汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)設計

李 軍，席 巍，劉長青，李明海

（1.北京市智能機械創(chuàng)新設計服務工程技術(shù)研究中心，北京 100020；2.北京聯(lián)合大學 機器人學院，北京 100020）

0 引言

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)廣泛應用于熱力發(fā)電、金屬冶煉、鋼鐵加工和汽車制造等行業(yè)企業(yè)的降溫處理工藝中，可以實現(xiàn)水的循環(huán)再利用，節(jié)約大量工業(yè)用水。應用PLC技術(shù)實現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動控制，可以提高企業(yè)的工作效率，改善現(xiàn)場工作人員的工作環(huán)境、降低勞動強度，同時還能降低不安全因素，已經(jīng)被越來越多的行業(yè)企業(yè)所接受[1～3]。

對于一個有實際應用價值的PLC控制系統(tǒng)，除了硬件和控制軟件外，還應有適于用戶操作的方便的人機界面（HMI），HMI承擔的任務包括過程可視化、過程控制、報警顯示、過程值歸檔以及過程和設備的參數(shù)管理等[4]。WinCC是由西門子公司推出的基于Windows操作系統(tǒng)的HMI/SCADA系統(tǒng)，廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、樓宇等領(lǐng)域自動化系統(tǒng)的人機界面組態(tài)，可以為操作人員組態(tài)友好的圖形用戶界面，同時以Microsoft SQL Server為數(shù)據(jù)處理平臺，可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的訪問、處理和分析[5]。

本文針對北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，設計基于WinCC的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主控制器為西門子S7-300 PLC。根據(jù)設備的分布情況，將PLC控制系統(tǒng)設計為主從站結(jié)構(gòu)。主站在地下室的機房PLC控制柜內(nèi)，用于控制位于地下室的系統(tǒng)現(xiàn)場設備，主站的CPU型號為CPU315-2PN/DP（自帶PROFIBUS-DP接口和PROFINET接口）。從站位于屋頂PLC控制柜內(nèi)，用于控制屋頂?shù)?3臺閉式冷卻塔，從站系統(tǒng)采用西門子的ET200M，接口模塊為IM153-1。主站和從站通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行通信。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的中控計算機位于一層，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)通過PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）與PLC主站進行通信。在該控制系統(tǒng)中，由PLC主站和從站組成的主控制器，是對冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進行實際控制的下位機，而WinCC監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)控制過程可視化的上位機。

1.2 主要監(jiān)控設備監(jiān)控信號分析

WinCC監(jiān)控系統(tǒng)是通過PLC以過程變量的方式實現(xiàn)HMI與機械設備或過程之間的通信，因此，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要監(jiān)控設備監(jiān)控信號的分析結(jié)果，是WinCC監(jiān)控系統(tǒng)中創(chuàng)建過程變量的依據(jù)。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是對位于屋頂?shù)?3臺閉式冷卻塔以及位于地下室的水泵、閥和傳感器等現(xiàn)場設備進行控制。

1）閉式冷卻塔

每臺閉式冷卻塔均包含風機、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、水槽電加熱裝置、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置（2臺）等設備。每臺閉式冷卻塔的出水口均有溫度傳感器檢測出水溫度，所有閉式冷卻塔都通過出水口將冷卻水排到一個密閉集水槽中，密閉集水槽設有5個溫度傳感器用于檢測水的溫度，另外還有一個液位傳感器檢測水槽的液位。整個閉式冷卻塔系統(tǒng)的外部設有1個溫度傳感器和1個濕度傳感器，用于檢測室外的溫度和濕度，主要用于實現(xiàn)冷卻塔的防凍控制。

閉式冷卻塔的風機、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、水槽電加熱裝置、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置等設備各自的主要監(jiān)控信號包括運行狀態(tài)、啟停控制、過載報警以及手動/自動模式轉(zhuǎn)換信號。

2）現(xiàn)場設備

位于地下室的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)場設備包括4個工藝循環(huán)泵、12個蝶閥、1個旁通閥以及供冷卻水循環(huán)的管道，在管道中設有6個溫度傳感器、6個壓力傳感器和2個流量傳感器用于監(jiān)測循環(huán)水的狀態(tài)。

