基于WINCC的真空鍍膜控制系統(tǒng)優(yōu)化

劉海靜，高澤天,孫成愷，李燦倫，王國(guó)防

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

引言

真空鍍膜作為真空應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)金屬化最有效的重要新型技術(shù),將先進(jìn)成熟的工業(yè)控制技術(shù)，及穩(wěn)定可靠的工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于真空鍍膜控制系統(tǒng)中，能夠更可靠地采集并存儲(chǔ)過程數(shù)據(jù)，及時(shí)分析并得到高性能的優(yōu)化指標(biāo)。這種高度集成的人性化設(shè)計(jì)大大滿足了優(yōu)化需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)管理、控制一體化[1]。

本文以某型號(hào)真空鍍膜系統(tǒng)的真空及濺射系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為背景，針對(duì)真空鍍膜系統(tǒng)中滿足真空度等工藝參數(shù)要求，設(shè)計(jì)并實(shí)施了基于西門子1500系列高性能PLC和WinCC可視化信息管理平臺(tái)于一體的控制系統(tǒng)，完成了對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和工藝全程各控制難點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和全流程自動(dòng)化控制，針對(duì)后期工藝技術(shù)分析具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體網(wǎng)絡(luò)

真空鍍膜系統(tǒng)產(chǎn)線結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)備種類與數(shù)量多，控制要求精度高、系統(tǒng)要求響應(yīng)快。整個(gè)系統(tǒng)由CPU1516-3系列PLC作為主站，采用分布式結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境具有電氣兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，配置SIMATIC ET200SP子站，為保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，提升通訊速率，主站與子站通過西門子交換機(jī)完成Profinet網(wǎng)絡(luò)連接，完成數(shù)據(jù)交互，安全可靠，拓?fù)鋱D如圖1。通過PLC采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)及組網(wǎng)內(nèi)通訊設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)等數(shù)字信號(hào)及模擬量信號(hào)。

其中，人機(jī)交互界面WINCC與1516-3系列PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，最大通訊波特率100 Mbps。整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，并擁有良好的系統(tǒng)開放性[2]。

1.2 系統(tǒng)功能

整個(gè)系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)與監(jiān)控級(jí)，根據(jù)功能需求，保證系統(tǒng)靈活可靠的原則進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，相互的獨(dú)立性能夠保證各模塊件互不干擾，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)功能圖如圖2。

1）建立用戶登錄權(quán)限管理，根據(jù)需求進(jìn)行數(shù)字量輸出及模擬量輸出的參數(shù)設(shè)定，數(shù)字量輸入及模擬量輸入的參數(shù)顯示。通過變量表作為媒介建立S7-1500驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的外部變量表，外部變量根據(jù)底層PLC采集模塊數(shù)據(jù)類型進(jìn)行定義。

2）通過畫面設(shè)計(jì)，將真空鍍膜系統(tǒng)設(shè)備管控、操作記錄、參數(shù)報(bào)表查詢及打印、報(bào)警系統(tǒng)管理等功能實(shí)現(xiàn)全流程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3）數(shù)據(jù)歸檔功能，系統(tǒng)工藝參數(shù)包括水壓、氣壓、冷水機(jī)溫度、各級(jí)真空度、分子泵轉(zhuǎn)速、低溫泵冷頭溫度、濺射電壓/電流等數(shù)據(jù)及系統(tǒng)操作記錄歸檔。利用C Script語言方便調(diào)用SQL語句，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4）報(bào)警記錄統(tǒng)計(jì)，根據(jù)功能要求，相應(yīng)水壓、氣壓具有限制報(bào)警功能，對(duì)一些重要的參數(shù)及故障信號(hào)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警功能。自動(dòng)統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警及故障提示，報(bào)警及操作記錄實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

