基于Wincc鋼化爐溫度監控系統的研究

摘 要：為滿足鋼化爐溫度處理自動化控制的需要，在深入研究溫度處理自動化控制特點的基礎上，應用工業組態軟件Wincc開發相應的控制程序。并且討論針對于鋼化爐溫度處理的軟、硬件構成，以及開發過程中遇到的問題和解決方法。

關鍵詞：Wincc;溫度控制系統;可編程控制器;監控系統

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

Wincc Furnace Based on Temperature Monitoring System Design and Analysis

ZHAO Ruilin

(Shannxi Poletechnic Institute，Xianyang712000，China)

Abstract:In order to meet the furnace temperature control requirements of process automation， indepth study of automatic control of temperature treatment on the basis of the characteristics of the application of industrial configuration software Wincc developed a corresponding control program. And discussed for the furnace temperature processing software and hardware， as well as the development process problems and solutions.

Key words:wincc; temperature control system; plc;monitoring system

1 引 言

改革開發以來，我國工業企業日新月異，規模日益壯大，先進設備廣泛應用，工藝科技含量越來越高。在生產中，自動化技術已經普及到各個領域、各個車間，這充分說明我國民族工業的逐漸強大。但是目前，在許多企業的鋼化爐溫度處理中自動化程度不高，采用的軟硬件落后，甚至有的控制點還依賴于人工操作，無形中制約了企業技術先進化的發展。為此我們結合某一個企業在鋼化爐溫度處理改造項目中，采用先進的工控組態軟件Wincc，開發了相應的溫度處理的控制程序。

2 Wincc軟件的簡介

工控組態軟件Wincc是一個集成的人機界面系統和監控管理系統，它是西門子公司在過程自動化領域中的先進技術和微軟公司強大軟件功能的產物，Wincc是視窗控制中(windows control center)的簡稱。它包括圖形設計器、報警記錄、標記記錄、報告設計器、全局腳本、控制中心、用戶管理等功能，使其具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數據管理。

Wincc H1網通信方式采用分布式、點對點對等通信方式，操作站、監控站、S7－PLC站之間完全平等，不存在主、從，服務器和客戶機之分。通常情況下，當在一個系統中存在多個操作站時可采用網絡結構進行連接。Wincc服務器可選擇一個或兩個，當選擇兩個服務器時，兩個服務器相互熱備，形成冗余系統。兩種通信方式的特點比較如下：

1).分布式通信方式的特點

每一個站點對等，每一個控制站可平等地從過程網中取得自己所需數據，不受服務器的制約。在工業生產中，可保證系統的正常生產風險分散，當一個操作站出現事故時，其它操作站可進行工作，網絡系統的理解點數不受制約，整個網絡可連接1024個站點。缺點：各站點之間相互聯系較困難，各操作站之間相互獨立。網絡較忙，數據一致性較差。

2).客戶機/服務器通信方式的特點

所有的組態數據和過程數據集中放在服務器上，所有的客戶機 年均可以訪問組態數據。數據的一致性較好，每個操作員都能看到其它人所進行的操作由于數據的傳送是分層進行，過程總線較輕松。缺點：風險較集中。連接的點數較小，當服務器不作操作站時最多可連接16個客戶機，當服務器作操作員站時，最多可連接4個客戶機 。

3 監控制系統的構成

對于一個大型鋼化爐溫度處理項目就其工程量而言是巨大的，所以開發控制程序、調試的時間不能不成為必須考慮的因素。但是出于可靠性的考慮，將控制系統的功能分離是必須的，即：下位機執行保護、控制和數據的采集，脫離上位機也能獨立對系統進行控制，上位機執行顯示、操作、報警、儲存等。那么帶來的問題是上下位機的通訊又成為費時費力的工作。Wincc能和主要廠商的plc進行通訊，如果與西門子的plc系列及step 7軟件合用，將大幅降低工程時間，因為step 7中定義的變量可以在Wincc中直接使用。

