WinCC畫面模板在汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 軍，席 巍，劉長(zhǎng)青，李明海，張東波

（1.北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京 100020；2.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院，北京 100020）

0 引言

應(yīng)用PLC技術(shù)，北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，大大提高了工作效率，降低了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。其自動(dòng)控制系統(tǒng)采用主從站結(jié)構(gòu)，以西門子S7-300 PLC為主控制器，CPU型號(hào)為CPU315-2PN/DP，從站系統(tǒng)采用西門子ET200M[1]。同時(shí)，為了方便現(xiàn)場(chǎng)人員操作，以西門子HMI/SCADA系統(tǒng)軟件WinCC為組態(tài)工具設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程可視化、過(guò)程控制、報(bào)警顯示以及過(guò)程值歸檔和趨勢(shì)圖顯示等功能[2]。

監(jiān)控畫面的組態(tài)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)程可視化和過(guò)程控制功能的關(guān)鍵，簡(jiǎn)潔、一致、友好的監(jiān)控畫面可以讓現(xiàn)場(chǎng)人員的操作變得簡(jiǎn)單而高效。汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中包含眾多功能和參數(shù)類型相同，只是運(yùn)行時(shí)實(shí)際狀態(tài)不同（參數(shù)值不同）的設(shè)備，例如閉式冷卻塔、工藝循環(huán)泵和蝶閥等。應(yīng)用WinCC的畫面模板技術(shù)，為這種設(shè)備組態(tài)一個(gè)通用的畫面模板，然后在監(jiān)控畫面中多次調(diào)用該畫面模板，可避免多次重復(fù)組態(tài)，從而減少組態(tài)工作量，保證監(jiān)控畫面的簡(jiǎn)潔一致，同時(shí)也能降低監(jiān)控系統(tǒng)的維護(hù)工作量，提高其可維護(hù)性[3～5]。

1 畫面模板的原理

WinCC畫面模板采用模塊化設(shè)計(jì)思路，與高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)利用子程序?qū)崿F(xiàn)模塊化程序設(shè)計(jì)的方法類似[6]，通過(guò)組態(tài)一個(gè)監(jiān)控畫面作為模板（函數(shù)）進(jìn)行“一次定義，多次使用”。因此，畫面模板其實(shí)也是一個(gè)監(jiān)控畫面，只是在使用時(shí)它一般通過(guò)畫面窗口（Picture Window）對(duì)象在其他監(jiān)控畫面中顯示[7]。

畫面模板通常需要與WinCC的結(jié)構(gòu)類型結(jié)合使用。在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，經(jīng)常是對(duì)電機(jī)、閥和驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，這些設(shè)備往往需要使用多個(gè)與之相關(guān)聯(lián)的命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行特征描述。如果在設(shè)計(jì)時(shí)（包括編寫PLC控制程序和組態(tài)監(jiān)控畫面），與設(shè)備相關(guān)的每一個(gè)命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)都一一進(jìn)行創(chuàng)建，必然會(huì)大大增加設(shè)計(jì)的工作量，同時(shí)也會(huì)增加出差錯(cuò)的幾率[8]，解決方法是使用WinCC的結(jié)構(gòu)類型。

WinCC結(jié)構(gòu)類型是一種自定義數(shù)據(jù)類型，相當(dāng)于C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體，也與西門子PLC編程軟件STEP 7中的用戶自定義數(shù)據(jù)類型（User Defined Data Type，UDT）類似[9]，可由多個(gè)不同數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)元素組合成一個(gè)有機(jī)的整體。定義結(jié)構(gòu)類型后，可在WinCC的變量管理器中創(chuàng)建該結(jié)構(gòu)類型的實(shí)例（其實(shí)質(zhì)就是變量），創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例，WinCC變量管理器將自動(dòng)生成多個(gè)結(jié)構(gòu)變量，結(jié)構(gòu)變量個(gè)數(shù)與結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)元素?cái)?shù)量一致。結(jié)構(gòu)類型的使用，可以將相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備命令和狀態(tài)數(shù)據(jù)包裝在一個(gè)實(shí)例內(nèi)，簡(jiǎn)化并加速電機(jī)、閥和驅(qū)動(dòng)器等復(fù)雜設(shè)備的創(chuàng)建。

在WinCC中組態(tài)畫面模板時(shí)，一般的步驟是：首先根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、控制工藝和控制要求創(chuàng)建該設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型；然后組態(tài)設(shè)備通用的畫面模板，并組態(tài)畫面模板中畫面對(duì)象的動(dòng)態(tài)屬性；最后在組態(tài)監(jiān)控畫面時(shí)，為每個(gè)具體設(shè)備創(chuàng)建結(jié)構(gòu)實(shí)例和畫面窗口。

2 畫面模板的應(yīng)用

在汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，有13臺(tái)閉式冷卻塔、4個(gè)工藝循環(huán)泵和12個(gè)蝶閥等屬于功能和參數(shù)類型相同但運(yùn)行時(shí)實(shí)際狀態(tài)不同的設(shè)備。以13臺(tái)閉式冷卻塔為例，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，但由于采用逐級(jí)啟停的自動(dòng)控制方式[10]，每臺(tái)閉式冷卻塔在運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和參數(shù)值是不同的。

