基于WinCC的恒溫水槽系統(tǒng)設(shè)計

王 京，李金義

（1．北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程系，北京 100176；2．北京交通大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，北京 100044）

基于WinCC的恒溫水槽系統(tǒng)設(shè)計

王 京1，2，李金義1

（1．北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程系，北京 100176；2．北京交通大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，北京 100044）

實現(xiàn)了恒溫水槽的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)對水位和水溫的及時報警、水溫趨勢曲線的實時生成、數(shù)據(jù)報表的自動形成。該系統(tǒng)不僅在實際生產(chǎn)線中大大提高了自動化水平和實現(xiàn)了遠程控制，還能脫離硬件設(shè)備進行仿真教學(xué)，為不同條件學(xué)校的自動化等專業(yè)提供了教學(xué)平臺。系統(tǒng)既有實際經(jīng)濟價值，又節(jié)約教學(xué)成本，是實際應(yīng)用與教學(xué)案例的有機結(jié)合。

水槽系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)；WinCC

遠程監(jiān)控是現(xiàn)代自動化生產(chǎn)的重要特征。水溫和水位是生產(chǎn)工藝形成的重要條件，是生產(chǎn)線監(jiān)控的主要參數(shù)。WinCC提供了方便、快捷、遠程的平臺對水溫和水位進行監(jiān)控，及實現(xiàn)臨界值的報警、實時數(shù)據(jù)曲線的生成、數(shù)據(jù)報表的形成，為無人化生產(chǎn)提供了實現(xiàn)的可能。另外，脫離開硬件的監(jiān)控仿真教學(xué)系統(tǒng)是在創(chuàng)建“沒有圍墻的大學(xué)”［1］、在大大減少教學(xué)成本的同時，全面提升了學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力［2］。

1 系統(tǒng)原理

本恒溫水槽監(jiān)控系統(tǒng)是用WinCC建立的可視化生產(chǎn)過程和人機接口系統(tǒng)，如圖1所示，包括主畫面、手動控制、自動控制、報警、趨勢曲線和報表6個畫面，通過主畫面調(diào)用其他畫面。手動控制畫面主要通過按鈕對恒溫水槽的進水、排水、加熱和攪拌等進行手動調(diào)試；自動控制畫面實現(xiàn)水溫的PID恒溫控制；報警畫面實時彈出水溫和水位的報警消息；趨勢曲線畫面生成水溫的變化軌跡和趨勢；報表畫面主要完成報表的制作與打印。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以MPI通信和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用WinCC V7．0強大而靈活的過程可視化功能建立起監(jiān)控系統(tǒng)，西門子S7－300（cpu314）PLC實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場變量的傳遞與控制。系統(tǒng)對現(xiàn)場生產(chǎn)過程的實時監(jiān)視與控制［3－5］。

2．1 監(jiān)控畫面

監(jiān)控系統(tǒng)最基本、最重要的功能就是過程可視化和可控化。創(chuàng)建的畫面要能直觀立體地反映生產(chǎn)現(xiàn)場，對畫面對象進行變量賦值，才能實現(xiàn)現(xiàn)場變化情況的可視及可控。

圖1 恒溫水槽監(jiān)控系統(tǒng)

2．1．1 創(chuàng)建畫面

畫面中的常見對象有圖片、棒圖、輸入／輸出域、滾動條、按鈕和選項組等。圖片用于增強系統(tǒng)的直觀性和現(xiàn)場情況的識別性；棒圖具有圖形化顯示數(shù)值的功能；輸入／輸出域可以輸入數(shù)據(jù)來更改某個變量的值或?qū)⒆兞康闹递敵鲲@示；滾動條可以用來輸入數(shù)據(jù)；選項組的功能是在多個備選項中只能選擇一項；按鈕實現(xiàn)多個畫面的切換和其他功能的調(diào)用。

在WinCC的圖形編輯器中，單擊Standard（標準）選項板添加對象。雙擊對象打開Object Properties（對象屬性）窗口，設(shè)置對象的屬性。屬性一般包括幾何、顏色、格式、字體等參數(shù)［6－8］。

2．1．2 對象動態(tài)化

WinCC中用對象的物理屬性（如顏色、幾何尺寸、位置等）的變化反映硬件系統(tǒng)運行過程的狀態(tài)，或者通過操作畫面中的對象（如鼠標單擊按鈕等）來控制硬件系統(tǒng)的運行過程。前者稱為屬性動態(tài)，后者稱為事件動態(tài)。畫面中的對象動態(tài)化是組態(tài)過程畫面最重要的工作。動態(tài)化是將變量與對象的某個物理屬性連接，變量的值自動賦給對象的屬性，變量的值發(fā)生改變時，對象的屬性也相應(yīng)改變，實現(xiàn)動態(tài)化。