某鋼化爐設備主要由工控計算機進行集中控制，控制簡單，操作方便，畫面清晰，可以保存設定參數，大大降低操作員的勞動強度。該設備分入片區——電加熱區——風柵區——出片區四區，總長21.3 米，寬2.8 米；主要工藝原理為根據不同厚度的玻璃設置調節不同的加熱時間、加熱溫度、冷卻時間、冷卻風壓；主要電氣設備有530KW 的電發管、250KW 的大風機變頻器和50KW 的小風機變頻器；66 路熱電偶，通過PLC 和力控實現集中監控，分散控制的功能。

系統上位機采用工業用計算機，配置為PⅢ800、256m內存、40g硬盤、21顯示器，運行中文windows 2000操作系統，組態軟件為Wincc5.0SP2中文版，通過CP5611通訊卡(MPI/ PROFIBUS)與下位機通訊；下位機采用s7-300系列中的CPU318-2dp，共21塊I/O卡。由于整個處理工藝的占地面積比較大，控制回路多，為了避免鋪設大量的控制線路，所以采用西門子的et200模塊將一部分I/O放置在距離中心控制室較遠而控制點又比較集中的地方，利用西門子的PROFIBUS-DP通訊協議形成遠程I/O。控制系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構配置圖

整個控制系統可以分為L2、L1兩級。L2主要完成產品原料數據、生產計劃的分發、下放和成品數據的采集、整理，以及全線生產報表的生成查詢工作。L1是全線基礎自動化控制的統稱，全部選用了西門子產品。中央控制單元由9套S7-416-2DP 和1套S7-315F構成；現場信號采集及動作執行采用PROFIBUS-DP網絡，全線共用了近300個DP子站；交流變頻電機傳動全部使用MASTERDRIVER 6ES70系列變頻器，用CBP2通過DP網絡連接到PLC控制系統。人機界面HMI（Human Machine Interface）是在Wincc V6.0平臺上開發的，采用了Server-Client模式，為了提高系統的可靠性降低停機時間使用了冗余功能。PLC框架、Wincc Servers/Clients、L2 Servers/Clients及具有以太網功能的單體設備之間采用10M/100M/ 1000M以太網連接，根據設備間的距離遠近分別采用光纜、雙絞線連接。

該控制系統的最大特點就是設備點多面廣，工藝復雜，需要大量的參數設定、狀態監控。如果采用傳統的硬件操作臺點進行控制則很不直觀，而且也需要非常大的硬件投入。所以我們采用HMI操作為主，操作臺操作為輔的方式，即只有線路起停控制在操作臺上，幾乎所有其他操作、狀態顯示、故障診斷、事件記錄、過程數據歸檔等都在HMI上實現。這樣既節省了大量的硬件投入，同時也提高了系統的直觀易用性，隨著硬件線路的減少相應的故障率、維護量也可以大幅度的降低。

但是由此也帶來了一個問題，那就是整個生產線的控制非常依賴于HMI系統，即WINCC服務器系統，如果它發生停機故障那么整個生產線也要發生停車故障，這樣就會造成原料的極大浪費，因此對人機界面（HMI）的穩定性提出了極高的要求。所以在該項目里我們采用了WINCC 冗余服務器的模式。

4 Wincc的組態實現主控界面的組態

Wincc是Windows環境下面向對象的32位工業控制組態軟件，它適合任何自動化控制系統。Wincc 是一個通用的系統，Wincc可用于自動化領域中所有的操作員控制和監控任務。Wincc可將過程或生產過程中的狀態以圖像、文字、棒圖、曲線或報警形式清楚地表達出來。它同時能夠將所發生的事件、過程數據記錄下來，供歷史數據查詢使用。你可很方便地組態產生你的報表格式，按時間或事件觸發打印。

Wincc是一個全面開放的系統，Wincc在Windows環境下，通過OLE和ODBC很容易將其他控件集成到你的應用軟件中。也可通過DDE方式與其他應用程序進行通信。在Wincc中，嵌套一個標準c語言，在你的工程中，你可隨意地發揮你的聰明才智來完成你任務。同時你可訪問Wincc的API編程接口來達到某些特殊功能。Wincc的具有開放通信協議，支持多種PLC系統。Wincc功能可隨任務而增加，Wincc本身提供了一個強有力的標準功能庫，用戶可通過調用這些功能塊來實現控制功能。同時用戶也可將你開發好的功能塊寫進庫中供他人使用。Simatic公司，開發許多特殊的功能包，考慮到應用的投資利益，在通常情況下，用戶只需購買標準軟件包便可，當用戶工程中，確實需要某些特殊功能時你可單獨購買特殊功能包來滿足用戶的需要（如：冗余軟件包、服務器軟件包、過程控制軟件包等）。