西門子PLC編程采用TIA V14編程軟件。采用模塊化結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)采用塊的編程方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最終組成完整的系統(tǒng)程序。其中PLC硬件配置見表1。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WinCC是Windows Control Center（視窗控制中心）的簡(jiǎn)稱，作為西門子公司的上位機(jī)組態(tài)軟件，可實(shí)現(xiàn)過程可視化需求，具有適用于個(gè)性化的圖形顯示、故障消息報(bào)警、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)歸檔功能，以及報(bào)表打印功能[3]。本系統(tǒng)采用WINCC7.2軟件具有圖形庫(kù)豐富，畫面美觀大方，運(yùn)用靈活特點(diǎn)，實(shí)施中極大提高了試驗(yàn)效率，有效的解決了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無法采集及控制的多個(gè)問題。整個(gè)工藝流程控制界面在WINCC7.2環(huán)境下開發(fā)完成，通過與PLC間S7驅(qū)動(dòng)程序中的TCP/IP通道實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)監(jiān)控主界面分為6個(gè)部分，包括真空抽氣系統(tǒng)、濺射系統(tǒng)、IO表監(jiān)視、報(bào)警顯示、報(bào)表歸檔、操作記錄等，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)任務(wù)。具備高采集及處理速度，大規(guī)模數(shù)據(jù)采集，及有效集成VB腳本完成復(fù)雜算法的功能，界面美觀，操作方便。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 系統(tǒng)功能圖

表1 PLC主要硬件配置清單

2.1 界面實(shí)現(xiàn)

真空鍍膜控制系統(tǒng)的要求是對(duì)真空抽氣系統(tǒng)及濺射系統(tǒng)的設(shè)備控制，包括滑閥泵、羅茨泵、低溫泵、分子泵及管路配置的抽氣閥門、放氣閥的控制及濺射系統(tǒng)參數(shù)配置。該系統(tǒng)上位機(jī)基于WINCC平臺(tái)搭建的操作主畫面，如圖3。畫面各設(shè)備顯示顏色根據(jù)設(shè)備的不同狀態(tài)進(jìn)行變化，具備動(dòng)畫顯示效果。

上位機(jī)WINCC監(jiān)控系統(tǒng)主畫面實(shí)時(shí)監(jiān)視當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行中主要設(shè)備參數(shù)（水壓、真空度、氣壓、流量等）設(shè)備啟停操作功能。各設(shè)備所在位置會(huì)彈出操作控制對(duì)話框顯示各泵組、閥門相關(guān)狀態(tài)信息及操作按鈕，控制各閥門及泵組的啟停。各設(shè)備間邏輯控制連鎖功能在底層PLC中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)歸檔

用戶歸檔可方便地用于真空抽氣系統(tǒng)中環(huán)境參數(shù)（包括現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)冷卻水水壓，冷卻水溫度、氣源壓力）、真空環(huán)境真空度等試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)歸檔、在線表格查看等領(lǐng)域[4]。WINCC的用戶歸檔特點(diǎn)通過編寫VBS/C程序?qū)ψ詭Х庋b的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢等功能。

本文基于利用報(bào)警記錄實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)各泵組及閥門在整個(gè)試驗(yàn)過程中的操作過程歸檔并記錄，同時(shí)完成真空抽氣系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)及過程真空度參數(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)歸檔和查詢。1）創(chuàng)建記錄變量

圖3 操作主畫面

首先在報(bào)警記錄編輯器中組態(tài)系統(tǒng)塊、用戶文本塊及過程值塊。此功能將從SQL中讀取報(bào)警記錄中的用戶文本塊及系統(tǒng)塊的內(nèi)容。將操作過程中的二進(jìn)制變量完成組態(tài)，通過變量記錄，可方便地完成采樣周期的靈活設(shè)置。同時(shí)完成操作過程記錄消息文本組態(tài)過程。

2）操作過程記錄

在報(bào)警記錄中完成操作過程的狀態(tài)確認(rèn)組態(tài)，同時(shí)生成操作記錄編號(hào)；在用戶文本庫(kù)中完成操作記錄界面過程操作記錄添加，生成唯一的ID號(hào)。用于C腳本編制索引編號(hào)，配置界面如圖4所示。

