基于WinCC的港口移動機械監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用

項目所在地位于深圳市鹽田區(qū)鹽田國際集裝箱碼頭有限公司(YICT)。其港口大型機械主要包括岸橋（岸邊橋式集裝箱起重機）和場橋（堆場橋式集裝箱起重機），兩種大型機械的控制系統(tǒng)主要由GE9030/9070、YASKAWA CP317/CP316、FUJI70/120和ABB AC800M等四個系列的PLC組成，總計192臺。由于現(xiàn)場監(jiān)控設備的類型和數(shù)量很多，因此為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集的接口，港口大型移動機械監(jiān)控系統(tǒng)以工業(yè)實時以太網(wǎng)為基礎，通過OPC的通訊方式采集各個類型PLC的數(shù)據(jù)。然后WinCC以OPC客戶端的方式讀取OPC服務器中的數(shù)據(jù)，并通過無線模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動手持終端上，從而實現(xiàn)堆港口大型移動機械設備的實時數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)控。

2.1 系統(tǒng)需求

基于鹽田國際集裝箱碼頭現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)絡所覆蓋的有效工作范圍內，本系統(tǒng)需要滿足和實現(xiàn)如下功能：

（1）系統(tǒng)中所有的岸橋和場橋必須組網(wǎng)進入港口大型移動機械監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱MCMS（Mobile Crane Monitoring System））；

（2）所有岸橋和場橋的數(shù)據(jù)必須通過統(tǒng)一的通訊協(xié)議采集到同一監(jiān)控平臺上。

（3）服務器通過WinCC的B/S模式，利用無線以太網(wǎng)絡將項目發(fā)布到現(xiàn)場的移動手持終端（MPC）上。

（4）工程人員能通過手持MPC（Mobile Personal Computer）利用YICT的無線局域絡，從服務器上讀取各岸橋和場橋的監(jiān)控數(shù)據(jù)并進行必要的控制；

2.2 控制系統(tǒng)構成

除以上所描述的系統(tǒng)需求外，現(xiàn)場邏輯控制和采集系統(tǒng)的硬件組成由下圖加以說明：

（1）系統(tǒng)中所有PLC均通過有線或無線的方式接入到現(xiàn)有的以太網(wǎng)絡中；

（2）1#、2#和3# 為OPC服務器，在采集PLC數(shù)據(jù)的同時提供OPC服務；

（3）4# 、5# 分別為WinCC報警和實時數(shù)據(jù)采集服務器從OPC服務器獲取數(shù)據(jù)，同時還作為WinCC Server發(fā)送數(shù)據(jù)；

（4）6# 為WinCC Client & WEB Server服務器，負責將采集到的數(shù)據(jù)以WEB的方式發(fā)送出去；

（5）最后，現(xiàn)場的手持移動終端作為WEB Client接收并顯示來自WEB服務器上的數(shù)據(jù)；

MCMS系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要由以下步驟組成：即首先現(xiàn)場不同型號的PLC數(shù)據(jù)會被采集到指定的OPC服務器中，其次WinCC 報警采集服務器和WinCC實時數(shù)據(jù)采集服務器作為OPC客戶端讀取OPC服務器中的數(shù)據(jù)，再次WinCC C/S客戶端在讀取WinCC OPC客戶端數(shù)據(jù)的同時將其以WEB的形式發(fā)送出去，最后手持移動終端作為WEB客戶端讀取并顯示從WEB服務器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)

3.1.1 OPC方式采集現(xiàn)場PLC數(shù)據(jù)

由于本系統(tǒng)涉及的PLC型號眾多，因此采用目前比較成熟的OPC通訊技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。在OPC服務器中安裝Citect、KEP Server和ABB OPC Server三種軟件分別采集GE9030、YASKAWA、FUJI和ABB四種型號PLC中的數(shù)據(jù)。同時，WinCC作為OPC Client從OPC服務器中統(tǒng)一讀取實時數(shù)據(jù)。

3.1.2 WinCC結構變量和畫中畫的方式處理數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)監(jiān)控的港口機械主要由岸橋和場橋兩種組成。同類機械的監(jiān)控信息和畫面布局基本一致，因此在組態(tài)時可以運用畫面模版和結構變量的設計方法實現(xiàn)對同類機械的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。即在顯示同類機械中不同編號的港口設備時，只需編輯一套畫面和一段腳本程序，通過更改結構變量的前綴來完成對變量的采集和監(jiān)控。以下是以17號岸橋為例按鈕腳本程序：

#include "apdefap.h"

void onClick(char* lpszPictureName, char* lpszObjectName, char* lpszPropertyName)

{

SetTagByte("QC_num",17);

OpenPicture("QCstart.Pdl");

SetPropChar("QCstart.Pdl","PW","TagPrefix","QC17.");

SetPropChar("QCstart.Pdl","PW","PictureName","QC_GE_View.Pdl");

SetPropChar("QCstart.Pdl","ButtonPic","TagPrefix","QC17.");

SetPropChar("QCstart.Pdl","ButtonPic","PictureName","QC_GE_Button.Pdl");

SetPropChar("QCstart.Pdl","Alarm","MsgFilterSQL","TEXT4 LIKE 'QC17'");

}

3.2 WinCC C/S模式實現(xiàn)

由于系統(tǒng)涉及的設備眾多，監(jiān)控數(shù)據(jù)十分龐大，因此為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，我們采用將WinCC的畫面組態(tài)與數(shù)據(jù)采集相分離，且在數(shù)據(jù)采集中將報警數(shù)據(jù)與生產數(shù)據(jù)信息相分離，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2.1 服務器端的設置

