西門子工控軟件在舊設備改造中的應用

許禮江

1 磨床輥形測量概述

被改造的2臺工業磨床是用來研磨鋁箔軋機的軋輥，屬于高精度研磨，也是20世紀90年代初科技含量較高和較集成的自動化老設備。其研磨出來的輥形軸向輥面曲線按正弦15°至75°之間的弧線為標準的曲線，如圖1，方程式如公式（1）。輥面凸度有30μm、40μm、45 μm、50μm四種對應公式中不同的(A-h)值表征曲線。研磨精度為0.1μm。測量輥形的傳感器探頭是根據霍爾原理設計的，貼靠在輥面上的傳感器探頭外側隨著輥面凸度的變化而徑向移動，推動探頭內側的磁桿與霍爾元件有相對位移變化，霍爾傳感器便輸出一個高靈敏的mV電壓信號，mV電壓與磁桿的位移成很好的線性正比關系。再由vollmer測量系統將此模擬信號放大變送轉換成實時的18位精度為0.1μm帶符號的二進制數據傳輸給研磨中心控制系統HCC（德國產赫克力斯磨床控制中心）的I/O通道輸入電路板。由HCC系統處理采集的數據通過一臺老式打印機打印出輥形曲線和參數值，供磨床操作手查看研磨結果是否合格，判斷是否繼續研磨軋輥，整個信號流程如圖2所示。由于打印機使用較頻繁和年代較久遠，逐漸老化而無法工作了，同款型號的打印機已經沒有生產，市場亦早已淘汰無法購買到，想要使用新款打印機，由于打印機驅動程序無法安裝入控制系統HCC的操作系統中而無法實現產品替代。如果沒有打印機則無法輸出系統內的輥形曲線圖形和參數，工作人員無法判斷輥面研磨的質量水平，對于高品質高精度要求的鋁箔軋機影響非常大，甚至無法生產鋁箔。所以面臨著老設備的改造升級計劃。

其中：φ（初相位）：決定波形與X軸位置關系或橫向移動距離；

ω：決定周期（最小周期T=2π/ ||ω）；

A：決定峰值（即縱向拉伸壓縮的倍數）；

H：表示波形在X軸的位置關系或縱向移動距離。

圖1 輥面正弦曲線

圖2 輥形測量數據信號走向

2 輥形測量原理和改造思路概述

輥形凸度測量原理是：測量傳感器探頭貼靠在輥面的起始端固定的位置上，測量信號啟動時（系統記錄此時的傳感器探頭的絕對位移值作為“起始值”），軋輥勻速橫向（軸向）移動，隨著輥面凸度的變化，壓迫傳感器探頭移動，霍爾傳感器的磁桿機械位移被轉換成mV電壓信號輸送至VOLLMER的變送器，對應算出測量傳感器探頭絕對位移變化的模擬量值數據（將探頭在輥面連續位置測量所得的絕對位移值與“起始值”相減計算出值作為該輥形的凸度變化，其差值的最大值即曲線的峰值就是該軋輥的凸度值），設備分布如圖2所示。改造思路就是通過使用西門子PLC-300系列PLC記錄輥形測量探頭傳感器的絕對位移模擬量數據，由于測量傳感器探頭的電信號需要通過一臺VOLLMER設備對其零點和量程的標定及轉換成實際的絕對位移量數值，再將此數值轉換成二進制數據以開關量電信號形式傳送給HCC系統的DI模塊通道。所以改造使用的PLC對輥形測量的傳感器探頭絕對位移值的數據采集方式是通過HCC的I/O通道電路板上18位（二進制精度為0.1μm）的輸入通道端子上并接輸送至PLC的開關量模塊通道中（PLC并接HCC通道采集的信號流程如圖3所示）；并經過PLC程序的運算計算出輥面的凸度連續變化量，再通過MPI電纜通訊傳送至上位機WINCC畫面呈現出凸度值的曲線畫面及相應的參數供操作員使用。

3 數據采集和處理

3.1 實際輥形輥面凸度數據采集處理

數據采集包括測量探頭絕對位移帶符號型的二進制模擬量信號，還有測量系統開始和停止的開關量信號，和工作輥面軸向位移量的信號（和凸度測量的探頭值一樣為帶符號型二進制的模擬信號）。而輥形測量探頭絕對位移值和輥面軸向位移值這兩個二進制的模擬量信號分別輸入到SIEMENS S7-300PLC的18個DI通道，其中最高一位第18位是符號位，0表示正數，1表示負數。通過編程軟件編寫程序將18位開關量信號按二進制數據權加的方法轉換成十進制模擬信號賦值給一個模擬變量以備用[1]。

