基于WinCC的港口移動機械監控系統的設計與應用

項目所在地位于深圳市鹽田區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。由于現場監控設備的類型和數量很多，因此為了統一數據采集的接口，港口大型移動機械監控系統以工業實時以太網為基礎，通過OPC的通訊方式采集各個類型PLC的數據。然后WinCC以OPC客戶端的方式讀取OPC服務器中的數據，并通過無線模式將數據發送到移動手持終端上，從而實現堆港口大型移動機械設備的實時數據采集和狀態監控。

2.1 系統需求

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

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

（2）所有岸橋和場橋的數據必須通過統一的通訊協議采集到同一監控平臺上。

（3）服務器通過WinCC的B/S模式，利用無線以太網絡將項目發布到現場的移動手持終端（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控數據并進行必要的控制；

2.2 控制系統構成

除以上所描述的系統需求外，現場邏輯控制和采集系統的硬件組成由下圖加以說明：

（1）系統中所有PLC均通過有線或無線的方式接入到現有的以太網絡中；

（2）1#、2#和3# 為OPC服務器，在采集PLC數據的同時提供OPC服務；

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

（4）6# 為WinCC Client & WEB Server服務器，負責將采集到的數據以WEB的方式發送出去；

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

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

3.1 數據采集功能的實現

3.1.1 OPC方式采集現場PLC數據

由于本系統涉及的PLC型號眾多，因此采用目前比較成熟的OPC通訊技術實現對數據的采集。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中的數據。同時，WinCC作為OPC Client從OPC服務器中統一讀取實時數據。

3.1.2 WinCC結構變量和畫中畫的方式處理數據

本系統監控的港口機械主要由岸橋和場橋兩種組成。同類機械的監控信息和畫面布局基本一致，因此在組態時可以運用畫面模版和結構變量的設計方法實現對同類機械的數據采集和監控。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

由于系統涉及的設備眾多，監控數據十分龐大，因此為了保證系統的穩定運行，我們采用將WinCC的畫面組態與數據采集相分離，且在數據采集中將報警數據與生產數據信息相分離，從而保證系統的穩定性和可靠性。

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生成服務器數據包，生成數據包完成后設置數據更新的方式，即完成服務器的組態。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，然后利用網上鄰居的方式將服務器的的數據包導入到客戶機工程中，這樣完成客戶機工程的組態。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

3.3.1 WinCC B/S網絡的設置

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

（1）港口機械設備網絡與無線局域網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絡系統的安全在防火墻中禁用了網絡鄰居的協議；

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

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

（4）無線局域網采用2.4GHz頻段，傳輸的速率在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps和1Mbps中切換，一般在工作在2Mbps和1Mbps；

（5）無線局域網中運行的設備已經達到800多臺設備。

由于防火墻禁用網絡鄰居協議因此MPC（Mobile Personal Computer）無法在無線局域網絡內實現與港口機械設備網絡內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開通了該網絡端口。因此，本系統采用WinCC的B/S傳輸模式實現對遠程實時數據的顯示和管理。

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

同時由于應用該網絡的設備已經達到800多臺，因此可用的網絡資源十分有限。為了保證本系統的可靠性、穩定性和實時性，就需要獲取相對穩定的網絡帶寬，而網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的形式發布到無線網絡上，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，創建Web發布的站點，設置IIS服務生成動態網頁瀏覽（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。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，系統會提示用戶下載和安裝用于WinCC Web發布的客戶端控件，然后設置IE的安全權限，即完成客戶機端的組態。如圖5所示。再次輸入Web服務器的IP地址即實現WinCC的B/S瀏覽模式。

圖5 B/S模式客戶端設置

在本套數據采集與監控系統中，集中體現了WinCC的三大特點：其一，由于監控的數據量很大，而且具有一定的規律性，在變量處理上充分利用WinCC結構變量的功能；其二，由于監控畫面具有一定的相似性，因此在畫面組態上充分利用了畫面模版和畫中畫的功能；其三，在監控結構層次的實現中不僅使用了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，將現場監控和數據分析兩大功能很好的展示出來，在目前高度集成化的工業現成扮演了及其重要的角色。