工藝循環(huán)泵的主要監(jiān)控信號包括水流狀態(tài)（開/關(guān)）、運行狀態(tài)、過載報警、上口接觸器狀態(tài)、變頻頻率反饋、變頻啟?？刂?、變頻頻率設置和手動/自動模式轉(zhuǎn)換信號。蝶閥的主要監(jiān)控信號包括開關(guān)狀態(tài)反饋、手動/自動模式轉(zhuǎn)換信號和開關(guān)控制。旁通閥的主要監(jiān)控信號包括旁通閥開度反饋和旁通閥開度設置。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設計

汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)采用SIMATIC WinCC V7.0進行組態(tài)，該版本的WinCC具有靈活而強大的過程可視化功能，從而實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的顯示和工作過程的控制[6]。

設計WinCC監(jiān)控系統(tǒng)首先需要創(chuàng)建WinCC監(jiān)控系統(tǒng)項目，并建立WinCC與PLC的通信連接。按照設計方案，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通過PROFINET進行通信，因此創(chuàng)建WinCC項目時，選擇在SIMATIC PROTOCOL SUITE通信協(xié)議集的TCP/IP通道中建立WinCC與PLC的通信連接，并在該通信連接中創(chuàng)建過程變量。

2.1 監(jiān)控畫面設計

過程可視化和過程控制是監(jiān)控系統(tǒng)最基本、最重要的功能和任務，其關(guān)鍵是監(jiān)控畫面的組態(tài)。設計良好的監(jiān)控畫面代表了友好的圖形用戶界面，操作員可以通過監(jiān)控畫面監(jiān)視過程的工作狀態(tài)，也可以對過程進行控制。

汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)了起始畫面、工藝總流程、參數(shù)設置、報警顯示、趨勢圖、PID調(diào)試共6個監(jiān)控畫面，畫面結(jié)構(gòu)如圖2所示，箭頭代表了畫面之間的切換關(guān)系。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)激活進入運行狀態(tài)后，顯示起始畫面，操作人員必須在起始畫面單擊“系統(tǒng)登錄”按鈕，在彈出的系統(tǒng)登錄對話框中輸入正確的用戶名和密碼后，才能通過單擊“進入系統(tǒng)”按鈕切換到工藝總流程畫面。只有通過工藝總流程畫面相應的切換按鈕才能切換到趨勢圖、報警顯示、參數(shù)設置、PID調(diào)試這4個畫面，且這4個畫面中均有切換按鈕返回到工藝總流程畫面。操作人員只能通過單擊起始畫面的“退出系統(tǒng)”按鈕（受操作權(quán)限保護），才能退出WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)

工藝總流程畫面是汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的核心，是實現(xiàn)過程可視化和過程控制的主要畫面，反映了整個冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和工作過程，如圖3所示。通過指示燈、文字、圖形等反映冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和工作過程，例如，通過I/O域顯示每個冷卻塔的出水溫度和密閉式集水槽5個測溫點的實時溫度；通過指示燈的顏色變化反映工藝循環(huán)泵的工作狀態(tài)（指示燈為綠，運行狀態(tài)；指示燈為紅，停止狀態(tài)）。操作員可以在I/O域中輸入數(shù)據(jù)來預制被控對象的參數(shù)，例如溫度設定值，來實現(xiàn)對過程的人工干預和控制；可以單擊按鈕對被控設備進行啟?？刂疲鐔踊蛲Ｖ构に囇h(huán)泵。應用WinCC提供的變量連接、直接連接、組態(tài)對話框、動態(tài)向?qū)?、直接連接以及C腳本和VBS腳本等組態(tài)方法，可以很方便地實現(xiàn)監(jiān)控畫面的過程可視化和過程控制功能。

圖3 工藝總流程畫面

對于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中數(shù)量多、功能類似且運行時實際工藝狀態(tài)不同的監(jiān)控設備，例如13個閉式冷卻塔、4個工藝循環(huán)泵以及12個蝶閥，為了避免反復組態(tài)這些設備，采用模塊化的設計思路，應用WinCC的畫面模板和結(jié)構(gòu)變量功能[7,8]，組態(tài)了相應設備的控制模板，實現(xiàn)在一個監(jiān)控畫面中根據(jù)條件顯示和控制多個這些設備（例如工藝總流程畫面中13個閉式冷卻塔的顯示和控制），大大減少了監(jiān)控畫面組態(tài)的工作量，極大豐富了監(jiān)控畫面的信息。

