汽車生產線冷卻水循環系統的WinCC監控系統設計

李 軍，席 巍，劉長青，李明海

（1.北京市智能機械創新設計服務工程技術研究中心，北京 100020；2.北京聯合大學 機器人學院，北京 100020）

0 引言

冷卻水循環系統廣泛應用于熱力發電、金屬冶煉、鋼鐵加工和汽車制造等行業企業的降溫處理工藝中，可以實現水的循環再利用，節約大量工業用水。應用PLC技術實現冷卻水循環系統的自動控制，可以提高企業的工作效率，改善現場工作人員的工作環境、降低勞動強度，同時還能降低不安全因素，已經被越來越多的行業企業所接受[1～3]。

對于一個有實際應用價值的PLC控制系統，除了硬件和控制軟件外，還應有適于用戶操作的方便的人機界面（HMI），HMI承擔的任務包括過程可視化、過程控制、報警顯示、過程值歸檔以及過程和設備的參數管理等[4]。WinCC是由西門子公司推出的基于Windows操作系統的HMI/SCADA系統，廣泛應用于工業、農業、樓宇等領域自動化系統的人機界面組態，可以為操作人員組態友好的圖形用戶界面，同時以Microsoft SQL Server為數據處理平臺，可以實現大數據的訪問、處理和分析[5]。

本文針對北京奔馳汽車有限公司汽車生產線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環系統，設計基于WinCC的監控系統。

1 系統方案設計

1.1 冷卻水循環系統控制系統的結構

圖1 冷卻水循環系統控制系統結構框圖

北京奔馳汽車有限公司汽車生產線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環系統，其控制系統結構框圖如圖1所示，主控制器為西門子S7-300 PLC。根據設備的分布情況，將PLC控制系統設計為主從站結構。主站在地下室的機房PLC控制柜內，用于控制位于地下室的系統現場設備，主站的CPU型號為CPU315-2PN/DP（自帶PROFIBUS-DP接口和PROFINET接口）。從站位于屋頂PLC控制柜內，用于控制屋頂的13臺閉式冷卻塔，從站系統采用西門子的ET200M，接口模塊為IM153-1。主站和從站通過PROFIBUS-DP網絡進行通信。WinCC監控系統的中控計算機位于一層，WinCC監控系統通過PROFINET（工業以太網）與PLC主站進行通信。在該控制系統中，由PLC主站和從站組成的主控制器，是對冷卻水循環系統進行實際控制的下位機，而WinCC監控系統是實現控制過程可視化的上位機。

1.2 主要監控設備監控信號分析

WinCC監控系統是通過PLC以過程變量的方式實現HMI與機械設備或過程之間的通信，因此，冷卻水循環系統主要監控設備監控信號的分析結果，是WinCC監控系統中創建過程變量的依據。

冷卻水循環系統的控制系統主要是對位于屋頂的13臺閉式冷卻塔以及位于地下室的水泵、閥和傳感器等現場設備進行控制。

1）閉式冷卻塔

每臺閉式冷卻塔均包含風機、噴淋泵、內循環輔助泵、水槽電加熱裝置、內循環電加熱裝置（2臺）等設備。每臺閉式冷卻塔的出水口均有溫度傳感器檢測出水溫度，所有閉式冷卻塔都通過出水口將冷卻水排到一個密閉集水槽中，密閉集水槽設有5個溫度傳感器用于檢測水的溫度，另外還有一個液位傳感器檢測水槽的液位。整個閉式冷卻塔系統的外部設有1個溫度傳感器和1個濕度傳感器，用于檢測室外的溫度和濕度，主要用于實現冷卻塔的防凍控制。

閉式冷卻塔的風機、噴淋泵、內循環輔助泵、水槽電加熱裝置、內循環電加熱裝置等設備各自的主要監控信號包括運行狀態、啟停控制、過載報警以及手動/自動模式轉換信號。

2）現場設備

位于地下室的冷卻水循環系統現場設備包括4個工藝循環泵、12個蝶閥、1個旁通閥以及供冷卻水循環的管道，在管道中設有6個溫度傳感器、6個壓力傳感器和2個流量傳感器用于監測循環水的狀態。

