WinCC在連續退火線監控系統中的設計與應用

潘志友 ，周 穎 ，2，王 雪

（1.河北工業大學 控制科學與工程學院，天津300130；2.河北省控制工程技術研究中心，天津300130）

連續退火線是冷軋產品的后道工序，它對提高冷軋產品的性能起著至關重要的作用[1]，由于它具有生產效率高、成本低，產品質量高、多樣化等優勢，得到了廣泛的推廣和應用。監控系統應用在連續退火中可實現對現場設備運行狀況的實時監控，以實現數據采集、參數調節以及趨勢變化、報警信息等各種功能[2]，使得操作管理迅速化、自動化，改善控制質量的同時又提高產量，為獲得高收益和節能降耗創造了條件。

1 連續退火工藝簡介

連續退火機組是集電解清洗、退火、平整、拉矯、表面檢查、精整為一體的帶鋼熱處理工藝，采用立式連續退火爐代替間歇式罩式爐，減少了多次鋼卷處理，生產效率高，生產周期短，產品質量好，能耗低。

機組可分為入口段、工藝段、平整段、出口段4個部分。入口段主要包括開卷機、雙層剪、焊機、入口活套等設備，完成開卷、帶鋼頭尾剪切和焊接等功能；工藝段主要包括清洗段、退火爐、水淬槽等設備，完成帶鋼的清洗、退火、過時效處理及冷卻等工藝過程；平整段主要包括平整機、拉伸彎曲矯直機、圓盤剪等設備，經過平整、拉矯和切邊的處理，可以提高帶鋼的平直度，改善板形，提高帶鋼尺寸精度和綜合力學性能；出口段主要包括出口活套、靜電涂油機、檢查平臺、出口剪、卷取機等設備，完成成品檢查、涂防銹油、切邊、分卷等功能。

2 硬件系統設計

該套連退生產線自動化控制系統采用上位設置二級過程控制計算機系統及監控計算機HMI、并配置過程數據采集和分析系統（PDA），一級主站采用SIEMENS公司S7-400系列可編程控制器，通過以太網，實現以高速數據通訊傳輸連接的集中監視、分散控制的自動化系統[3]；HMI和二級過程控制計算機與CPU采用工業以太網連接；PLC控制系統與從站裝置之間采用Profibus－DP網通訊。系統連接示意如圖1所示。

圖1 系統硬件配置Fig.1 System hardware configuration

SIMATIC S7-400多CPU系統是一種全數字、可自由配置、實時多任務、多處理器的機架安裝，模板化控制系統。每個機架內可插入1～4個S7-400處理器，每個處理器可獨立執行應用任務，處理器之間互相獨立運行，處理器之間也可通過以太網進行數據交換，因此通訊速度非常快。由多個S7-400控制器構成的控制系統中，控制器可采用“點對點”方式進行組態，一個邏輯的主控制器可連接多個邏輯的從控制器。該生產線自動化控制系統采用3個S7 416－2DP作為整個計算機控制系統的核心。

中央處理器CPU416－2DP（內置有一個DP接口和一個MPI接口）作為現場總線控制系統Profibus－DP的主站，處理系統各種數據和工藝動作流程，并通過Profibus－DP總線連接到傳動控制裝置（變頻器）的通訊單元，將控制命令和速度給定值等傳給主傳動控制裝置，將各系統的啟、停狀態、電壓、電流、運行頻率、故障、報警信息等采集回來進行處理；從站中ET200M作為遠程I/O站通過IM153接口模塊與Profibus－DP總線進行通信，保證了系統的快速響應時間的要求。

PLC從站系統采用的是SIEMENS ET-200，它通過遠程I/O Profibus-DP現場總線與S7-400處理器通訊。主要完成S7-400與各個液壓站、稀油潤滑站、油膜站、乳化液的智能變送器的信息傳送以及變頻器之間的邏輯控制，如：泵的合閘分閘、溫度壓力液位的報警以及連鎖動作，電機的啟停、接觸器的分合控制與應答信號采集，各種液壓閥的動作、高壓和電機故障報警等。

3 冗余服務器設計

HMI人機接口由9臺計算機組成，選用臺灣研華工業PC機。2臺位于入口段：一臺用于一級自動化，一臺用于二級自動化；3臺位于計算機室：其中一臺用作數據庫采集和開發工具，兩臺用作服務器。如操作不出故障，兩臺服務器完全并行運行。自動化系統把所有數據同時傳遞給兩臺服務器，每臺服務器處理自己的數據。如其中一臺服務器出現故障，如：網絡連接故障、服務器故障、過程連接故障，“應用程序正常檢查”服務檢測到故障應用程序等，則連接到該服務器的客戶機將自動轉向冗余服務器。在服務器故障時系統自動執行客戶機從缺省（主機）服務器到冗余服務器的切換。切換保證無數據丟失并可繼續操作過程。當故障服務器已恢復到可操作狀態時，WinCC將通過傳遞自發生故障起，冗余服務器所記錄的所有數據來同步服務器。

4 軟件設計和使用

圖形組態是WinCC系統核心，在其友好的界面下進行組態、編程和數據管理，可形成所需的操作界面、監視界面、控制界面、報警界面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環境，不僅縮短了軟件設計周期，而且提高了工作效率。

上位機的界面主要由主監控界面，實時趨勢曲線界面，入口、出口操作界面，報警顯示界面等組成。其中最主要的是主監控界面，操作人員可對全線電氣自動化控制系統的運行進行人工干預，可通過主監控界面，對生產線運行速度、張力等參數進行修改，同時監視和記錄系統運行狀態和報警信息。其中主監控界面如圖2所示。

