相變儲熱試驗爐HMI系統開發與應用

李志鋒，宋君，吳萌，王奎越，金耀輝，劉寶權

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

相變儲熱試驗爐HMI系統開發與應用

李志鋒，宋君，吳萌，王奎越，金耀輝，劉寶權

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

介紹了新建的多功能相變儲熱試驗爐系統概況，著重論述了HMI系統的功能組成、軟件實現過程、技術特點及應用效果等。實際應用效果表明，該相變儲熱試驗爐HMI系統功能設計合理，運行穩定，效果良好，為科研實驗工作提供了寶貴的試驗數據。

相變儲熱；HMI；WinCC；試驗爐；變量歸檔

為更好地開展節能減排領域科技創新工作，籌建自己的大型節能減排熱態中試基地，鞍鋼集團鋼鐵研究院新建了一個集基礎實驗、中間試驗為一體的節能研發型熱態試驗平臺——相變儲熱試驗爐。該試驗爐能夠進行相變蓄熱材料制備及應用試驗、熱處理爐用各種燒嘴、換熱器性能檢測及開發試驗、富氧燃燒及爐渣余熱高效回收試驗等，以此為節能減排領域的研發工作奠定堅實的基礎。

本文以該相變儲熱試驗爐的設計、編程為基礎，介紹了該試驗爐的基本概況，對HMI系統設計、功能組成、編程實現過程及實際應用效果進行了分析論述，并提出進一步優化HMI系統的具體建議。

1　系統概述

鞍鋼相變儲熱試驗爐包括大功率燃燒爐、脈沖燃燒試驗爐和蓄熱式試驗爐三個部分。采用以PLC為核心的控制系統，對爐溫、空煤氣比例、流量、壓力、溫度等熱工參數進行檢測和控制。PLC硬件為S7-400，編程軟件采用SIMATIC PCS7 V8.0，HMI系統采用SIMATIC WinCC V7.0編程，實現測量值數據顯示、操作控制、過程報警及變量歸檔等功能。整個試驗爐系統主要包括以下功能：

（1）從廠區總管將公輔介質接到實驗室廠房內，試驗爐內利用高爐煤氣、混合煤氣、焦爐煤氣、氧氣、氮氣這5種能源動力介質進行燃燒試驗。

（2）蓄熱試驗爐：對蓄熱燃燒試驗爐試驗燒嘴的熱態試驗及熱工參數檢測，對單蓄熱平焰燒嘴的熱態試驗及熱工參數檢測。

（3）大功率燃燒器試驗爐：能夠對一個大型長火焰燒嘴、一個平焰燒嘴進行1:1熱態試驗及熱工參數檢測。

（4）脈沖燃燒試驗爐：能夠完成脈沖燒嘴控制模式熱態實驗、換熱器系統熱態試驗及相應配套的熱工參數檢測。

（5）試驗爐PLC及HMI系統實現自動化控制，能按照加熱曲線進行溫度控制。

（6）三臺試驗爐具備水冷系統功能。

（7）實驗室內部設置消防及報警裝置。

試驗爐系統建設時，為滿足科研試驗使用需要，將PLC及HMI系統設計為能夠提供現場試驗的實時監測數據。通過WinCC變量歸檔實現了數據采集和歸檔分析功能，為利用試驗爐研究脈沖燃燒控制技術和加熱爐節能技術創造了試驗條件和設備保障。

2　HMI設計

2.1軟件開發

工業監控組態軟件WinCC是德國西門子（Siemens）公司研發的一款集成的人機界面（HMI）系統和數據采集監控管理（SCADA）系統，WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡稱。用戶在其友好的界面下進行組態、編程及數據管理，可以形成所需的監視畫面、操作畫面、控制畫面、報警畫面、數據歸檔及打印等。其顯著特點就是全面開放，易于結合標準的和用戶的程序建立人機界面，滿足工業應用要求，安全可靠地控制生產過程［1］。WinCC軟件可以單獨安裝使用，但通常在SIMATIC PCS7安裝包下都有對應版本的WinCC軟件，所以實際使用中，安裝PCS7軟件時選擇安裝OS工程師站即可。

WinCC提供各種PLC的通訊接口用于PLC和上位機HMI通訊。WinCC與PCS7（內置STEP7編程語言）結合在一起使用，PLC程序中的控制變量可以在與WinCC連接時的過程編程直接使用。同時在WinCC軟件里可以手動創建控制變量，只需配置好變量地址（通常為PLC里的DB地址）即可與PLC建立關聯［2-3］。