首先服務器端需安裝WinCC Server的授權，同時在項目中注冊訪問服務器的客戶端名稱，其次將計算機設置為WinCC多用戶模式并配置遠程管理權限1000和1001，最后點擊Server Data生成服務器數(shù)據(jù)包，生成數(shù)據(jù)包完成后設置數(shù)據(jù)更新的方式，即完成服務器的組態(tài)。其過程如圖2所示：

圖2 C/S模式服務器設置

3.2.2 客戶機端的設置

將服務器的工程復制到客戶機上，刪除工程中所有的外部變量和報警，同時將工程設置成客戶機工程，然后利用網(wǎng)上鄰居的方式將服務器的的數(shù)據(jù)包導入到客戶機工程中，這樣完成客戶機工程的組態(tài)。其過程如圖3所示：

圖 3 C/S模式客戶機設置

3.3 WinCC B/S模式實現(xiàn)

3.3.1 WinCC B/S網(wǎng)絡的設置

由于本系統(tǒng)建立在已有的鹽田國際網(wǎng)絡系統(tǒng)之中，該網(wǎng)絡主要有以下三個部分組成：公司的辦公網(wǎng)絡，港口機械設備網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡。本系統(tǒng)主要涉及到的網(wǎng)絡為港口機械設備網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)絡。而這兩部分的網(wǎng)絡具有如下特點：

（1）港口機械設備網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)之間有硬件防火墻的隔離連接，同時鹽田國際集裝箱碼頭為了保證網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全在防火墻中禁用了網(wǎng)絡鄰居的協(xié)議；

（2）無線局域網(wǎng)絡主要應用于集裝箱信息管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)在無線端部分借用該網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸；

（3）港口機械設備網(wǎng)絡與無線局域網(wǎng)不再同一網(wǎng)段內，分屬于兩個不同的網(wǎng)絡系統(tǒng)；

（4）無線局域網(wǎng)采用2.4GHz頻段，傳輸?shù)乃俾试?1Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps中切換，一般在工作在2Mbps和1Mbps；

（5）無線局域網(wǎng)中運行的設備已經(jīng)達到800多臺設備。

由于防火墻禁用網(wǎng)絡鄰居協(xié)議因此MPC（Mobile Personal Computer）無法在無線局域網(wǎng)絡內實現(xiàn)與港口機械設備網(wǎng)絡內WinCC服務器之間的遠程C/S模式，而WinCC B/S模式只需要開通通用的IE瀏覽器端口號（80）即可，而鹽田國際的防火墻已經(jīng)開通了該網(wǎng)絡端口。因此，本系統(tǒng)采用WinCC的B/S傳輸模式實現(xiàn)對遠程實時數(shù)據(jù)的顯示和管理。

由于港口機械設備網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)絡不在同一網(wǎng)段內，因此需要將港口機械設備網(wǎng)絡內WinCC Web服務器的IP地址映射到無線局域網(wǎng)的網(wǎng)段上，實現(xiàn)通訊連接。同時將MPC中的無線網(wǎng)卡按照無線局域網(wǎng)的相關配置設置連接網(wǎng)絡名及登錄用戶密碼，完成MPC進網(wǎng)配置。

同時由于應用該網(wǎng)絡的設備已經(jīng)達到800多臺，因此可用的網(wǎng)絡資源十分有限。為了保證本系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實時性，就需要獲取相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡帶寬，而網(wǎng)絡帶寬的大小取決于無線信號的強度，強度越強，獲取的帶寬越大。因此本項目中將MPC的無線網(wǎng)卡設置外接天線，同時在裝有MPC的小車外部安裝車載天線，從而有效的解決了無線信號的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3.2 服務器端的設置

要將WinCC項目以Web的形式發(fā)布到無線網(wǎng)絡上，服務器端還需安裝西門子的Web Navigator軟件和授權，同時開啟操作系統(tǒng)的IIS服務。在安裝軟件的過程中按照提示步驟需要設置Web服務器的IP地址和輸出端口號，創(chuàng)建Web發(fā)布的站點，設置IIS服務生成動態(tài)網(wǎng)頁瀏覽（ASP），最后配置客戶端的用戶訪問權限即完成服務器端的組態(tài)。如圖4所示。

圖 4 B/S模式服務器端設置圖

3.3.3 客戶機端的設置

在客戶機（MPC）上直接運行IE瀏覽器，輸入在服務器上配置的用戶名和密碼后，系統(tǒng)會提示用戶下載和安裝用于WinCC Web發(fā)布的客戶端控件，然后設置IE的安全權限，即完成客戶機端的組態(tài)。如圖5所示。再次輸入Web服務器的IP地址即實現(xiàn)WinCC的B/S瀏覽模式。

圖5 B/S模式客戶端設置

在本套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中，集中體現(xiàn)了WinCC的三大特點：其一，由于監(jiān)控的數(shù)據(jù)量很大，而且具有一定的規(guī)律性，在變量處理上充分利用WinCC結構變量的功能；其二，由于監(jiān)控畫面具有一定的相似性，因此在畫面組態(tài)上充分利用了畫面模版和畫中畫的功能；其三，在監(jiān)控結構層次的實現(xiàn)中不僅使用了WinCC的C/S架構和B/S架構，在集成第三方控制產品所使用的OPC技術方面也顯示了較高的性能，且運行可靠，維護性高，將現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析兩大功能很好的展示出來，在目前高度集成化的工業(yè)現(xiàn)成扮演了及其重要的角色。