3.2 標準輥型的數據采集處理

標準輥型凸度數據是每種凸度規格的工作輥有一組已知的輥面凸度分布值，即輥面上均勻分布的21個點的凸度值。每個點位置的高度相對起始點的高度（即凸度值）是按正弦曲線分布的，將四種不同凸度規格的輥形的21個數據值分別永久錄入程序中的數據塊中。操作員在進行輥形測量之前需通過人機界面WINCC的畫面上選擇相應凸度規格的輥形（通訊傳送給PLC程序，程序調用相應的標準凸度數據塊）以及每個軋輥ID編號輸入。在測量系統運行過程中，每當傳感器探頭移動到輥面對應的21個已知點位置時，程序將調用出根據操作員選擇的標準凸度規格的輥形數據塊對應的位置凸度值賦值給同一個變量，作為標準輥形隨實際被測研磨的輥面同步變化的凸度變化量，例如：測量研磨好的實際輥形凸度值變量是連續平滑的凸度變化量，而標準輥形凸度變量同步整個輥面只有21個點的凸度值變化量，在WINCC畫面中顯示出來的曲線為不平滑的折線式正弦曲線圖[2]。程序里將每個標準輥形凸度值數據塊命名對應的凸度名稱以備WINCC使顯示曲線圖形用。在測量輥形時，隨著軋輥的移動，每當傳感器探頭相對移動到輥面每個分割點時，將傳感器探頭測量凸度值（測量傳感器探頭位移絕對值于測量起始位置的傳感器探頭絕對位移值之差）和相應輥形該位置的數據塊里已知標準凸度值相比較，差值依次輸入至新的數據塊中命名為“差值塊”，以備WINCC顯示曲線圖形使用。

在測量過程中最重要的是需編寫程序，根據操作員選擇的相應凸度規格的標準輥形凸度數據塊中的凸度數值，同步賦值給一個表示標準輥形的模擬量變量(即將數據塊里的數據轉換成刷新率較低的連續模擬量，并且和實際研磨的輥面凸度傳感器探頭所測量的輥形凸度值是同位置變化的同步變量)以備WINCC對其歸檔和顯示曲線圖形使用，這就還需要PLC接受測量系統開始時和測量停止或終止的指令開關量信號，作為實際輥形和標準輥形的同步聯絡信號。WINCC接受通訊來自PLC處理好的數據，顯示完整的測量輥形曲線、相應標準輥形曲線圖形、輥面21個等分點對應的測量凸度值和標準凸度值及兩者的差值也供WINCC顯示出在表格里，供用戶參考所研磨的軋輥是否合格一目了然，最后通過打印電子版PDF文檔保存至電腦硬盤中，一個軋輥對應一個ID號，研磨電子版數據對應軋輥使用周期內歷史歸檔，有助于科學化管理。

圖3 輥形數據采集柜和PLC柜

3.3 系統硬件結構及程序結構

硬件使用西門子PLC-300系列PLC，一臺研華工控機作為上位機，并安裝有西門子PLC程序開發軟件STEP7 Basic V5.4和一套WINCC V6.0軟件開發編輯器，PLC與上位機通過MPI通訊電纜建立通訊[3]。上位機既可用作在程序開發和運行維護時的工程師站，亦可用作生產運行時的操作員站。

軟件結構，上位機的人機接口WINCC可負責兩臺磨床輥形的同時測量、記錄和顯示。STEP7主程序塊（OB塊）負責采集兩臺磨床輥形測量探頭的數據值并轉換成十進制的模擬量變量，和兩臺磨床軋輥位移數據量的采集并轉換成十進制的模擬量變量，此模擬量數據的轉換由編寫的兩個FC功能的程序負責，可提供兩臺磨床同時測量輥形時的同時使用，由OB主程序塊調用。同時OB組織塊接受人機界面用戶選擇的標準凸度輥形調用相應的子程序塊，每個子程序塊對應的是不同標準凸度輥形的FB功能塊，每個FB功能塊被調用時，FB會從公用的標準凸度的輥形數據塊中調用凸度數組。并且負責將對應數據塊里標準的離散型凸度值數組和實際輥形測量探頭位移的絕對數值的轉換、計算和同步問題處理并賦值于三個模擬變量，三個模擬量分別是傳感器探頭位移絕對值變量、實際輥形輥面凸度變量和標準輥形輥面凸度變量。將標準已知的21個點位凸度值和對應的測量的輥形21個點位凸度值，以及兩者同步位置上的凸度差值輸出至各自相應的數據塊中，分別起名為：“標準塊”、“測量塊”和“差值塊”，以備WINCC顯示。