本系統的設備比較多，要將所有的設備都顯示在一張畫面里是不可能的，所以將設備按照處理工藝的功能步驟分級在多張畫面內，分為溫度線、前處理線、生化線等，之間的切換使用按鈕的鼠標動作來實現。這對于用Wincc現成的鼠標動作來實現是很簡單的。出于對操作的一致性考慮，不能讓操作人員在不同的圖上，不同的位置找想要操作的按鈕，這個問題的解決我們使用Wincc的腳本編程，在按鈕動作中調用它的內部函數來實現。首先，組態一幅背景畫面，其中包括要顯示的靜態文本、所有的圖形切換按鈕及推出關機按鈕。第二，在背景畫面中插入智能對象(smart object)中的畫面窗口(picture window)，并且使其的尺寸與其分級畫面相同。第三，在相應的切換按鈕的屬性->事件->鼠標動作中編寫如下c語言腳本代碼：

#include\"apdefap.h\"void onclick(char *lpsz picturename，char *lpsz objectname，char *lpsz propertyname){setpicturename(\"背景畫面\"， \"畫面窗口\"， \"溫度處理線\");} //\"背景畫面\"即為始終顯示地靜態背景的屬性名，\"畫面窗口\"即為在背景畫//面中插入地畫面窗口(picture window)屬性名，\"溫度處理線\"即為分級畫面//的名稱

這樣就能方便快捷地切換畫面。還有一個必須始終顯示的是報警記錄，用畫面顏色閃爍來提示操作者有故障發生，可以用同樣的c語言腳本(當然不是加在鼠標動作中)在背景畫面的底部留下一條類似windows狀態欄的報警欄，當出現故障報警的時候在報警欄顯示最近一條報警記錄，操作人員可以利用按鈕切換到主報警記錄畫面了解故障的完全信息。

4.1 單個部件的組態

Wincc在其內部的圖庫里集成很多的圖形對象，如爐子、水箱、電機、閥門等等，對于溫度處理用的最多的是爐子，加熱機等等。為了使組態畫面貼近實際，能夠更好的反應現場工況，圖庫里的元素并不能滿足要求。我們可以利用Wincc的畫圖工具自己繪制適應實際的圖形元素，并且使用c腳本使其產生動畫效果。

以下是該監控系統的簡要操作說明：進入該監控系統后，通過登錄界面進入主菜單界面在此畫面你可以選取想完成工作的內容：

點擊“選擇工作菜單”，將進入選取玻璃厚度和相關參數畫面。

點擊“測試頁面”，將進入到鋼化爐各部分的點動動作。

點擊“自動升溫”，將進入到鋼化爐的加溫動作及溫度設置。

點擊“報警檢查”，將進入到顯示在運行過程中出現的各種故障報警畫面。

點擊“主監控頁面”，將進入到鋼化爐的動作及運行參數的監控畫面。

點擊“主頁”，將進入公司簡介畫面。

點擊“退出程序”，將退出監控系統，但請特別注意，如果鋼化爐加熱系統正在加熱，請先停止加熱，否則將出現嚴重后果，請謹慎使用此按鈕！

1）主監控界面，如圖2所示：

此界面是鋼化爐在運行中的各種狀態及參數的監控畫面。當鋼化爐沒有在自動加溫狀態時，“爐體傳動開關”按鈕可以用來控制爐體傳動的啟動與停止，當鋼化爐在自動加溫狀態時，此按鈕將失去作用。中部的一組圖畫，可以用來模擬鋼化爐在運行過程中的各種動作狀態。下面的一排參數是用來監視鋼化爐鋼化玻璃的各種進程與優劣的。根據這此監視參數，操作員可以將鋼化玻璃的各種參數優化到最佳。點擊“顯示各區溫度”，將進入鋼化爐溫度區各個溫度值的監控畫面。點擊“溫度曲線”，將進入鋼化爐八個空間溫度的對比畫面。