2.2功能設計

在基于SIMATIC WinCC作為開發軟件的背景下，結合試驗爐PLC控制設計要求，HMI系統設計主要實現六部分功能：軟件框架（系統時間、公司標識、畫面截屏、打印功能等）；測量值數據及狀態顯示；試驗爐自動控制要求的各類操作控制（點火、急停等）；溫度、壓力、流量等測量值數據歸檔；實時報警功能；精確PID控制。

2.3功能組成

HMI畫面設計時以滿足實際應用、使用便捷為出發點，依據功能設計，需要在畫面編程中設計實現6項子畫面，如圖1所示。

爐區縱覽畫面用于監視三臺爐子的基本狀態、基本操作控制，以便監控整個爐區；大功率試驗爐畫面，顯示大功率爐的溫度、壓力、供氣管道流量的測量值，火焰檢測信號；脈沖燃燒爐畫面包括脈沖投放占空比設定功能；蓄熱爐畫面包括8個換向閥換向操作功能（定時換向和定溫換向）；公輔系統畫面主要是加2臺引風機、一臺鼓風機、加壓泵、穩壓泵、冷卻塔的遠程/本地、手動/自動操作控制及運行狀態顯示。供氣管道畫面以棒圖（bar）形式顯示了進氣管道的溫度、壓力、流量檢測值；歸檔曲線畫面把65個歸檔數據（包括溫度、壓力、流量）以趨勢圖形式顯示出來，并提供了歸檔數據導出、趨勢圖打印功能，把所有的歸檔數據通過一個趨勢表格（WinCC Trend Table控件）顯示在WinCC界面上供查閱；PID監控畫面主要是把PLC程序里的PID參數引入畫面，并提供實時變化曲線，便于PID操作監控；報警功能畫面主要是顯示歷史報警信息。

相變儲熱試驗爐工藝流程HMI畫面設計如圖2所示。以三臺試驗爐物理布局設計了HMI畫面分別用3個矩形表示，爐子之間通過氣體管道相連，管道上布置有各類開關、控制閥、換熱器等。詳細HMI功能設計均按照整個爐區實際硬件布置為依據。

3　編程實現

3.1基本功能

鞍鋼相變儲熱試驗爐HMI系統編程以HMI功能設計為綱，實現了監控、報警、歸檔及PID控制功能。畫面進入時提供用戶身份驗證，沒有密碼無權操作或查看畫面。同時在主框架上顯示了公司徽標，系統時間及畫面截屏（HARDCOPY）功能，提高了美觀性和易用性。

監視畫面主要顯示了試驗爐上各個溫度、壓力、流量、火焰檢測等儀表的測量值數據級狀態，并逐一提供了注釋（Tooltips），用戶在光標點到監視點時能自動彈出該監視點的儀表名稱、測量值數據單位、數據上下限等。操作畫面主要是管道上各種切斷閥的開關控制，投放時間設置、手動/自動、本地/遠程等功能。

實際編程實現過程中利用WinCC軟件的畫面窗口（PictureWindow）實現窗口切換；建立統一的畫面模板，在C腳本里進行判斷，對不同的設備（各個切斷閥、公輔設備）連接不同的WinCC通訊變量，減少了畫面文件（PDL文件）數量，使得程序顯得簡潔；創建了一個幫助畫面，在此畫面上對其他各個中出現的畫面元素的顏色、狀態、對應含義統一標注，使得畫面更易上手使用。

畫面的報警功能是通過WinCC Alarm Control控件來顯示的。由于編程時對具體需要添加哪些報警點不是十分明確，所以對所有的報警點的顯示是通過讀取PLC里布爾型的報警變量，手動在WinCC里添加報警內容。

3.2爐子狀態畫面

根據設計要求，3個試驗爐狀態畫面分別單列為獨立的子畫面，并設計另一個總畫面。單列爐子畫面顯示了當前試驗爐所有相關的狀態信息（開爐條件、停爐條件、冷卻水管道采集的實際值），提供了具體的切斷閥操作控制功能。總畫面顯示三臺爐子的基本運行狀態，如主要溫度、壓力、流量測量點的實際值，爐子相關管道測量點的實際值以及總管道上測量點的實際值。

WinCC編程時著重從三個方面著手：①根據工藝及設計要求合理安排畫面顯示元素的布局，使得整體畫面布局美觀大方；②建立腳本模板及項目函數，避免公用代碼重復編寫；③根據爐子工藝要求為PLC程序提供相關操作參數（主要有切斷閥的開、關時間、脈沖燃燒時間、換向時間等）；編程時充分考慮工藝要求對畫面布局進行美化，編寫4個項目函數，繪制3個操作界面，實現了代碼及畫面模板重用，滿足了整個爐子的操作控制需要，同時研究把PLC里的浮點型數據及S5TTIME類型數據轉化為能和WinCC交互的數據格式，避免在PLC里再進行數據類型轉換。