工藝循環泵的主要監控信號包括水流狀態（開/關）、運行狀態、過載報警、上口接觸器狀態、變頻頻率反饋、變頻啟停控制、變頻頻率設置和手動/自動模式轉換信號。蝶閥的主要監控信號包括開關狀態反饋、手動/自動模式轉換信號和開關控制。旁通閥的主要監控信號包括旁通閥開度反饋和旁通閥開度設置。

2 監控系統設計

汽車生產線冷卻水循環系統的WinCC監控系統采用SIMATIC WinCC V7.0進行組態，該版本的WinCC具有靈活而強大的過程可視化功能，從而實現現場數據的顯示和工作過程的控制[6]。

設計WinCC監控系統首先需要創建WinCC監控系統項目，并建立WinCC與PLC的通信連接。按照設計方案，WinCC監控系統與PLC通過PROFINET進行通信，因此創建WinCC項目時，選擇在SIMATIC PROTOCOL SUITE通信協議集的TCP/IP通道中建立WinCC與PLC的通信連接，并在該通信連接中創建過程變量。

2.1 監控畫面設計

過程可視化和過程控制是監控系統最基本、最重要的功能和任務，其關鍵是監控畫面的組態。設計良好的監控畫面代表了友好的圖形用戶界面，操作員可以通過監控畫面監視過程的工作狀態，也可以對過程進行控制。

汽車生產線冷卻水循環系統的WinCC監控系統組態了起始畫面、工藝總流程、參數設置、報警顯示、趨勢圖、PID調試共6個監控畫面，畫面結構如圖2所示，箭頭代表了畫面之間的切換關系。WinCC監控系統激活進入運行狀態后，顯示起始畫面，操作人員必須在起始畫面單擊“系統登錄”按鈕，在彈出的系統登錄對話框中輸入正確的用戶名和密碼后，才能通過單擊“進入系統”按鈕切換到工藝總流程畫面。只有通過工藝總流程畫面相應的切換按鈕才能切換到趨勢圖、報警顯示、參數設置、PID調試這4個畫面，且這4個畫面中均有切換按鈕返回到工藝總流程畫面。操作人員只能通過單擊起始畫面的“退出系統”按鈕（受操作權限保護），才能退出WinCC監控系統的運行狀態。

圖2 監控系統畫面結構

工藝總流程畫面是汽車生產線冷卻水循環系統WinCC監控系統的核心，是實現過程可視化和過程控制的主要畫面，反映了整個冷卻水循環系統的運行狀態和工作過程，如圖3所示。通過指示燈、文字、圖形等反映冷卻水循環系統的運行狀態和工作過程，例如，通過I/O域顯示每個冷卻塔的出水溫度和密閉式集水槽5個測溫點的實時溫度；通過指示燈的顏色變化反映工藝循環泵的工作狀態（指示燈為綠，運行狀態；指示燈為紅，停止狀態）。操作員可以在I/O域中輸入數據來預制被控對象的參數，例如溫度設定值，來實現對過程的人工干預和控制；可以單擊按鈕對被控設備進行啟停控制，例如啟動或停止工藝循環泵。應用WinCC提供的變量連接、直接連接、組態對話框、動態向導、直接連接以及C腳本和VBS腳本等組態方法，可以很方便地實現監控畫面的過程可視化和過程控制功能。

圖3 工藝總流程畫面

對于冷卻水循環系統中數量多、功能類似且運行時實際工藝狀態不同的監控設備，例如13個閉式冷卻塔、4個工藝循環泵以及12個蝶閥，為了避免反復組態這些設備，采用模塊化的設計思路，應用WinCC的畫面模板和結構變量功能[7,8]，組態了相應設備的控制模板，實現在一個監控畫面中根據條件顯示和控制多個這些設備（例如工藝總流程畫面中13個閉式冷卻塔的顯示和控制），大大減少了監控畫面組態的工作量，極大豐富了監控畫面的信息。

