SAWL焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

賀松松，韓智杰，李　軍，魯傳林

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300270）

SAWL焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

賀松松1，韓智杰2，李軍1，魯傳林1

（1.渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司，天津 300270）

通過對SAWL焊管生產(chǎn)線工藝流程和控制要求的了解與分析，以技術(shù)實現(xiàn)的可能性和有效性為基礎(chǔ)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和OPC技術(shù)實現(xiàn)WinCC 7.0與PLC的數(shù)據(jù)通信，完成生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)；成功設(shè)計開發(fā)出生產(chǎn)現(xiàn)場物料分布狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控、設(shè)備啟停機(jī)狀態(tài)實時監(jiān)控、設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)實時趨勢、設(shè)備參數(shù)報警等功能，并基于Web發(fā)布技術(shù)實現(xiàn)通過IE瀏覽器對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。

SAWL焊管生產(chǎn)線；數(shù)據(jù)采集；實時監(jiān)控；工業(yè)以太網(wǎng)；OPC技術(shù)；WinCC 7.0

伴隨著國內(nèi)管道建設(shè)高峰期的到來，各大鋼管制造企業(yè)紛紛引進(jìn)國外先進(jìn)的自動化設(shè)備以提高產(chǎn)品質(zhì)量和市場競爭力。但是與國外同行業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)管理水平仍存在著較大差距。國外企業(yè)通過數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r掌控整個生產(chǎn)線各主機(jī)設(shè)備的運行參數(shù)、設(shè)備故障報警信息、生產(chǎn)線流程狀況等，在極大程度上保證了產(chǎn)品質(zhì)量，并為設(shè)備故障診斷提供了可靠保障，同時提高了企業(yè)的生產(chǎn)管理水平，保證了企業(yè)效益的大幅度提升［1-3］；因此，為了提高國內(nèi)直縫埋弧焊（SAWL）管生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平，亟需建設(shè)一套數(shù)據(jù)采集與實時監(jiān)控系統(tǒng)。

1　總體設(shè)計思路

本設(shè)計采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和國際標(biāo)準(zhǔn)的OPC （OLE for Process Control，用于過程控制的對象鏈接和嵌入）通信技術(shù)與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時結(jié)合西門子WinCC 7.0工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)生產(chǎn)線物料分布狀況實時監(jiān)控、設(shè)備開停機(jī)監(jiān)控、設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)實時趨勢圖、設(shè)備故障報警等功能。生產(chǎn)線中心調(diào)度室可通過WinCC 7.0客戶端直接對系統(tǒng)進(jìn)行訪問。通過對本系統(tǒng)進(jìn)行Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使企業(yè)技術(shù)管理人員能夠從辦公網(wǎng)絡(luò)對本系統(tǒng)進(jìn)行安全訪問。同時，本系統(tǒng)在設(shè)計時為渤海石油裝備制造有限公司MES系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）預(yù)留數(shù)據(jù)接口，并通過網(wǎng)閘安全隔離設(shè)備對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行安全隔離后為MES系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)。

2　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：控制層網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)。控制層網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)，連接生產(chǎn)線各設(shè)備的PLC接口；生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)用于連接OPC客戶端，與控制層網(wǎng)絡(luò)之間通過網(wǎng)閘進(jìn)行物理安全隔離，從而為MES系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口；辦公網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的Web訪問。

為保證控制層網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的安全隔離，保證整個網(wǎng)絡(luò)的安全性，同時還要保證信息溝通、實現(xiàn)信息共享，需要在生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)與辦公網(wǎng)絡(luò)之間增加一套防火墻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全隔離；在生產(chǎn)執(zhí)行層網(wǎng)絡(luò)與控制層網(wǎng)絡(luò)之間增加一套網(wǎng)閘，對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全隔離。SAWL焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　SAWL焊管生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3　PLC系統(tǒng)改造

由于生產(chǎn)線自動化控制系統(tǒng)均采用西門子S7-300、S7-400，為保證其均能通過OPC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此需要對PLC控制系統(tǒng)建立工業(yè)以太網(wǎng)通信，PLC系統(tǒng)通過工業(yè)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行連接，從而構(gòu)成控制層工業(yè)以太網(wǎng)［4-5］。由于部分PLC系統(tǒng)不具備工業(yè)以太網(wǎng)通信條件，因此需要對其增加工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊，S7-300系統(tǒng)增加CP343-1模塊，S7-400系統(tǒng)增加CP441-1模塊。通過西門子Step7編程軟件對PLC系統(tǒng)進(jìn)行編程，首先在硬件編程中添加CP343-1/CP441-1模塊，且訂貨號應(yīng)與實際以太網(wǎng)模塊完全一致，并對以太網(wǎng)模塊屬性參數(shù)按照預(yù)定IP地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程，從而完成PLC系統(tǒng)改造。PLC系統(tǒng)以太網(wǎng)模塊配置如圖2所示。