溫度曲線界面將把鋼化爐內各區的溫度實時地顯示出來，并可與之設定值作比較，從而判斷有無故障發生。查看空間各區溫度，從而知道玻璃的鋼化狀態，更直觀地體現了鋼化爐各空間溫度之間的差異。

2）報警界面，如圖3所示：

在“主菜單”畫面點擊“報警檢查”，將進入此畫面。此畫面將將鋼化爐在運行過程中發生的故障點顯示出來，以便操作員輕松地排除故障。

4.2 語音報警的組態

在工業現場安全是極其重要的，無論從那個角度講我們應該利用一切手段減少故障的發生。在故障已經發生的時候，應該在第一時間以多種方式通知操作人員有故障發生。現代微處理計算機的處理速度可以完全勝任對于圖形，語音同時處理。所以我們可以利用計算機的聲卡和音箱在有故障發生的時候產生語言報警，但是問題是wincc本身并不能產生語音的功能，而且其內部的上千個函數也沒有提供處理聲音的函數。解決這個問題的方法歸功于微軟開發的Wincc與操作系統地完美結合，因為在Wincc中可以直接調用Windows的api函數。實現的具體c腳本代碼如下：

long _main(char* lpszpicturename， char* lpszobjectname， char* lpszproper tyname){#pragma code(“winmm.dll”)void winapi playsounda(char *pszsound，char *hmode，dword dwflay);#pragma code()if(gettagbit(“112備泵故障”))playsounda(\"d:\\\\\\\\winnt\\\\\\\\media\\\\\\\\mircosoft sound.wav\"，1，8);return 1020; }

還有一個值得主意的問題是此段代碼的加入點，通過反復多次實踐得出結論，即這個點必須加在始終顯示于屏幕上的任何圖形元素的屬性中，這樣才能達到語言報警的預期效果。

5 Wincc 冗余系統的設置與實現

一般情況下Wincc 都采用ClientsServer 的模式，如圖4沒有Server2時的網絡拓撲：Server1是HMI服務器，它一方面和PLC直接通訊采集、設定數據；另一方面和Clients通訊發布畫面和數據給Clients；而Clients上的所有畫面和數據全部來自Server1。這樣的優勢是做系統開發時只需要在Server1開發一套系統，既可以發布給所有的Clients共享，而且數據管理和維護更合理和方便，可以把管理級和過程級清晰的分開。但是缺點也是很明顯的，那就是一旦Server1發生故障，則整個控制級就無法正常工作。如果能像圖中增加Server2，使其和Server1互為熱備，則可以大大的降低系統的運行風險。Wincc就提供了這樣的解決方案即Wincc冗余系統。

Wincc冗余系統采用兩臺連接到一起的服務器協同工作，運行期間，兩臺服務器相互監控，可以及時的發現對方是否進入故障狀態，如果一臺服務器發生故障，則所有的客戶端自動切換到仍然正常的服務器，從而保證所有客戶端總可以進行對自動化系統的監視和操作。在一臺發生故障期間，正常的服務器繼續完成系統內的信息、過程數據歸檔和記錄；當故障服務器正常投入后，故障期間的歸檔記錄會自動復制到恢復后的服務器，從而保證了服務器數據的完整和連續。這一過程也稱作恢復后同步。6 小 結

Wincc采用了當今流行的面向對象的技術，對象的屬性可以進行設定或編程以實現對該對象的動畫及事件的觸發，內嵌的語言減少了開發者的學習時間，并增加了其靈活性，利用Wincc為工業現場設計與開發提供了很大的幫助。通過先進的工控組態軟件Wincc監控鋼化爐溫度控制系統，設計開發了相應的溫度處理控制程序，使得鋼化爐溫度處理中自動化程度大為提高。

參考文獻

［1］ 皮壯行.可編程序控制器的系統設計與應用實例［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［2］ 孫敏，顧德英，汪晉寬，等.基于wincc 技術的監控組態程序的開發［J］.儀器儀表學報， 2003 ， 24 (4)：102-104.

［3］ 賈智平，李新.基于opc技術的分布式監控系統研究［J］.計算機工程與應用，2004，20 (40)：92-94.

［4］ WINCC使用說明手冊. ［S］，2002.

［5］ 西門子（中國）有限公司.S7- 300 可編程序控制器系統手冊［S］，2001.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文