2.2 報警系統設計

報警系統是冷卻水循環系統WinCC監控系統非常重要的組成部分，用于監視冷卻水循環系統運行過程中的異常和事件，可幫助操作人員快速發現、定位并解決處理系統的故障和錯誤，有效地減少或避免停機事件和生產事故的發生。

根據汽車生產線冷卻水循環系統的工作原理和控制工藝，總共組態了343條報警信息，例如，根據工藝循環泵的控制工藝，為每個工藝循環泵組態了啟動故障、停止故障、接觸器啟動故障和接觸器停止故障共4條報警信息。報警采用離散量報警方式，離散量的兩種相反的狀態（0和1表示）定義報警的出現（1狀態）和消失（0狀態）。離散量報警需要在PLC中設計相應的程序，圖4所示為1#工藝循環泵啟動故障的PLC程序。

圖4 報警的PLC程序

報警信息在監控系統運行時顯示需要在WinCC監控畫面中添加“WinCC Alarm Control”控件，圖5為報警信息在監控畫面中的顯示。

圖5 報警信息顯示

2.3 趨勢圖設計

趨勢圖是變量在運行時的值的圖形表示，以曲線的形式連續顯示過程數據。WinCC用變量記錄系統（Tag Logging）進行趨勢圖的設計，可實現工業現場過程數據的采集、處理和歸檔。

根據汽車生產線冷卻水循環系統的控制工藝，對每個閉式冷卻塔的出水溫度、密閉集水槽中5個溫度傳感器所采集的溫度以及管道中的6個溫度傳感器、6個壓力傳感器和2個流量傳感器所采集的過程值組態了趨勢圖。在監控系統運行過程中顯示趨勢圖，需要在WinCC監控畫面中添加“WinCC Oline Trend Control”控件，用戶可以根據需要在控件中選擇一個或多個過程變量趨勢圖進行顯示。圖6所示為1#（紅色）、2#（藍色）和3#（綠色）閉式冷卻塔出水溫度的趨勢圖。

3 結論

本文應用西門子組態軟件WinCC設計了汽車生產線冷卻水循環系統的監控系統。汽車生產線冷卻水循環系統的整個控制系統以西門子S7-300 PLC為核心控制器，

【】【】采用了主從站的結構，主控制器為CPU315-2PN/DP，WinCC監控系統應用PROFINET技術與主控制器進行通信連接。汽車生產線冷卻水循環系統的WinCC監控系統實現了過程可視化、過程控制、報警顯示以及過程值歸檔和趨勢圖顯示等功能，為現場工作人員提供了友好的、操作方便的人機界面。該監控系統成功應用于北京奔馳汽車有限公司汽車生產線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環系統。

圖6 閉式冷卻塔出水溫度趨勢圖

[1]劉長青,李明海,席巍,李軍.基于PLC的多臺冷卻設備逐級啟停控制算法[J].制造業自動化,2015,(4):109-110,122.

[2]劉長青,李軍,李明海,席巍.沖壓生產線冷卻水循環控制系統設計[J].機電工程技術,2015,44(2): 23-24,42.

[3]徐蕓,李晶.PLC控制系統在軋鋼車間水處理中的應用[J].中國新技術新產品,2011(3):192-193.

[4]陳瑞陽,席巍,宋柏青.西門子工業自動化項目設計實踐[M].北京:機械工業出版社,2009.

[5]李軍.WinCC組態技巧與技術問答[M].北京:機械工業出版社,2013.

[6]王京,席仲雨,閆書山.磷化液溫度WinCC監控系統設計[J].現代制造工程,2017,(1):121-125.

[7]羅珉,汪引紅.WinCC在除塵卸輸灰氣力輸送監控系統中的應用[J].工業安全與環保,2010,36(5):19-20.

[8]張玉紅.在Step7和WinCC軟件中實現單體設備控制的模塊化和標準化[J].冶金自動化,2013(S1):584-589.