4 WINCC組態

操作員畫面采用WINCC V6.0組態軟件，畫面可分為頁眉區顯示區、動態顯示輸入輸出區、打印區[4]。

頁眉顯示區用于顯示固定的標題時間信息；動態顯示區用于顯示軋輥于測量探頭的絕對位移值和輥面軸向移動的絕對位移值、不同規格輥形的單選I/O域、三行21個點位的測量凸度值和標準凸度值以及兩者差值的I/O域、一個顯示理想凸度和測量凸度以及探頭在線絕對值的三條曲線窗口；打印區域添加一個動態打印機按鈕對象，并從按鈕動態屬性中打開C-Script腳本編輯器，用C語言編寫腳本為打印硬拷貝顯示器屏幕的程序，即可將測量后的輥型曲線和參數等畫面打印成PDF電子文檔保存在電腦硬盤中，編寫程序如圖4，有利于保存和查閱[5]。

歷史數據歸檔曲線窗口腳本編輯器對三條曲線的變量值歸檔，有三種形式的歸檔，分別為連續歸檔、定時歸檔和事件觸發歸檔[6]。這里需要使用事件觸發歸檔，利用PLC采集到測量輥形的起始和中止或終止指令信號作為同步啟動和停止歷史數據變量的歸檔，這樣在歷史曲線窗口就可以同步看到測量輥形凸度時的曲線，并且在測量結束后曲線長時間地鎖定在畫面窗口供操作員觀看以及打印窗口用，而不會被持續地歸檔變量值刷新替代。否則，如果利用連續歸檔，在測量輥形開始的畫面能同步顯示出曲線變化圖形，但隨著測量結束，歸檔系統仍在對傳感器探頭變量值實際測量輥形輥面凸度值變量及標準輥形變量值進行歸檔，這樣畫面曲線隨著時間軸的移動，畫面上有限的顯示窗口會被測量后沒用的各變量值刷新替換掉，而之前測量的曲線圖也就看不見了同樣定時歸檔也不合適使用。WINCC畫面顯示效果如圖5。

圖4 WINCC畫面打印腳本程序

圖5 輥形測量打印出的PDF效果圖

5 總結

在這次改造項目中使用的西門子自動化軟件，由于項目本身的特殊性，在編程時也根據實際情況采用靈活的應用。首先是高精度二進制的模擬量數據的轉換、離散型數據轉換模擬形式數據供WINCC系統歸檔和顯示。其次在建立不同凸度規格軋輥的標準數據和實際測量數據以及差值數據的數據塊時還要分別建立一個公共的數據變量和對應的公共數據塊，這樣S7軟件編程根據用戶測量前選擇的某一凸度規格的軋輥，將該軋輥對應的數據塊包括實際測量值、標準值、差值輸送到公共的變量和公共數據塊中以供上位機WINCC系統查詢歸檔顯示。再次，歸檔腳本的編輯，要考慮到一個輥形凸度測量完要將實際值、標準值、絕對值三個變量曲線停留在窗口不消失，供用戶查看和打印，則WINCC歸檔組態時要注意，其屬性可分為“連續歸檔”、“定時歸檔”、“事件觸發歸檔”這三類，這里需要選擇第三種歸檔方式，同時需要WINCC程序建立兩個啟和停的信號變量，通訊聯絡對應PLC程序里的輥形測量動作的啟停和控制WINCC歸檔變量的啟停，這樣測量結束后的用于顯示歷史曲線的變量也即停止歸檔，完整的曲線圖形可以長時間停留在WINCC畫面窗口中，供操作手審看和打印操作。最后打印測量結果，為了便于存儲和管理，需編寫成打印屏幕為PDF文檔形式的腳本文件。

參考文獻：

［1］劉鍇，周海.深入淺出西門子S7-300PLC［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［2］蘇昆哲，何華.深入淺出西門子WINCC V6［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［3］王前厚.西門子WINCC從入門到精通［M］.北京：化學工業出版社，2017.

［4］姜建芳，曹瓊興，耿旭東，等.西門子WINCC組態軟件工程應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2015.

［5］田淑清，周海燕，趙重敏，等.C語言程序設計［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［6］蔣秀英，張建成.SQL Server 2000數據庫與應用［M］.北京：清華大學出版社，2006.