圖2 連續退火系統主監控界面Fig.2 Continuous annealing system main monitoring interface

在變量記錄中添加需要顯示的歸檔變量，就可實現連續退火機組流程中的主要檢測數據的實時趨勢顯示和歷史趨勢記錄，例如張力輥速度給定值、速度實際值、電流反饋值等；可以方便地調出組態好的趨勢曲線，并能調整量程范圍來使局部放大，幫助分析生產情況或事故原因。同時頁面上還設有打印鍵，打印鍵是通過WinCC腳本編程來實現的，可將實時趨勢圖和歷史趨勢圖打印出來進行具體的工藝分析。

系統報警界面顯示和記錄在生產過程中發生的報警和故障，并附有簡要說明，通過顏色不同來區分報警的危險性，這樣就可避免危機情況，縮短危機時間或減小危機造成的影響。在事故分析時還可把報警記錄打印出來。設備/工藝報警表包括標簽名、報警事件、日期、報警類型值、報警文本信息，系統將記錄最近發生的100個報警信號。系統報警界面如圖3所示。

圖3 連續退火系統報警界面Fig.3 Continuous annealing system alarm interface

由于報警分散在各個畫面中，為了增強報警的實時可讀性，又設計了一個綜合的報警組態畫面。將各報警標記名分成幾個報警組，例如入口段、工藝段，在每個畫面的上方添加綜合報警窗口對系統報警實時監控，并且有切換到主報警窗口的鏈接按鈕，在主報警窗口里確認各種報警及了解歷史報警的狀態。當系統中有報警產生時，會顯示在鏈接按鈕右面的指示燈上，這樣操作員隨時能總覽全局的報警狀態，并及時做出處理，大大增強了控制功能。

5 用戶管理與通訊設置

為安全生產，與工藝相關的每個操作都必須由操作員確認。操作員必須登錄經校驗后才能對該生產線自動化控制系統進行相關操作。未進行授權的訪問人員無法進行任何相關操作，這樣就可預防非工作人員的誤操作導致的生產事故。為此，利用WinCC強大的腳本編輯功能設定了用戶管理[4]。

本項目中總體設置了以下兩種權限：用戶、管理員。當用戶登錄到系統時，將不會為其賦予任何權限。也就是說，用戶既不能調用或查看數據，也不能執行控制操作。其中管理員又分為軋制、入口段兩種（本生產線有150 m長，軋制段和入口段的操作員很難準確了解對方系統所處的準確狀態，因此不能干預對方的操作），當管理員調用一個受訪問權限保護的功能，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授權。如果沒有，用戶管理器將拒絕用戶訪問所期望的功能。

HMI系統通過以太網同PLC控制器連接，通信采用TCP/IP協議，通信速率為10 Mb/s，網絡連接采用光纖。工業以太網是工業環境中最有效的一種子網，它是一種開放式的通訊網絡，可靠性高，使用范圍廣，且速度快，能夠進行大量數據的交換。它通過安裝在PC機上的通訊卡與SIMATIC S7進行通訊，使用的通訊協議為ISO傳輸層。WinCC站與SIMATIC S7自動化系統之間的通訊是通過SIMATIC S7 Protocol來實現的，無需通過其他OPC服務器進行連接[5]。這樣就整個系統的組建提供了極大方便。WinCC系統通過工業以太網與自動化系統進行通訊連接需要在HMI系統中進行以下幾步設置：

（1）將 SIMATIC S7 Protocol Suite的 TCP/IP 通道中系統參數中單元選框的邏輯設備名稱選為CPTCPIP。

（2）在TCP/IP通道添加的驅動連接的屬性中設置相應的連接參數，如圖4所示。

（3）將控制面板中設置PG/PC接口的應用程序訪問點選擇對應的網卡，并進行對應的診斷測試。

6 二級自動化

二級自動化是整個軋制工藝控制系統的核心，是用VB做成的畫面。該系統包括動態變規格設置，自適應運行，跟蹤系統（實時準確記錄系統中每一卷鋼帶、焊縫的準確位置，為焊縫順利通過軋機，自動剪切分卷等過程提供有力保證）。操作員只需提供來料的各種規格和成品的各種規格（如：厚度、寬度、重量、長度、卷徑等）系統會自動的根據數學模型對各個張力輥的速度、張力輥間的張力等進行合理分配，并存儲在SQL數據庫中，通過WINCC與SQL數據庫的通訊連接使得數據能夠實時顯示在畫面上，通過監控畫面對SQL數據庫中的數據進行刪除、修改等操作；同時可利用WINCC的腳本編程將數據轉換成Word文檔進行保存和打印。

7 結語

通過在山東某帶鋼廠的現場調試和運行充分證明，這套系統能全面反映該自動化生產線工作的總況，信息和曲線能實時反映系統各參數的實際情況，跟蹤、顯示、運算、分析、保存以及修改這些信息對分析系統，調整參數，尋找故障原因提供了快速有效的幫助，極大降低了開發工作量，同時還降低工廠維護與部署所需的時間。

[1] 孫一康，童朝南，彭開香.冷軋生產自動化技術[M].北京：冶金工業出版社，2008.

[2] 王偉亞.WinCC在起重機監控系統中的應用[J].港口裝卸，2008（5）：24-25.

[3] 李建民，裴永清，董國軍.基于PLC和WinCC的污水處理自動監控系統的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2011（2）：20-23.

[4] 蘇秀麗，李媛，任俊杰.WinCC腳本系統在傳送帶過程監控中的應用[J].工業控制計算機，2010，23（7）：75-77.

[5] 毛聯杰.S7-300系列PLC與組態軟件WinCC實現通信的方法[J].變頻與控制專欄，2006（9）：106-107. ■