通過WINCC V7.2自帶標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)GCreateMyOperationMsg函數(shù)，在設(shè)備操作按鈕的C腳本中，完成試驗(yàn)中操作過程的記錄配置。如圖5所示為操作記錄顯示畫面，其中操作記錄部分C腳本實(shí)現(xiàn)如下：

本系統(tǒng)中根據(jù)試驗(yàn)過程抽真空階段，通過設(shè)備操作開啟到滿足試驗(yàn)真空度要求階段時(shí)間統(tǒng)計(jì)，可以進(jìn)一步分析設(shè)備系統(tǒng)整體抽氣能力，為設(shè)備功能性分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 權(quán)限設(shè)置

為保證安全生產(chǎn)監(jiān)督，采用C腳本為系統(tǒng)關(guān)鍵操作編制了操作權(quán)限級(jí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)訪問用戶進(jìn)行管理：操作員、管理員、程序員。操作員級(jí)別，只能操作設(shè)備及查看數(shù)據(jù)及曲線等功能，無權(quán)退出系統(tǒng)運(yùn)行及系統(tǒng)重要參數(shù)的操作。管理員級(jí)別，具備操作員級(jí)別的所有權(quán)限，同時(shí)允許對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)允許從整個(gè)操作監(jiān)控系統(tǒng)退出運(yùn)行。程序員級(jí)別，具備管理員級(jí)別的所有權(quán)限，并能夠?qū)φ麄€(gè)項(xiàng)目進(jìn)行編輯及歸檔管理，及報(bào)警系統(tǒng)管理設(shè)置。用戶在登錄界面根據(jù)不同權(quán)限，輸入用戶名和密碼進(jìn)行登錄。

2.4 報(bào)表查詢

由于真空鍍膜中真空及濺射系統(tǒng)涉及基礎(chǔ)自動(dòng)化PLC控制，不涉及上級(jí)二級(jí)機(jī)計(jì)算機(jī)服務(wù)器完成數(shù)據(jù)庫(kù)管理，由于WINCC內(nèi)嵌SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，可以在基礎(chǔ)自動(dòng)化部分完成真空度等模擬量參數(shù)的報(bào)表及打印工作[5]。

首先通過WINCC的變量編輯器建立內(nèi)部變量，與PLC控制器中的變量進(jìn)行連接。通過報(bào)表編輯器，建立真空度等參數(shù)的報(bào)表頁(yè)面布局。用系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)表格，將動(dòng)態(tài)對(duì)象與內(nèi)部變量連接起來。最終通過在線表格控件和在線趨勢(shì)控件實(shí)現(xiàn)在報(bào)表中顯示值為PLC控制器從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的實(shí)際值并進(jìn)行自動(dòng)顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)后進(jìn)一步處理。報(bào)表查詢界面如圖6所示。

如需打印報(bào)表，可以建一個(gè)打印作業(yè)，在其屬性中布局選擇所需要的布局，連接打印機(jī)即可完成真空度、溫度及壓力等參數(shù)報(bào)表打印。

圖4 操作記錄

圖5 操作記錄

圖6 報(bào)表查詢界面

3 結(jié)束語

系統(tǒng)采用西門子S7-1500系列PLC作為核心控制器，通過WINCC上位機(jī)組態(tài)軟件開發(fā)搭建的上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄過程及整體設(shè)備的操作記錄，監(jiān)控畫面形象、友好，極大地方便了試驗(yàn)操作員的運(yùn)行操作，提高了工作效率；通過不同級(jí)別的用戶權(quán)限設(shè)置，對(duì)訪問者進(jìn)行設(shè)限，降低了訪問者誤操作的風(fēng)險(xiǎn)；通過數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，通過報(bào)警及操作記錄查詢，查看歷史操作過程記錄，做到有據(jù)可循。目前，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可視化集中監(jiān)控，設(shè)計(jì)及實(shí)施中各項(xiàng)功能達(dá)到了系統(tǒng)要求，在真空鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量合格率上得到了有效的提升，在保證鍍膜產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上極大地提升了設(shè)備利用效率。