WinCC在冷軋處理線監控系統中的應用

摘要：本文主要介紹了WinCC在冷軋硅鋼處理線中的應用，分析了系統的軟硬件結構和網絡系統，并對軟件功能進行了描述。
　　關鍵字：SACL；自動化；HMI；WinCC；工業以太網 　　
　　0．概述
　　冷軋電工鋼（硅鋼）連續退火涂層機組（SACL）是冷軋處理線中工藝最復雜、技術含量最高的機組，同時電工鋼也是冶金工業采用現代化技術最多、生產難度最大的品種，全世界只有少數工業發達國家可以生產，并實行技術壟斷。電工鋼的產量、品種、質量水平可視為國家是否有強大冶金工業的一個象征。目前國內只有武鋼、太鋼、寶鋼能生產，且都是從國外引進的技術和設備，而鞍鋼冷軋硅鋼廠No.1電工鋼SACL機組是國內第一條全部由國內設計、制造及軟件編程調試的SACL機組。
　　鞍鋼SACL機組是由中冶南方總承包，進行工藝設計、非標設備設計和自動化系統設計及軟件編程調試。HMI人機接口系統作為基礎自動化系統重要組成部分，用于控制系統的各種數據的設定、顯示、故障報警，以及相應的工藝操作和設備的在線調試及維護等，發揮越來越重要的作用。SACL機組的HMI系統信息都以友好界面提供給用戶。自動化控制 系統接收過程計算機（PCS）和生產操作工通過HMI畫面輸入的數據進行處理，處理后再將過程數據信息、機組狀態信息和各種檢測信息以符號、數值、棒圖和圖表的形式在HMI畫面上顯示。HMI操作站的設計目標以最少的設備數量提供最大可能的信息幫助操作人員和設備維護人員快速準確的了解機組當前狀態及其相關信息。
　　1. 硬件配置
　　硅鋼SCAL機組的工藝布置設有一個PLC室和兩個操作室（一個入口操作室及一個出口操作室）。根據自動化網絡結構要求，我們在PLC室設置了3COM SuperStack3 Switch 4200 24口中心交換機一臺，3COM OfficeConnet Switch 8口邊緣交換機兩臺，WinCC服務器一臺，工程師站一臺，便攜式編程器一臺，HP 5100網絡打印機（帶1塊10/100M自適應以太網卡）一臺。在入口操作室設有一臺WinCC操作站和一臺3COM 8口邊緣交換機。在出口操作室設有兩臺WinCC操作站和一臺3COM 8口邊緣交換機。HMI監控系統的中心交換機是SCAL機組基礎自動化（L1）數據交換的核心，我們在配置交換機時，采用了VLAN技術，將24口交換機按端口劃分，劃分了不同的兩個網段，分別連接著PLC控制器和WinCC操作站，同時還和過程計算機系統（L2）相連，接受L2機有關機組生產工藝的設定值。兩臺邊緣交換機放在PLC室的操作臺上用于連接PLC網段和PC機網段。
　　WinCC服務器和操作站的硬件配置為：
　　工業PC機
　　CPU Pentium IV 2.2GHz （Server）
　　CPU Pentium IV 2GHz （Client）
　　硬盤60G，軟驅1.44MB
　　RAM 1G（Server）；RAM 512M（Client）
　　CD-R/W （Server）
　　CD-ROM （Client）
　　64M緩存顯卡
　　17" 液晶顯示器
　　Intel 10/100自適應以太網卡（Client）
　　SIEMENS CP1613以太網卡 （Server）
　　工業防水鍵盤和軌跡球
　　入口操作室WinCC操作站，用于監視和控制入口段的機組運行狀況及設備運行狀況。出口操作室WinCC操作站，用于監視和控制工藝段和出口段的機組運行狀況和設備運行狀況。
　　2．網絡拓撲結構

