SAWL焊管生產線數據采集及實時監控系統的研發

賀松松，韓智杰，李　軍，魯傳林

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300270）

SAWL焊管生產線數據采集及實時監控系統的研發

賀松松1，韓智杰2，李軍1，魯傳林1

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300270）

通過對SAWL焊管生產線工藝流程和控制要求的了解與分析，以技術實現的可能性和有效性為基礎，利用工業以太網技術和OPC技術實現WinCC 7.0與PLC的數據通信，完成生產線數據采集與實時監控系統的研發；成功設計開發出生產現場物料分布狀態的動態監控、設備啟停機狀態實時監控、設備關鍵參數實時趨勢、設備參數報警等功能，并基于Web發布技術實現通過IE瀏覽器對系統的遠程訪問。

SAWL焊管生產線；數據采集；實時監控；工業以太網；OPC技術；WinCC 7.0

伴隨著國內管道建設高峰期的到來，各大鋼管制造企業紛紛引進國外先進的自動化設備以提高產品質量和市場競爭力。但是與國外同行業相比，國內企業生產管理水平仍存在著較大差距。國外企業通過數據采集與實時監控系統，能夠實時掌控整個生產線各主機設備的運行參數、設備故障報警信息、生產線流程狀況等，在極大程度上保證了產品質量，并為設備故障診斷提供了可靠保障，同時提高了企業的生產管理水平，保證了企業效益的大幅度提升［1-3］；因此，為了提高國內直縫埋弧焊（SAWL）管生產線的產品質量和管理水平，亟需建設一套數據采集與實時監控系統。

1　總體設計思路

本設計采用工業以太網技術和國際標準的OPC （OLE for Process Control，用于過程控制的對象鏈接和嵌入）通信技術與PLC控制系統進行數據通信，同時結合西門子WinCC 7.0工業組態軟件設計開發生產線物料分布狀況實時監控、設備開停機監控、設備關鍵參數實時趨勢圖、設備故障報警等功能。生產線中心調度室可通過WinCC 7.0客戶端直接對系統進行訪問。通過對本系統進行Web網絡發布，使企業技術管理人員能夠從辦公網絡對本系統進行安全訪問。同時，本系統在設計時為渤海石油裝備制造有限公司MES系統（Manufacturing Execution System，制造執行系統）預留數據接口，并通過網閘安全隔離設備對現場數據進行安全隔離后為MES系統提供底層數據。

2　網絡架構

本系統采用3層網絡架構：控制層網絡、生產執行層網絡和辦公網絡?？刂茖泳W絡用于構建工業以太網，連接生產線各設備的PLC接口；生產執行層網絡用于連接OPC客戶端，與控制層網絡之間通過網閘進行物理安全隔離，從而為MES系統提供數據接口；辦公網絡用于數據采集及監控系統的Web訪問。

為保證控制層網絡、生產執行層網絡和辦公網絡的安全隔離，保證整個網絡的安全性，同時還要保證信息溝通、實現信息共享，需要在生產執行層網絡與辦公網絡之間增加一套防火墻進行網絡安全隔離；在生產執行層網絡與控制層網絡之間增加一套網閘，對數據進行安全隔離。SAWL焊管生產線數據采集及實時監控系統網絡架構如圖1所示。

圖1　SAWL焊管生產線數據采集及實時監控系統網絡架構

3　PLC系統改造

由于生產線自動化控制系統均采用西門子S7-300、S7-400，為保證其均能通過OPC協議進行數據采集，因此需要對PLC控制系統建立工業以太網通信，PLC系統通過工業交換機等網絡設備進行連接，從而構成控制層工業以太網［4-5］。由于部分PLC系統不具備工業以太網通信條件，因此需要對其增加工業以太網通信模塊，S7-300系統增加CP343-1模塊，S7-400系統增加CP441-1模塊。通過西門子Step7編程軟件對PLC系統進行編程，首先在硬件編程中添加CP343-1/CP441-1模塊，且訂貨號應與實際以太網模塊完全一致，并對以太網模塊屬性參數按照預定IP地址進行網絡組態編程，從而完成PLC系統改造。PLC系統以太網模塊配置如圖2所示。

圖2　PLC系統以太網模塊配置

4　系統設計

西門子WinCC 7.0是德國西門子公司開發的工業組態軟件，集成了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）、界面組態、腳本語言和OPC等先進技術，具有強大的畫面編輯、腳本、報警、趨勢等功能，其主要用于對生產過程進行實時監控。本設計選用WinCC 7.0工業組態軟件作為開發平臺，以實現生產線狀態實時顯示、設備運行參數趨勢圖、設備運行參數報警、Web發布等功能［6-8］。