畫面中對象的變量連接情況如表1所示，這些變量是從PLC項目中導(dǎo)入的，所有變量名都有共同的部分“S7＄Program（2）”。

表1 對象的變量連接情況

2．2 報警消息

消息是WinCC中系統(tǒng)中非常重要的組成部分。一方面消息用來監(jiān)視工業(yè)現(xiàn)場的異常情況，操作人員借助于可視畫面或聲音的提示，可以快速發(fā)現(xiàn)、定位和解決現(xiàn)場的故障和錯誤，從而減少停機和生產(chǎn)事故的發(fā)生。另一方面，歸檔后的消息可以追溯事故和報警，提供分析事故原因和認定事故的依據(jù)。

消息系統(tǒng)包括組態(tài)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)2個組件。組態(tài)系統(tǒng)就是報警記錄編輯器，用于定義消息系統(tǒng)中的報警內(nèi)容、時間和級別等，即組態(tài)報警消息在運行系統(tǒng)中的顯示形式。運行系統(tǒng)主要負責過程值的監(jiān)控、報警消息的顯示、確認和管理等。

報警消息的創(chuàng)建步驟如圖2所示。在報警記錄編輯器中創(chuàng)建消息塊、設(shè)定消息類別及類型、編寫消息內(nèi)容、編輯模擬報警、對需要的消息進行歸檔、插入和編輯報警控件，最后運行控件、現(xiàn)場調(diào)試或者仿真測試，報警消息從消息窗口中輸出。

圖2 報警消息創(chuàng)建步驟圖示

2．3 趨勢曲線

工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)一方面能用來預(yù)測危險和檢測故障原因，從而提高生產(chǎn)力和產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化維護周期。另一方面可以對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)做一個完備的記錄，為今后的工作提供參考［9－11］。

變量記錄（又稱為變量歸檔或過程值歸檔）就是用來采集、處理和歸檔工業(yè)現(xiàn)場的過程數(shù)據(jù)。變量記錄系統(tǒng)分為組態(tài)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)。組態(tài)系統(tǒng)的任務(wù)是在WinCC變量記錄中定義歸檔、歸檔變量和歸檔周期等。運行系統(tǒng)的任務(wù)是歸檔過程變量，并借助在圖形編輯器中插入的控件WinCC Online Trend Control（趨勢曲線）顯示歸檔的過程變量。

過程值歸檔的工作流程如圖3所示。在歸檔系統(tǒng)中進行編譯、處理，并在運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中暫存，然后寫到歸檔數(shù)據(jù)庫中。

圖3 過程值歸檔的工作流程

自動化系統(tǒng)用于存儲通過通信驅(qū)動程序傳送到WinCC的過程值。數(shù)據(jù)管理器將處理過的過程值通過過程變量送到歸檔系統(tǒng)。歸檔系統(tǒng)處理采集到的過程值。由組態(tài)歸檔決定處理方法。運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存要歸檔的過程值。

單擊Objects（對象）選項板，單擊Controls（控件）選項卡，單擊ActiveX controls，單擊WinCC Online Trend Control添加趨勢曲線控件。右擊控件，在彈出的快捷菜單中選擇Configuration Dialog…，打開WinCC Online TrendControl屬性對話框，對控件的屬性進行設(shè)置。

2．4 報表

報表用于創(chuàng)建班次報表，將生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出，用于驗收、測試和備案等。報表分為項目文檔報表和運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)報表。項目文檔報表輸出WinCC項目的組態(tài)數(shù)據(jù)。運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)報表在項目運行期間將過程數(shù)據(jù)輸出到日志中。

單擊WinCC項目管理器導(dǎo)航窗口的Report Designer（報表編輯器），其目錄下包含Layouts（布局）和Print jobs（打印作業(yè)）2項，進行相應(yīng)報表的編輯。

3 系統(tǒng)仿真

在WinCC系統(tǒng)連接外圍設(shè)備之前，可以應(yīng)用西門子提供的S7－PLCSIM仿真軟件進行項目組態(tài)結(jié)果和功能的測試。

3．1 建立WinCC和PLC通信

第一：右擊WinCC瀏覽窗口中的MPI，選擇System Parameter，打開System Parameter－MPI對話框，Logical device name項中選擇“PLCSIM．MPI．1”。

第二：右擊WinCC瀏覽窗口中的MPI，彈出快捷選單（菜單）中選擇Propertis，打開Channel unit properties對話框，單擊“Propertes”按鈕，打開Connection properties（read only）對話框；單擊“Propertes”按鈕，打開Connection Parameter－MPI對話框，參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 參數(shù)設(shè)置