　　SACL機組的基礎自動化網絡系統見上圖，我們選用的是AVAYA公司的超五類銅纜按568B的標準將4個S7-400 PLC控制器和1個S7-300F急停PLC控制器連到3COM中心交換機的PLC網段。工程師站、便攜編程器和HP網絡打印機也都采用雙絞線按568B的標準連到操作臺上PC機網段的邊緣交換機上。PLC控制器與WinCC Server之間采用SIMATIC工業以太網ISO協議通訊，WinCC Server與WinCC Client之間采用TCP/IP協議通訊。PLC室與兩個操作室之間通過光纜連接。PLC控制器與PLC控制器、傳動裝置、R I/O站通過PROFIBUS-DP現場總線連接。離PLC室較遠的R I/O站采用光纜和OLM光纖模塊連接。SCAL機組所有I/O點分布在機組全線的44個R I/O站里，通過PROFIBUS-DP網與PLC室的PLC控制器連接，故通訊網絡的可靠性決定了整個監控系統可靠運行。
　　3．軟件配置
　　自動化控制系統軟件采用SIEMENS 公司的PCS7 V5.2軟件包，PLC控制系統軟件采用STEP 7 V5.2版本編程，HMI監控系統采用WinCC V5.1版本編程。HMI服務器和操作站都是采用西文Windows 2000操作系統，具有開放的編程環境。WinCC V5.1中 Sybase SQL Anywhere 數據庫運行于服務器上，存儲在實時數據庫中的數據，可以通過多臺HMI Client實現數據實時交換。作為Client/Server結構，HMI上監控的數據全部通過服務器提交查詢、修改等指令，通過光纖以太網再傳送至PLC，完成對現場設備的在線監控與操作。
　　WinCC作為 HMI軟件系統，它將工廠控制軟件真正集成進自動化過程中。WinCC用戶友好組件允許新的或已存在的應用程序的無錯誤集成。WinCC，一個過程可視化應用程序能夠使用戶方便地觀察自動控制過程的全部特征。WinCC將Windows應用程序的體系結構和便于使用的圖形設計程序結合起來。 WinCC包括用于解決過程監控和控制任務的所有元素：
　　WinCC項目工程環境：
　　圖形 - 設計工廠現場
　　歸檔 - 將帶時間標識的數據/事件存儲到SQL數據庫
　　報表編輯器 - 為要求的數據產生報表
　　數 據管理器 - 定義并采集現場數據
　　WinCC運行系統：
　　允許在工廠現場或控制室的操作員與機械應用相互作用。
　　HMI的編程工具WinCC具有可擴充性、開放性：
　　基于客戶機/服務器模式
　　從簡單到復雜的任務擴充
　　集成ODBC/SQL數據庫
　　強大的標準接口（如OPC、OLE、ActiveX）
　　通用的腳本語言ANSI C
　　針對所有主要PLC廠商的通訊接口
　　4．功能描述
　　在SACL機組的監控系統中，下位機系統使用SIEMENS S7-400 PLC完成現場設備監測、數據處理；上位機系統采用SIEMENS WinCC V5.1平臺實現對現場數據可視化的監控。該系統上位機采用了客戶機/服務器的體系結構，WinCC服務器負責從下位機采集、處理和存儲數據；客戶機從服務器上共享/訪問數據庫，并進行數據的組態和運行監控，通過通信網絡將PLC控制器實時采集的數據進行各種處理，在上位機的顯示器畫面上顯示。PLC控制系統根據操作工從HMI、控制開關、按鈕的指令信號，進行現場設備控制。位于操作室和PLC室的WinCC操作站和WinCC服務器用于工藝控制，它們之間的通訊將通過開放、交換式的快速以太網實現。來自現場的執行機構和傳感器的信號被采集到相關的R I/O站，通過開放的PROFIBUS－DP網送至PLC控制系統。幾乎所有的操作都通過WinCC操作站的顯示器、鼠標和鍵盤來實現。
　　SACL機組的WinCC監控系統可以完成以下管理功能：
　　輸入原料鋼卷數據包括鋼卷號、鋼種、鋼卷尺寸等；
　　設定值和實際值的顯示（包括機組的入口段/工藝段/出口段速度、張
　　力的顯示）；
　　原料鋼卷數據的顯示和修改；
　　系統故障診斷顯示、記錄、報警及其故障報表；
　　用戶的權限管理。
　　SACL機組的WinCC軟件設計遵循以下原則：
　　畫面操作都使用鼠標和鍵盤完成；
　　從安全角度考慮，設備出現故障（設備為紅色）后必須在畫面上點擊
　　確認按鈕（設備為灰色）即故障確認后才能再次操作該設備；
　　從安全角度考慮，對于MCC設備在畫面都是分兩步來操作。第一步
　　選擇操作模式（運行、備用、停止），第二步選擇啟動或停止；
　　從安全角度考慮，對于采用VC或VVVF變頻設備在操作前必須先對
　　接觸器合閘后再對該設備操作；
　　畫面中設備的顏色標準化，每一種顏色代不同的含義：
　　On： 深綠
　　Off and ready for switching： 深灰
　　Off and not ready for switching： 藍
　　Warming： 黃
　　Alarm： 紅
　　Actual value： 青
　　Computer setpoint： 藍綠
　　Operator setpoint： 洋紅
　　Calculated value： 橙
　　Operation mode： 深洋紅
　　<1> WinCC畫面說明
　　所有畫面分成以下三個區域：


