連接，故通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性決定了整個監(jiān)控系統(tǒng)可靠運行。
　　3．軟件配置
　　自動化控制系統(tǒng)軟件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2軟件包，PLC控制系統(tǒng)軟件采用STEP 7 V5.2版本編程，HMI監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC V5.1版本編程。HMI服務(wù)器和操作站都是采用西文Windows 2000操作系統(tǒng)，具有開放的編程環(huán)境。WinCC V5.1中 Sybase SQL Anywhere 數(shù)據(jù)庫運行于服務(wù)器上，存儲在實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以通過多臺HMI Client實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時交換。作為Client/Server結(jié)構(gòu)，HMI上監(jiān)控的數(shù)據(jù)全部通過服務(wù)器提交查詢、修改等指令，通過光纖以太網(wǎng)再傳送至PLC，完成對現(xiàn)場設(shè)備的在線監(jiān)控與操作。
　　WinCC作為 HMI軟件系統(tǒng)，它將工廠控制軟件真正集成進自動化過程中。WinCC用戶友好組件允許新的或已存在的應(yīng)用程序的無錯誤集成。WinCC，一個過程可視化應(yīng)用程序能夠使用戶方便地觀察自動控制過程的全部特征。WinCC將Windows應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)和便于使用的圖形設(shè)計程序結(jié)合起來。 WinCC包括用于解決過程監(jiān)控和控制任務(wù)的所有元素：
　　WinCC項目工程環(huán)境：
　　圖形 - 設(shè)計工廠現(xiàn)場
　　歸檔 - 將帶時間標(biāo)識的數(shù)據(jù)/事件存儲到SQL數(shù)據(jù)庫
　　報表編輯器 - 為要求的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報表
　　數(shù) 據(jù)管理器 - 定義并采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)
　　WinCC運行系統(tǒng)：
　　允許在工廠現(xiàn)場或控制室的操作員與機械應(yīng)用相互作用。
　　HMI的編程工具WinCC具有可擴充性、開放性：
　　基于客戶機/服務(wù)器模式
　　從簡單到復(fù)雜的任務(wù)擴充
　　集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫
　　強大的標(biāo)準(zhǔn)接口（如OPC、OLE、ActiveX）
　　通用的腳本語言ANSI C
　　針對所有主要PLC廠商的通訊接口
　　4．功能描述
　　在SACL機組的監(jiān)控系統(tǒng)中，下位機系統(tǒng)使用SIEMENS S7-400 PLC完成現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理；上位機系統(tǒng)采用SIEMENS WinCC V5.1平臺實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)控。該系統(tǒng)上位機采用了客戶機/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)，WinCC服務(wù)器負責(zé)從下位機采集、處理和存儲數(shù)據(jù)；客戶機從服務(wù)器上共享/訪問數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)的組態(tài)和運行監(jiān)控，通過通信網(wǎng)絡(luò)將PLC控制器實時采集的數(shù)據(jù)進行各種處理，在上位機的顯示器畫面上顯示。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)操作工從HMI、控制開關(guān)、按鈕的指令信號，進行現(xiàn)場設(shè)備控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服務(wù)器用于工藝控制，它們之間的通訊將通過開放、交換式的快速以太網(wǎng)實現(xiàn)。來自現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)和傳感器的信號被采集到相關(guān)的R I/O站，通過開放的PROFIBUS－DP網(wǎng)送至PLC控制系統(tǒng)。幾乎所有的操作都通過WinCC操作站的顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤來實現(xiàn)。
　　SACL機組的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)可以完成以下管理功能：
　　輸入原料鋼卷數(shù)據(jù)包括鋼卷號、鋼種、鋼卷尺寸等；
　　設(shè)定值和實際值的顯示（包括機組的入口段/工藝段/出口段速度、張
　　力的顯示）；
　　原料鋼卷數(shù)據(jù)的顯示和修改；
　　系統(tǒng)故障診斷顯示、記錄、報警及其故障報表；
　　用戶的權(quán)限管理。
　　SACL機組的WinCC軟件設(shè)計遵循以下原則：
　　畫面操作都使用鼠標(biāo)和鍵盤完成；
　　從安全角度考慮，設(shè)備出現(xiàn)故障（設(shè)備為紅色）后必須在畫面上點擊
　　確認(rèn)按鈕（設(shè)備為灰色）即故障確認(rèn)后才能再次操作該設(shè)備；
　　從安全角度考慮，對于MCC設(shè)備在畫面都是分兩步來操作。第一步
　　選擇操作模式（運行、備用、停止），第二步選擇啟動或停止；
　　從安全角度考慮，對于采用VC或VVVF變頻設(shè)備在操作前必須先對
　　接觸器合閘后再對該設(shè)備操作；
　　畫面中設(shè)備的顏色標(biāo)準(zhǔn)化，每一種顏色代不同的含義：
　　On： 深綠
　　Off and ready for switching： 深灰
　　Off and not ready for switching： 藍
　　Warming： 黃
　　Alarm： 紅
　　Actual value： 青
　　Computer setpoint： 藍綠
　　Operator setpoint： 洋紅
　　Calculated value： 橙
　　Operation mode： 深洋紅
　　<1> WinCC畫面說明
　　所有畫面分成以下三個區(qū)域：