第三：PLCSIM工具欄上的通信方式選擇PLCSIM（MPI）項。

第四：WinCC項目管理器工具欄上的Deactivate按鈕被按下。

3．2 運行WinCC項目及PLC程序

打開PLC項目，運行OB1程序，打開PLCSIM，將程序下載到PLCSIM中，運行WinCC，畫面見圖5。

圖5 運行WinCC畫面

3．3 仿真測試

測試方式1：單擊“硬件環(huán)境”，進行硬件連接測試。

測試方式2：單擊“PLCSIM測試”，進行軟件仿真測試，測試情況如表2所示。

用同樣方法對其他5個畫面功能進行仿真，系統(tǒng)6個畫面均能實現(xiàn)預(yù)定的功能，效果良好。仿真教學(xué)為學(xué)生提供了創(chuàng)新能力實踐的平臺［12］。

表2 測試情況

4 結(jié)束語

基于WinCC的恒溫水槽監(jiān)控系統(tǒng)是集企業(yè)實踐功能和學(xué)校仿真教學(xué)為一體的項目，項目的開發(fā)為無人工廠、遠程控制提供了建設(shè)方案，提高了經(jīng)濟效益，提升了生產(chǎn)線自動化水平。該系統(tǒng)還為學(xué)校的教學(xué)項目的開發(fā)提供了范本，為學(xué)生職業(yè)能力的提高提供了實踐平臺。

（References）

［1］孫蓉，呂淑平，蘇麗，等．基于西門子PLC的遠程實驗平臺建立與實現(xiàn)［J］．實驗技術(shù)與管理，2013，30（10）：87－89，99．

［2］劉燕，袁偉恩，李曉波．構(gòu)建系統(tǒng)的實踐教學(xué)平臺 培養(yǎng)創(chuàng)新性應(yīng)用型藥學(xué)人才［J］．實驗室研究與探索，2014，33（1）：158－161．

［3］呂世霞，王京．閥島技術(shù)在生產(chǎn)線自動供料系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動化，2010（9）：170－172，175．

［4］李永剛，馬春燕．基于S7－300PLC和WinCC帶式輸送機系統(tǒng)設(shè)計［J］．煤礦機械，2012（2）：214－215．

［5］王宏文，蔣君杰，吳玲玲，等．WinCC監(jiān)控系統(tǒng)在燒結(jié)過程中的應(yīng)用［J］．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011（2）：1－4．

［6］WinCC組態(tài)手冊［M］．西門子（中國）有限公司自動化與驅(qū)動集團，1999．

［7］李軍．WinCC組態(tài)技巧與技術(shù)問答［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2013．

［8］陳瑞陽．工業(yè)自動化技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2011．

［9］西門子（中國）工業(yè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域工業(yè)自動化與驅(qū)動技術(shù)［EB／OL］．［2014－07－15］．http：／／www．a(chǎn)d．siemens．com．cn／Service／Technical＿support．a(chǎn)sp．

［10］孟建軍，李德倉，段麗霞，等．基于WinCC的整備作業(yè)安全監(jiān)控［J］．計算機工程，2011（5）：242－244．

［11］唐波，孟祥印，唐磊．基于PLC與WinCC的天然氣調(diào)壓站監(jiān)控系統(tǒng)［J］．化工自動化及儀表，2013（10）：1281－1284．

［12］袁澎，艾芊，賀興．基于WinCC的電站涉網(wǎng)事故仿真教學(xué)系統(tǒng)［J］．實驗室研究與探索，2013（3）：71－75．

Design of thermostatic water flume system based on WinCC

Wang Jing1，2，Li Jinyi1
（1．College of Automotive Engineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100176，China；2．School of Mechanical－Electronic and Control Engineering，Beijng Jiaotong University，Beijing 100044，China）

The WinCC monitoring system for thermostatic water flume is able to implement in－time alarm function for water level and temperature，the real－time generation of trend curve of water temperature and the automatic forming of data report．This system not only greatly improves the automation level in the actual production line and realizes the remote control，but also realizes the simulation teaching in the circumstances without hardware，and it provides a teaching platform for automation specialty for institution in different conditions．This system has its own economic value，and it can save the teaching cost，so it’s a typical combination of practical application and teaching case．

water flume system；monitoring system；Wincc

TP273

A

1002－4956（2015）3－0088－05

2014－08－25

2014年北京市職業(yè)院校教師素質(zhì)提高工程職教名師培養(yǎng)計劃項目（PXM2014＿014306＿000054）；2014年度北京市高等學(xué)校教育教學(xué)改革立項項目

王京（1975—），女，北京，碩士，副教授，研究方向為汽車制造．

E－mail：15910542311＠126．com