圖2　PLC系統(tǒng)以太網(wǎng)模塊配置

4　系統(tǒng)設(shè)計

西門子WinCC 7.0是德國西門子公司開發(fā)的工業(yè)組態(tài)軟件，集成了SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）、界面組態(tài)、腳本語言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，具有強(qiáng)大的畫面編輯、腳本、報警、趨勢等功能，其主要用于對生產(chǎn)過程進(jìn)行實時監(jiān)控。本設(shè)計選用WinCC 7.0工業(yè)組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺，以實現(xiàn)生產(chǎn)線狀態(tài)實時顯示、設(shè)備運行參數(shù)趨勢圖、設(shè)備運行參數(shù)報警、Web發(fā)布等功能［6-8］。

4.1系統(tǒng)變量配置

在WinCC 7.0新建工程中的變量管理器添加Simatic S7 Protocol Sutie驅(qū)動。由于本系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)的OPC通信協(xié)議，因此需要在TCP/IP驅(qū)動中建立連接項；由于生產(chǎn)線共有48套PLC控制系統(tǒng)，因此需要分別建立48個連接項，且均以各臺設(shè)備名稱命名，并在屬性中將IP地址項設(shè)置為對應(yīng)設(shè)備PLC的IP地址［9-10］。在各設(shè)備對應(yīng)的連接項中建立變量參數(shù)，各變量參數(shù)地址為相應(yīng)設(shè)備PLC的輸入/輸出地址，變量參數(shù)主要包括編碼器、智能儀表、設(shè)備電流電壓、水壓試驗等模擬量數(shù)值以及傳感器開關(guān)量數(shù)值等設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)。如若PLC對應(yīng)傳感器開關(guān)量輸入地址為 I 1.1，對應(yīng)的WinCC 7.0地址也應(yīng)設(shè)置為I 1.1；若輸出信號地址為O 2.1，則對應(yīng)的WinCC 7.0地址應(yīng)為O 2.1；編碼器數(shù)據(jù)、智能儀表、電流電壓、水壓值等參數(shù)在PLC程序中是保存在DB塊中，因此在WinCC 7.0中應(yīng)設(shè)置其對應(yīng)的DB塊地址，如1號外焊1絲電壓參數(shù)變量地址為DB200.DD0［11-12］。

4.2動態(tài)監(jiān)控畫面設(shè)計

西門子WinCC 7.0圖形編輯器具有創(chuàng)建和動態(tài)修改過程畫面的功能。本系統(tǒng)采用動態(tài)變量實時顯示的方式實現(xiàn)整個生產(chǎn)線加工主料（鋼板、鋼管）的分布狀態(tài)動畫效果圖和設(shè)備開停機(jī)狀態(tài)實時顯示。

在本套系統(tǒng)中將生產(chǎn)線流程劃分為4個區(qū)域（南一區(qū)、南二區(qū)、北一區(qū)、北二區(qū)），并分別繪制4個區(qū)域的現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控圖。總貌圖設(shè)計采用Picture Windows控件分別將4個區(qū)域的現(xiàn)場監(jiān)控畫面進(jìn)行鏈接，從面形成現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)總貌圖。現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控圖是按照生產(chǎn)線現(xiàn)場設(shè)備實際位置比例的關(guān)系進(jìn)行繪制，且流程關(guān)系與實際生產(chǎn)過程保持完全一致。

畫面動態(tài)配置實時數(shù)據(jù)均采用主機(jī)設(shè)備PLC控制系統(tǒng)信號。鋼板/鋼管工位信息采用傳感器開關(guān)量信號進(jìn)行配置，當(dāng)變量信號為0時，表示該工位沒有鋼管或鋼板；當(dāng)變量信號為1時，表示該工位有鋼管或鋼板。鋼管輸送小車的動態(tài)監(jiān)控通過編碼器數(shù)值配置運行狀態(tài)，動態(tài)位置與實時生產(chǎn)一致。設(shè)備開停機(jī)狀態(tài)采用設(shè)備開停機(jī)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行配置，鋼板/鋼管輸送輥道傳動方向采用PLC正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)信號來實現(xiàn)［13］。

4.3實時趨勢圖設(shè)計

實時趨勢圖主要是針對生產(chǎn)線流程中對設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)要求較高的設(shè)備，如預(yù)焊機(jī)、內(nèi)外焊接機(jī)和水壓試驗機(jī)等設(shè)備進(jìn)行的設(shè)計。通過趨勢圖功能，技術(shù)人員可實時掌握焊接電流、電壓、水壓趨勢，并對鋼管焊接、水壓試驗工藝參數(shù)進(jìn)行及時調(diào)整，以提高鋼管的焊接和水壓試驗的質(zhì)量水平。

本設(shè)計采用WinCC 7.0實時趨勢圖控件對電流、電壓、水壓等參數(shù)進(jìn)行配置開發(fā)，設(shè)計有預(yù)焊機(jī)、1號內(nèi)焊機(jī)、2號內(nèi)焊機(jī)、1號外焊機(jī)、2號外焊機(jī)、水壓試驗機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)實時趨勢圖共6個系統(tǒng)界面。在趨勢圖主界面設(shè)計有各主機(jī)設(shè)備趨勢圖切換功能，系統(tǒng)操作人員可自行選擇查看各臺主機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)實時趨勢圖。1號外焊機(jī)電壓、電流實時趨勢如圖3所示。