　　頂部標題區域顯示以下內容：
　　顯示公司標識
　　顯示工藝畫面名稱
　　顯示當前日期和時間
　　顯示當前計算機名和登錄用戶名
　　顯示HMI和PLC之間連接狀態
　　中間工藝畫面區域顯示以下內容：
　　顯示機組全線帶鋼跟蹤信息
　　顯示入/出口鋼卷跟蹤信息
　　顯示各種介質系統信息
　　顯示電機合閘信息
　　顯示電機的電流和轉速信息
　　顯示急停信息
　　顯示傳動設備診斷信息
　　顯示CPC/EPC設備狀態信息
　　顯示報警信息
　　底部功能按紐區域顯示以下內容：
　　該區域共有6個主菜單，它們是TRACKING、TECHNO、CSCD、DIAG、MISC、SYSTEM。
　　TRACKING包括6個子菜單共6幅畫面，它們是焊縫跟蹤系統、入口段帶鋼跟蹤系統、工藝段帶鋼跟蹤系統、出口段帶鋼跟蹤系統、入口段鋼卷跟蹤系統、工藝段鋼卷跟蹤系統、出口段鋼卷跟蹤系統；
　　TECHNO包括9個子菜單共42幅畫面，它們是堿液系統、涂層系統、風機系統、水淬和熱風干燥系統、液壓系統、線傳動電流和轉速系統、風機電流和轉速系統、爐輥電流和轉速系統、CPC/EPC系統；
　　CSCD包括6個子菜單共25幅畫面，它們是急停系統、線傳動系統、風機傳動系統、爐輥轉動系統、維護模式系統；
　　DIAG包括2個子菜單共9幅畫面，它們是分區診斷系統、傳感器檢測系統；
　　MISC包括5個子菜單共5幅畫面，它們是顏色說明、1～4圖 例符號說明表；
　　SYSTEM包括3個子菜單共2幅子畫面，它們是系統登錄；系統退出；打印功能。
　　SACL機組的監視畫面如下：

　　<2> 信息系統
　　在報警記錄里將所有的事件都集中歸檔，如系統信息、機組運行信息（包括張力建立信息、斷帶信息）、設備狀態信息、設備操作信息等。這些事件以消息的形式按時間順序直觀顯示出來，并可打印輸出。
　　在每一幅畫面最下面一行是信息欄，該欄始終顯示在畫面前端，可以幫助操作人員和設備維護人員及時快速地了解機組及相關設備情況。為了獲得機組情況的完整概貌，可以調用消息畫面。它顯示歸檔中的全部消息。

　　<3> 權限管理
　　SACL機組WinCC系統設置了各層管理權限，操作人員或系統管理人員進入WinCC 實時監控系統必須先登錄，通過不同身份用戶的安全級別進行權限控制。從而保證系統的正常操作，防止越權操作。

　　一旦進入WinCC 實時監控系統后，實時監控畫面是在滿屏方式下運行，非管理員身份的用戶按鍵盤上任何鍵是無法退出WinCC實時運行畫面或切換到其它窗口，只有管理員身份的用戶才有權限退出WinCC 實時監控系統。
　　5．結束語
　　綜上所述，鞍鋼SACL機組WinCC監控系統在網絡硬件和軟件控制思想方面都有一定的先進性，對其它冷軋處理線都有值得借鑒和學習地方。通過對硅鋼處理線自動化系統的集成降低了整個生產線操作故障率與操作工地勞動強度，提高了勞動生產率。由于該機組自動化水平較高，使得整個生產線只有5個操作工負責操作和生產。目前該系統已于2004年8月調試完成，系統運行穩定。