　　頂部標(biāo)題區(qū)域顯示以下內(nèi)容：
　　顯示公司標(biāo)識
　　顯示工藝畫面名稱
　　顯示當(dāng)前日期和時間
　　顯示當(dāng)前計算機名和登錄用戶名
　　顯示HMI和PLC之間連接狀態(tài)
　　中間工藝畫面區(qū)域顯示以下內(nèi)容：
　　顯示機組全線帶鋼跟蹤信息
　　顯示入/出口鋼卷跟蹤信息
　　顯示各種介質(zhì)系統(tǒng)信息
　　顯示電機合閘信息
　　顯示電機的電流和轉(zhuǎn)速信息
　　顯示急停信息
　　顯示傳動設(shè)備診斷信息
　　顯示CPC/EPC設(shè)備狀態(tài)信息
　　顯示報警信息
　　底部功能按紐區(qū)域顯示以下內(nèi)容：
　　該區(qū)域共有6個主菜單，它們是TRACKING、TECHNO、CSCD、DIAG、MISC、SYSTEM。
　　TRACKING包括6個子菜單共6幅畫面，它們是焊縫跟蹤系統(tǒng)、入口段帶鋼跟蹤系統(tǒng)、工藝段帶鋼跟蹤系統(tǒng)、出口段帶鋼跟蹤系統(tǒng)、入口段鋼卷跟蹤系統(tǒng)、工藝段鋼卷跟蹤系統(tǒng)、出口段鋼卷跟蹤系統(tǒng)；
　　TECHNO包括9個子菜單共42幅畫面，它們是堿液系統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、水淬和熱風(fēng)干燥系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、線傳動電流和轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、風(fēng)機電流和轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、爐輥電流和轉(zhuǎn)速系統(tǒng)、CPC/EPC系統(tǒng)；
　　CSCD包括6個子菜單共25幅畫面，它們是急停系統(tǒng)、線傳動系統(tǒng)、風(fēng)機傳動系統(tǒng)、爐輥轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、維護模式系統(tǒng)；
　　DIAG包括2個子菜單共9幅畫面，它們是分區(qū)診斷系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)；
　　MISC包括5個子菜單共5幅畫面，它們是顏色說明、1～4圖 例符號說明表；
　　SYSTEM包括3個子菜單共2幅子畫面，它們是系統(tǒng)登錄；系統(tǒng)退出；打印功能。
　　SACL機組的監(jiān)視畫面如下：

　　<2> 信息系統(tǒng)
　　在報警記錄里將所有的事件都集中歸檔，如系統(tǒng)信息、機組運行信息（包括張力建立信息、斷帶信息）、設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備操作信息等。這些事件以消息的形式按時間順序直觀顯示出來，并可打印輸出。
　　在每一幅畫面最下面一行是信息欄，該欄始終顯示在畫面前端，可以幫助操作人員和設(shè)備維護人員及時快速地了解機組及相關(guān)設(shè)備情況。為了獲得機組情況的完整概貌，可以調(diào)用消息畫面。它顯示歸檔中的全部消息。

　　<3> 權(quán)限管理
　　SACL機組WinCC系統(tǒng)設(shè)置了各層管理權(quán)限，操作人員或系統(tǒng)管理人員進入WinCC 實時監(jiān)控系統(tǒng)必須先登錄，通過不同身份用戶的安全級別進行權(quán)限控制。從而保證系統(tǒng)的正常操作，防止越權(quán)操作。

　　一旦進入WinCC 實時監(jiān)控系統(tǒng)后，實時監(jiān)控畫面是在滿屏方式下運行，非管理員身份的用戶按鍵盤上任何鍵是無法退出WinCC實時運行畫面或切換到其它窗口，只有管理員身份的用戶才有權(quán)限退出WinCC 實時監(jiān)控系統(tǒng)。
　　5．結(jié)束語
　　綜上所述，鞍鋼SACL機組WinCC監(jiān)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)硬件和軟件控制思想方面都有一定的先進性，對其它冷軋?zhí)幚砭€都有值得借鑒和學(xué)習(xí)地方。通過對硅鋼處理線自動化系統(tǒng)的集成降低了整個生產(chǎn)線操作故障率與操作工地勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。由于該機組自動化水平較高，使得整個生產(chǎn)線只有5個操作工負責(zé)操作和生產(chǎn)。目前該系統(tǒng)已于2004年8月調(diào)試完成，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。