WinCC在重軌精整加工線控制系統中的應用

1 引言
近年來，隨著我國鐵路高速發展和國內外鋼軌生產廠家技術水平和生產能力的提高，重軌產品的質量要求也越來越嚴格。對于鞍鋼這樣一個以生產重軌為主的大型材軋鋼廠大型廠來說，設備與技術的落后嚴重制約著企業的發展。2001年，本著“高起點、少投入、快產出、高效益”的技改原則，運用當代世界領先技術，對大型廠重軌精整加工線進行了大規模技術改造，改造后的重軌生產線發生了全新變化，核心設備從國外引進，配套和附屬設備由鞍鋼自行設計制造，是我國目前唯一投入運行的一條具有世界先進水平的重軌生產線。由于當時工期緊張，而且改造后設備數量增加、控制復雜，使得重軌矯直、探傷、端部鋸切、鉆孔、淬火的生產線精整加工線生產設備監控系統沒有開發，給設備管理和維護帶來困難，嚴重影響了生產效率。
本文結合重軌加工線生產、設備的加工工藝，尤其是重軌精整加工線控制系統改造的特點，采用Siemens公司工業控制組態軟件，設計了基于WinCC的精整加工線設備監控系統，實現了設備的網絡化、信息化管理。

2 WinCC概述
將監控系統與原有控制系統功能分離，在PC基礎上的操作員監控系統近年來發展迅速。WinCC是一個集成的人機界面(HMI)系統和監控管理系統，是結合西門子公司產品、過程自動化領域中的先進技術和微機軟件技術的強大產品系列。WinCC即Windows Control Center(視窗控制中心)，它包括圖形設計器、報警記錄、變量記錄、報表、全局腳本、用戶管理等功能，使其具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、可靠的數據管理，它在Windows NT或Windows 2000標準環境中提供所有功能，并確保安全可靠地控制生產過程。
WinCC具有監控生產過程的強大功能。是基于個人計算機的數據采集與監視控制系統，它是以計算機為基礎的生產過程管理與調度自動化系統。它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備運行、參數調節以及各類信號報警等各項功能。WinCC具有廣泛的應用和較強的兼容性。它能提供成熟可靠的操作和高效的組態功能，同時具有靈活的配置能力。
WinCC一個主要特點是不但支持所有連接S1MATIC S5/S7/505控制器的通訊通道，還包括Profibus-DP、DDE、OPC等非特定控制器的通訊通道。

3 精整加工線
精整加工線生產設備由1套德國西馬克公司的矯直機系統、2臺美國CMI鋸鉆組合機床、4臺德國WGN鋸鉆組合機床、2個橫移臺架、3個淬火臺架及運輸輥道組成。其工藝布局如圖1所示:

圖1 精整加工線示意圖

精整加工的工藝流程為:重軌經平立復合矯直機矯直、矯后臺架緩沖、檢測中心探傷、橫移臺架緩沖、分1#線、2#線、改尺線(通常用于加工再制品)、進入鋸鉆組合機床對重軌端部鋸切、鉆孔、到達淬火臺架對重軌端部淬火、最后送入檢查臺架進行人工檢查。整個生產過程由9臺Siemens公司S7-300/400 PLC分區域控制，每部分采取I/O從站分布控制，通過Profibus-DP網與從站通訊、數據交換，實現對區域生產設備的操作和控制。

4 監控系統設計
為了保證整個系統的正常、穩定運行，在不改變原有網絡配置結構的前提下，將監控系統與原有控制系統功能分離，增加一臺工業計算機作為上位機執行顯示、操作、報警、儲存等，現有進行控制的PLC作為下位機執行保護、控制和數據的采集，脫離上位機也能獨立對系統進行控制，此時要考慮上、下位機通訊的要求。同時精整加工線監控系統內容龐大，工作量大，開發監控程序時要考慮調試時間的問題。
由于Siemens公司的WinCC和S7-300/400 PLC具有良好的兼容性，可以在不同通訊協議下同時進行數據采集。在設計精整加工線監控系統時，采用WinCC。新增的工業計算機采用Windows 2000操作系統，組態軟件為WinCC V5.0SP2中文版，編程軟件為Step7 V5.1SP4，通過CP5611通訊卡(MPI/PROFIBUS)和網卡與下位機通訊;下位機采用S7-300/400系列PLC，共9組。在考慮經濟性的前提下，同時采用MPI及以太網兩種協議與上位機通訊，既11#電磁站PLC及6臺鋸鉆組合機床PLC通過自身的MPI口與上位機CP5611通訊卡連接，組成MPI通訊網絡，節約7塊CP通訊板;矯直機PLC及4#電磁站PLC通過以太網通訊板CP443-1與上位機網卡連接，組成以太網。其通訊系統結構如圖2所示:

圖2 監控系統通訊結構圖

5 監控軟件設計
主控畫面分辨率的設置為1024×768像素。畫面顯示分成三部分:總覽部分、按鈕部分和現場畫面部分。總覽部分位于畫面上方，組態單位標識符、畫面主題、登陸用戶及PLC狀態顯示;現場部分位于畫面中央，組態主畫面及各個設備畫面，需要完成監控主畫面及各子畫面的切換工作，根據需要更換畫面窗口內顯示的內容實現對單臺設備進行更細致的顯示;按鈕部分位于畫面的下方，組態畫面中的固定按鈕、日期和時間以及報警狀態行。
精整加工線生產設備數量多，而且在一個水平面里布置，工藝連接密切，相互關聯，如采用傳統的顯示方法—分級在多張畫面內，則對一個不了解現場工藝的必然有一種工藝關聯不上條理不清的感覺。于是充分利用了WinCC最大可建4096×4096畫面的功能，在監控主畫面內突破通常畫面設計方式，以現場設備安裝位置為參考，將矯直機開始至淬火臺架的全部設備包含進來，非常直觀的再現設備運行及生產情況。如圖3所示。

圖3 監控系統主畫面圖
由于監控主畫面尺寸超過所使用圖形系統(監視器的顯示卡)的最大分辨率，可以使用畫面窗口滾動條、鼠標滾動顯示畫面的其余部分，利用縮放按鈕可以縮放現場畫面。主要功能包括:
(1) 將生產現場成比例在監控主畫面上放大或縮小顯示，即可以了解畫面上每個元件的詳細信息又可直觀了解生產工藝布局;
(2) 將監控主畫面中每臺運行設備(變頻器、無觸點、檢測元件、驅動元件等)都用規定顏色指示設備的當前工作狀態，如紅色表示故障、黃色表示報警、綠色表示運行等，一目了然;
(3) 在幫助中集成事故處理預案，指導維護人員快速準確處理設備故障;
(4) 將生產線上重軌以紫紅色線條表示，直觀展現重軌現場分布及加工情況，即使坐在辦公室也可掌握現場生產信息;
(5) 統計生產信息，如各區域產量、事故停機時間及計劃外非事故時間等統計，產生生產記錄，自動定時地存儲在電子表格Excel中，并利用OEE(設備整體效能)的計算方法及產量圖表對生產情況進行統計分析，為提高生產率提供理論依據;
(6) 對畫面上的設備分組并標注傳動號以區分及快速定位同類設備，為避免畫面雜亂，通過按鈕控制來顯示或隱藏傳動號等詳細信息。
在設備故障的分析及處理過程中，通常對生產情況、設備運行情況及操作情況了解、掌握的越多，故障的查找越快速、越準確。這樣，就需要對生產情況、設備運行情況及操作情況同時進行監控，但設備的畫面是按功能設計，不是大而全，所以不能在一個畫面里全部顯示，例如一個操作臺，可以控制幾組設備，要是將它在每個單體設備的畫面中顯示，工作量大且亂。利用彈出式窗口，通過拖動和縮放，將操作臺畫面及單體設備畫面在監控主畫面中以不同位置和形狀顯示出來，即實現多窗口同時監控，又能保證按功能設計畫面。如圖4所示:

圖4 多窗口同時監控畫面圖
在設備維護中需要將幫助信息集成在WinCC中，如設備事故預案、常見故障處理方法、對特定信號的說明等。直接在WinCC中創建窗口顯示這些信息，存在以下不足:編輯和查找都不方便、工作量大、畫面大小受限制，在一個畫面里存放內容有限、不能顯示圖文并茂或內容多的幫助信息。因此，可以考慮將幫助信息建成標準的Windows幫助文件，然后利用WinCC API功能調用顯示。

6 結束語
該監控系統運行以來，控制系統與監控系統一直穩定運行，對精整加工線的順利運行、設備監控、高產起到了非常重要的作用。而基于WinCC的監控系統大大降低了設備維護難度，給設備維護人員帶來了很大便利，提高了生產率。為以后自主開發更加完善的重軌加工線網絡化、信息化生產管理系統打下基礎。