2.2 報警系統(tǒng)設計

報警系統(tǒng)是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的組成部分，用于監(jiān)視冷卻水循環(huán)系統(tǒng)運行過程中的異常和事件，可幫助操作人員快速發(fā)現(xiàn)、定位并解決處理系統(tǒng)的故障和錯誤，有效地減少或避免停機事件和生產(chǎn)事故的發(fā)生。

根據(jù)汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理和控制工藝，總共組態(tài)了343條報警信息，例如，根據(jù)工藝循環(huán)泵的控制工藝，為每個工藝循環(huán)泵組態(tài)了啟動故障、停止故障、接觸器啟動故障和接觸器停止故障共4條報警信息。報警采用離散量報警方式，離散量的兩種相反的狀態(tài)（0和1表示）定義報警的出現(xiàn)（1狀態(tài)）和消失（0狀態(tài)）。離散量報警需要在PLC中設計相應的程序，圖4所示為1#工藝循環(huán)泵啟動故障的PLC程序。

圖4 報警的PLC程序

報警信息在監(jiān)控系統(tǒng)運行時顯示需要在WinCC監(jiān)控畫面中添加“WinCC Alarm Control”控件，圖5為報警信息在監(jiān)控畫面中的顯示。

圖5 報警信息顯示

2.3 趨勢圖設計

趨勢圖是變量在運行時的值的圖形表示，以曲線的形式連續(xù)顯示過程數(shù)據(jù)。WinCC用變量記錄系統(tǒng)（Tag Logging）進行趨勢圖的設計，可實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)的采集、處理和歸檔。

根據(jù)汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制工藝，對每個閉式冷卻塔的出水溫度、密閉集水槽中5個溫度傳感器所采集的溫度以及管道中的6個溫度傳感器、6個壓力傳感器和2個流量傳感器所采集的過程值組態(tài)了趨勢圖。在監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中顯示趨勢圖，需要在WinCC監(jiān)控畫面中添加“WinCC Oline Trend Control”控件，用戶可以根據(jù)需要在控件中選擇一個或多個過程變量趨勢圖進行顯示。圖6所示為1#（紅色）、2#（藍色）和3#（綠色）閉式冷卻塔出水溫度的趨勢圖。

3 結(jié)論

本文應用西門子組態(tài)軟件WinCC設計了汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)。汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的整個控制系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為核心控制器，

【】【】采用了主從站的結(jié)構(gòu)，主控制器為CPU315-2PN/DP，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)應用PROFINET技術(shù)與主控制器進行通信連接。汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了過程可視化、過程控制、報警顯示以及過程值歸檔和趨勢圖顯示等功能，為現(xiàn)場工作人員提供了友好的、操作方便的人機界面。該監(jiān)控系統(tǒng)成功應用于北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖6 閉式冷卻塔出水溫度趨勢圖

[1]劉長青,李明海,席巍,李軍.基于PLC的多臺冷卻設備逐級啟停控制算法[J].制造業(yè)自動化,2015,(4):109-110,122.

[2]劉長青,李軍,李明海,席巍.沖壓生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)控制系統(tǒng)設計[J].機電工程技術(shù),2015,44(2): 23-24,42.

[3]徐蕓,李晶.PLC控制系統(tǒng)在軋鋼車間水處理中的應用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(3):192-193.

[4]陳瑞陽,席巍,宋柏青.西門子工業(yè)自動化項目設計實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[5]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.

[6]王京,席仲雨,閆書山.磷化液溫度WinCC監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代制造工程,2017,(1):121-125.

[7]羅珉,汪引紅.WinCC在除塵卸輸灰氣力輸送監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2010,36(5):19-20.

[8]張玉紅.在Step7和WinCC軟件中實現(xiàn)單體設備控制的模塊化和標準化[J].冶金自動化,2013(S1):584-589.