4.1系統變量配置

在WinCC 7.0新建工程中的變量管理器添加Simatic S7 Protocol Sutie驅動。由于本系統是基于以太網的OPC通信協議，因此需要在TCP/IP驅動中建立連接項；由于生產線共有48套PLC控制系統，因此需要分別建立48個連接項，且均以各臺設備名稱命名，并在屬性中將IP地址項設置為對應設備PLC的IP地址［9-10］。在各設備對應的連接項中建立變量參數，各變量參數地址為相應設備PLC的輸入/輸出地址，變量參數主要包括編碼器、智能儀表、設備電流電壓、水壓試驗等模擬量數值以及傳感器開關量數值等設備關鍵參數。如若PLC對應傳感器開關量輸入地址為 I 1.1，對應的WinCC 7.0地址也應設置為I 1.1；若輸出信號地址為O 2.1，則對應的WinCC 7.0地址應為O 2.1；編碼器數據、智能儀表、電流電壓、水壓值等參數在PLC程序中是保存在DB塊中，因此在WinCC 7.0中應設置其對應的DB塊地址，如1號外焊1絲電壓參數變量地址為DB200.DD0［11-12］。

4.2動態監控畫面設計

西門子WinCC 7.0圖形編輯器具有創建和動態修改過程畫面的功能。本系統采用動態變量實時顯示的方式實現整個生產線加工主料（鋼板、鋼管）的分布狀態動畫效果圖和設備開停機狀態實時顯示。

在本套系統中將生產線流程劃分為4個區域（南一區、南二區、北一區、北二區），并分別繪制4個區域的現場動態監控圖。總貌圖設計采用Picture Windows控件分別將4個區域的現場監控畫面進行鏈接，從面形成現場監控系統總貌圖?，F場動態監控圖是按照生產線現場設備實際位置比例的關系進行繪制，且流程關系與實際生產過程保持完全一致。

畫面動態配置實時數據均采用主機設備PLC控制系統信號。鋼板/鋼管工位信息采用傳感器開關量信號進行配置，當變量信號為0時，表示該工位沒有鋼管或鋼板；當變量信號為1時，表示該工位有鋼管或鋼板。鋼管輸送小車的動態監控通過編碼器數值配置運行狀態，動態位置與實時生產一致。設備開停機狀態采用設備開停機狀態參數進行配置，鋼板/鋼管輸送輥道傳動方向采用PLC正轉/反轉信號來實現［13］。

4.3實時趨勢圖設計

實時趨勢圖主要是針對生產線流程中對設備關鍵參數要求較高的設備，如預焊機、內外焊接機和水壓試驗機等設備進行的設計。通過趨勢圖功能，技術人員可實時掌握焊接電流、電壓、水壓趨勢，并對鋼管焊接、水壓試驗工藝參數進行及時調整，以提高鋼管的焊接和水壓試驗的質量水平。

本設計采用WinCC 7.0實時趨勢圖控件對電流、電壓、水壓等參數進行配置開發，設計有預焊機、1號內焊機、2號內焊機、1號外焊機、2號外焊機、水壓試驗機的關鍵參數實時趨勢圖共6個系統界面。在趨勢圖主界面設計有各主機設備趨勢圖切換功能，系統操作人員可自行選擇查看各臺主機設備的關鍵參數實時趨勢圖。1號外焊機電壓、電流實時趨勢如圖3所示。

圖3　1號外焊機電壓、電流實時趨勢

4.4設備故障報警設計

設備故障報警主要用于故障報警信息的歸檔與顯示，并指示所檢測的報警事件，故障查詢、統計與分析等功能，為設備管理人員在生產過程中尋找設備發生的故障和錯誤信息提供了方便。設備故障報警系統有助于在早期階段識別緊急情況，從而避免損壞設備而停工。在WinCC 7.0中，報警編輯器負責信息的采集和歸檔，包括過程、預加工、表達式及歸檔等信息的采集功能。在組態期間，可對過程中應觸發的事件進行定義。這個事件可以是設置自動化系統中的某個特定位，也可以是過程值超出預定義的限制值。在組態時，要在報警記錄中設置報警的信息塊，報警的歸檔和添加組態信息同時還要在變量管理器中選擇信息變量（如果信息變量不是Bool型變量還需要選擇信息位），之后在圖形編輯器中添加報警控件并組態控件的屬性，在項目的計算機屬性的啟動列表中選擇“報警記錄運行系統”選項，如圖4所示。在報警控件中，可以通過對報警發生時間、故障描述等進行任意查詢與打印。

圖4　設備故障報警記錄

4.5Web發布

WinCC Web Navigator是WinCC的重要組件之一，主要作用是使WinCC具備Web發布功能。在系統設計中，首先在服務器上安裝WinCC Web Navigator Sever軟件并進行系統配置，使其作為系統Web服務器端，即可完成系統的Web發布［14-15］。具體配置步驟如下：