圖3　1號外焊機(jī)電壓、電流實時趨勢

4.4設(shè)備故障報警設(shè)計

設(shè)備故障報警主要用于故障報警信息的歸檔與顯示，并指示所檢測的報警事件，故障查詢、統(tǒng)計與分析等功能，為設(shè)備管理人員在生產(chǎn)過程中尋找設(shè)備發(fā)生的故障和錯誤信息提供了方便。設(shè)備故障報警系統(tǒng)有助于在早期階段識別緊急情況，從而避免損壞設(shè)備而停工。在WinCC 7.0中，報警編輯器負(fù)責(zé)信息的采集和歸檔，包括過程、預(yù)加工、表達(dá)式及歸檔等信息的采集功能。在組態(tài)期間，可對過程中應(yīng)觸發(fā)的事件進(jìn)行定義。這個事件可以是設(shè)置自動化系統(tǒng)中的某個特定位，也可以是過程值超出預(yù)定義的限制值。在組態(tài)時，要在報警記錄中設(shè)置報警的信息塊，報警的歸檔和添加組態(tài)信息同時還要在變量管理器中選擇信息變量（如果信息變量不是Bool型變量還需要選擇信息位），之后在圖形編輯器中添加報警控件并組態(tài)控件的屬性，在項目的計算機(jī)屬性的啟動列表中選擇“報警記錄運行系統(tǒng)”選項，如圖4所示。在報警控件中，可以通過對報警發(fā)生時間、故障描述等進(jìn)行任意查詢與打印。

圖4　設(shè)備故障報警記錄

4.5Web發(fā)布

WinCC Web Navigator是WinCC的重要組件之一，主要作用是使WinCC具備Web發(fā)布功能。在系統(tǒng)設(shè)計中，首先在服務(wù)器上安裝WinCC Web Navigator Sever軟件并進(jìn)行系統(tǒng)配置，使其作為系統(tǒng)Web服務(wù)器端，即可完成系統(tǒng)的Web發(fā)布［14-15］。具體配置步驟如下：

（1）首先在服務(wù)器管理工具中配置IIS（Internet Information Services，互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)），并設(shè)置Web站點，再組態(tài)Web Navigator Sever工程。在服務(wù)器端，啟動WinCC工程項目，打開Web Configurator對話框，進(jìn)行Web站點參數(shù)設(shè)置。

（2）發(fā)布過程畫面。在WinCC工程項目中，打開Web View Publisher對話框，首先選擇遠(yuǎn)程發(fā)布畫面的路徑，再選擇需要發(fā)布的畫面。

（3）客戶端訪問Web工程。打開IE瀏覽器，輸入系統(tǒng)登錄網(wǎng)址，按照系統(tǒng)提示下載安裝Web Navigator Cilent（Web瀏覽器客戶端），成功安裝后，客戶機(jī)會連接到正在運行的服務(wù)器工程中，用戶定義的起始畫面會被顯示。

5　結(jié)　語

通過數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，企業(yè)管理者可以隨時掌握SAWL焊管生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)情況和現(xiàn)場出現(xiàn)的一系列問題，從而針對各種異常情況作出合理的判斷和調(diào)整。設(shè)備管理人員能夠從各個維度了解設(shè)備不同顆粒度的信息（信息顆粒度反映的是信息的詳細(xì)程度），為生產(chǎn)過程中排查設(shè)備故障、提升產(chǎn)能利用率提供最原始的數(shù)據(jù)信息。焊接技術(shù)人員能夠通過焊接設(shè)備電流、電壓實時趨勢掌握鋼管焊接過程中出現(xiàn)的問題，并及時對焊接工藝進(jìn)行調(diào)整，從而提高鋼管的焊接質(zhì)量水平。該系統(tǒng)的運行，顯著提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備管理水平，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，大幅度提高了企業(yè)的市場競爭力。

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R&D of Data Acquisition and Real-time Monitoring System of SAWL Pipe Production Line

HE Songsong1，HAN Zhijie2，LI Jun1，LU Chuanlin1
（1.Nanjing Julong Steel Pipe Company，CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China；2.CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Tianjin 300270，China）

Based on full knowledge and analysis of manufacturing process flow and control requirements of the SAWL pipe production line，and taking relevant possibility and effectiveness of technological realization into consideration，the R&D of the data acquisition and real-time monitoring system of the said production line is completed by means of materialization of the data communication between WinCC 7.0 and PLC via the industrial Ethernet technology and the OPC technology.Relevant functions of the said system as successfully developed cover such aspects as dynamic monitoring of workshop material distribution status，real-time monitoring of equipment start/ stop status，real-time trend of equipment key parameters，and alarming of equipment parameters.Moreover，the remote access to the system via the IE browser is realized on the basis of the Web publishing technology.

SAWL pipe production line；data acquisition；real-time monitoring；industrial Ethernet；OPC technology；WinCC 7.0

TG335.75

B

1001-2311（2015）02-0070-04

2014-06-04；修定日期：2015-02-26）

賀松松（1985-），男，助理工程師，主要從事電氣自動化技術(shù)、信息化技術(shù)的設(shè)計開發(fā)工作。