3.3數據歸檔及PID監控

測量值數據歸檔功能對三個爐子共計65個測量點的數據歸檔，使用WinCC軟件里Tag Logging功能和WinCC Online Trend Control控件顯示歸檔數據、查看趨勢圖，提供配置菜單欄，用戶能選擇性的查看歸檔期內的任意時間區間的歸檔曲線，對歸檔數據趨勢圖可以自由導出、打印，脈沖爐兩次烘爐溫度曲線如圖3所示。歸檔曲線為兩次脈沖爐升溫曲線（橫坐標為時間軸，縱坐標為溫度數據）。同時使用Excel宏功能，把導入的*.CSV文件一鍵導入Excel，以便于科研數據分析。

圖3中，曲線1表示爐頂溫度曲線，曲線2表示換熱器溫度曲線。通過曲線可見，兩次試驗中脈沖爐升溫、降溫趨勢基本相同，最高溫度達到設定的1 300℃。換熱器工作正常，溫度變化趨勢合理。

PID監控畫面主要是對3臺爐子煤煙管道上調節爐膛壓力的比例切斷閥進行監控。把PLC程序里功能塊FB41的PID關鍵參數一并引入WinCC畫面，提供實時變化曲線，便于人工干預及狀態觀察。

4　應用效果

在生產試驗過程中，3臺試驗爐可以一起試驗或者有目標的選擇一臺或兩臺爐子進行試驗。對3臺試驗爐分別進行試驗和聯合點爐試驗結果表明，控制切斷閥動作正常，公輔系統、管道檢測儀表，煙道檢測儀表燈都運行正常，PLC控制程序運行正常，HMI系統工作正常。通過導出的歸檔數據和歸檔曲線，為科研分析提供了可靠依據。

當前試驗爐HMI系統運行穩定，可滿足各類試驗要求。程序設計時在HMI軟件中預留了許多重要的接口，可以供后續點檢維護使用。

結合生產實際，同時依據軟件開發經驗，對HMI系統進一步優化，進行二次開發，如需購買硬件設備，在HMI系統中增加聲音報警功能、在HMI畫面上增加控制信號，供PLC程序模擬使用等。

5　結論

（1）通過在SIMATIC WinCC中進行軟件編程，將試驗爐現場檢測儀表測量值引入操作畫面，（2）HMI系統實現了測量值歸檔功能。用戶通過歸檔畫面，能夠直觀地查看歷史歸檔數據及歸檔曲線，并對數據進行統計分析。同時所有歸檔數據能夠便捷地導入導出，為用戶進一步進行科研數據分析提供了技術支撐。

提供了基本的操作控制功能，把現場運行狀態及時呈現給用戶，方便用戶監控、操作及技術維護。

（3）現場應用效果良好。HMI畫面功能設計合理，試驗數據保存完整，系統維護方便，運行穩定，為鞍鋼進行節能環保熱態試驗提供便利條件。

［1］蘇昆哲．深入淺出西門子W inCC V6（第二版）［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［2］杜勇剛．基于PCS7的步進式加熱爐計算機控制系統的研究與應用［D］．武漢，武漢科技大學，2007.

［3］李志鋒，王軍生，劉金剛，等.鞍鋼1450mm冷軋生產線HMI系統組成與功能［J］.鞍鋼技術.2009（6）：24-26.

（編輯袁曉青）

Development and Application of HMI System for Phase-change Thermal-storage Test Furnace

Li Zhifeng，Song Jun，Wu Meng，Wang Kuiyue，Jin Yaohui，Liu Baoquan
（Iron＆amp;Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation，Anshan 114009，Liaoning，China）

The new installed system for the multifunctional phase-change thermal storage test furnace was briefly introduced，including the structure of functions，software realization process，technical characteristics and application effect relating to the HMI system.The practical application effect shows that the design of the HMI（human machine interface）system is reasonable with stable operation and good results.And so the system can provide valuable experimental data for scientific research activities.

phase-change thermal-storage；HMI；windows control center；test furnace；tag logging

生產實踐

TG174

A

1006-4613（2015）06-0031-04

2015-05-07

李志鋒，高級工程師，2005年畢業于蘭州理工大學計算機科學與技術專業。E-mail：xiao_yuan08@163.com