（1）首先在服務器管理工具中配置IIS（Internet Information Services，互聯網信息服務），并設置Web站點，再組態Web Navigator Sever工程。在服務器端，啟動WinCC工程項目，打開Web Configurator對話框，進行Web站點參數設置。

（2）發布過程畫面。在WinCC工程項目中，打開Web View Publisher對話框，首先選擇遠程發布畫面的路徑，再選擇需要發布的畫面。

（3）客戶端訪問Web工程。打開IE瀏覽器，輸入系統登錄網址，按照系統提示下載安裝Web Navigator Cilent（Web瀏覽器客戶端），成功安裝后，客戶機會連接到正在運行的服務器工程中，用戶定義的起始畫面會被顯示。

5　結　語

通過數據采集及實時監控系統的應用，企業管理者可以隨時掌握SAWL焊管生產線的實際生產情況和現場出現的一系列問題，從而針對各種異常情況作出合理的判斷和調整。設備管理人員能夠從各個維度了解設備不同顆粒度的信息（信息顆粒度反映的是信息的詳細程度），為生產過程中排查設備故障、提升產能利用率提供最原始的數據信息。焊接技術人員能夠通過焊接設備電流、電壓實時趨勢掌握鋼管焊接過程中出現的問題，并及時對焊接工藝進行調整，從而提高鋼管的焊接質量水平。該系統的運行，顯著提高了企業的生產效率、產品質量和設備管理水平，創造了較大的經濟效益和社會效益，大幅度提高了企業的市場競爭力。

［1］王旭.油氣輸送管線鋼管制造與裝備技術的現狀及展望［J］.鋼管，2012，41（1）：7-13.

［2］王曉香.以焊管裝備技術進步推動焊管產業可持續發展［J］.鋼管，2012，41（5）：1-5.

［3］曲賓，王東明.國產JCOE焊管裝備制造技術及管理升級研究［J］.鋼管，2014，41（2）：7-13.

［4］鄧建昌.工業以太網通信協議和接口技術研究［D］.成都：電子科技大學，2005：5-41.

［5］崔堅.西門子工業網絡通信指南［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［6］甄立東.西門子WinCC V7基礎與應用［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［7］薛源，劉衛東.一種多通道實時數據采集監控系統的設計與實現［J］.計算機測量與控制，2011，19（4）：863-865.

［8］雷田，唐明董，張侃諭.軋機實時監控系統中的數據采集技術［J］.機電一體化，2001（5）：46-48.

［9］李京.OPC技術及其在工業控制系統中的應用［D］.上海：華東理工大學，2002.

［10］劉志強.OPC數據存取服務器和客戶端的研究與設計［D］.呼和浩特：內蒙古大學，2010.

［11］廖常初.西門子S7-300/400 PLC應用技術［M］.3版.北京：機械工業出版社，2011.

［12］李道霖.電氣控制與PLC原理及應用［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［13］楊軍，答嘉曦，余調琴，等.基于PLC和WinCC的溫度控制系統設計［J］.計算機與數字工程，2006，34 （6）：135-137.

［14］陸燕.WinCC/Web Navigator在水廠自動化控制系統中的應用［J］.工業控制計算機，2007，20（8）：56-57.

［15］王賽.基于WinCC Web Navigator技術的自動化車間模式［J］.煤炭技術，2012，31（8）：46-47.

R&D of Data Acquisition and Real-time Monitoring System of SAWL Pipe Production Line

HE Songsong1，HAN Zhijie2，LI Jun1，LU Chuanlin1
（1.Nanjing Julong Steel Pipe Company，CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China；2.CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300270，China）

Based on full knowledge and analysis of manufacturing process flow and control requirements of the SAWL pipe production line，and taking relevant possibility and effectiveness of technological realization into consideration，the R&D of the data acquisition and real-time monitoring system of the said production line is completed by means of materialization of the data communication between WinCC 7.0 and PLC via the industrial Ethernet technology and the OPC technology.Relevant functions of the said system as successfully developed cover such aspects as dynamic monitoring of workshop material distribution status，real-time monitoring of equipment start/ stop status，real-time trend of equipment key parameters，and alarming of equipment parameters.Moreover，the remote access to the system via the IE browser is realized on the basis of the Web publishing technology.

SAWL pipe production line；data acquisition；real-time monitoring；industrial Ethernet；OPC technology；WinCC 7.0

TG335.75

B

1001-2311（2015）02-0070-04

2014-06-04；修定日期：2015-02-26）

賀松松（1985-），男，助理工程師，主要從事電氣自動化技術、信息化技術的設計開發工作。