2.1 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)變量

閉式冷卻塔內(nèi)部由風(fēng)機(jī)、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置（2臺(tái)）等設(shè)備組成，而風(fēng)機(jī)、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置等設(shè)備各自的主要監(jiān)控信號(hào)包括運(yùn)行狀態(tài)、啟停控制、過(guò)載報(bào)警以及手動(dòng)/自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換等，如表1所示。顯然，13臺(tái)閉式冷卻塔總共需要?jiǎng)?chuàng)建260個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（變量）。

2.1.1 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型

在WinCC監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目中右鍵單擊“結(jié)構(gòu)變量”，在彈出的菜單中單擊“新建結(jié)構(gòu)類型”，打開(kāi)“結(jié)構(gòu)屬性”窗口，在窗口中右鍵單擊“NewStructure”，在彈出的菜單中單擊“重命名”，如圖1所示。為新建的結(jié)構(gòu)類型命名為Coolingtower，單擊窗口的“新建元素”添加結(jié)構(gòu)元素，右鍵單擊新生成的元素，在彈出的菜單中修改結(jié)構(gòu)元素的名稱和數(shù)據(jù)類型，重復(fù)此操作，根據(jù)表1添加所有的元素并修改其名稱和數(shù)據(jù)類型，如圖2所示。

2.1.2 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)變量

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型Coolingtower后，就可以在WinCC的變量管理器中創(chuàng)建其結(jié)構(gòu)實(shí)例，如圖3所示，設(shè)置變量（實(shí)例）名稱Coolingtower01，數(shù)據(jù)類型下拉列表框中選擇Coolingtower，單擊“確定”按鈕后，WinCC變量管理器將自動(dòng)生成20個(gè)結(jié)構(gòu)變量。在WinCC系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)變量”樹(shù)中選中“Coolingtower”，可以在右側(cè)的窗口中看到創(chuàng)建的所有結(jié)構(gòu)實(shí)例。

表1 閉式冷卻塔監(jiān)控信號(hào)表

圖1 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型

圖2 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型的元素

由圖3可以看出，WinCC創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)變量包含了實(shí)例名稱和元素名稱， 并由“.”將二者結(jié)合在一起，WinCC將實(shí)例名稱與“.”的組合稱為變量前綴[7]。例如，結(jié)構(gòu)變量“Coolingtower01.ctrFanOnoff”的變量前綴為“Coolingtower01.”。

WinCC結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)變量的使用，使得13臺(tái)閉式冷卻塔僅需創(chuàng)建13個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例就可以得到所需的總共260個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)變量），簡(jiǎn)化了在監(jiān)控系統(tǒng)中創(chuàng)建閉式冷卻塔、工藝循環(huán)泵和蝶閥等復(fù)雜設(shè)備的工作，組態(tài)的工作量大大降低，大大提高了組態(tài)的效率。

圖3 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)變量

2.2 組態(tài)畫面模板

組態(tài)畫面模板實(shí)質(zhì)就是組態(tài)一個(gè)監(jiān)控畫面，但是組態(tài)畫面模板的動(dòng)態(tài)屬性時(shí)，畫面模板中的圖形對(duì)象必須與結(jié)構(gòu)類型的元素相連[3]，因此組態(tài)畫面模板前先要?jiǎng)?chuàng)建與結(jié)構(gòu)元素名相同的WinCC變量。

2.2.1 創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)元素名相同WinCC變量

在WinCC監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目中右鍵單擊“變量管理”樹(shù)下的“內(nèi)部變量”，在彈出的菜單中單擊“新建變量”，打開(kāi)“變量屬性”窗口，在“名稱”框中輸入變量名，變量名必須與結(jié)構(gòu)元素名完全一致，例如“ctrFanOnoff”，在“數(shù)據(jù)類型”下拉列表框中選擇與該結(jié)構(gòu)元素相同的數(shù)據(jù)類型，單擊“確定”按鈕，完成一個(gè)變量的創(chuàng)建，如圖4所示。重復(fù)此操作，按照表1的“結(jié)構(gòu)元素名”列創(chuàng)建所有的WinCC變量。

圖4 創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)元素名相同的WinCC變量

2.2.2 組態(tài)畫面模板

1）組態(tài)畫面模板及其圖形對(duì)象

按照組態(tài)監(jiān)控畫面的一般過(guò)程組態(tài)畫面模板并添加所需的圖形對(duì)象。在WinCC監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目中右鍵單擊“圖形編輯器”，在彈出的菜單中單擊“新建畫面”，并給畫面命名，例如“CoolingtowerTemplate.Pdl”。在右側(cè)的窗口中雙擊新建的畫面，打開(kāi)畫面編輯器，右鍵單擊畫面，在彈出的菜單中單擊“屬性”，打開(kāi)“對(duì)象屬性”窗口，選中“屬性”標(biāo)簽頁(yè)，在“幾何”屬性中根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置畫面模板的寬度和高度。然后在畫面模板中添加所需的圖形對(duì)象，閉式冷卻塔的畫面模板如圖5所示。

圖5 閉式冷卻塔的畫面模板

2）組態(tài)畫面模板的動(dòng)態(tài)屬性

組態(tài)動(dòng)態(tài)屬性是通過(guò)畫面或畫面中的圖形對(duì)象的物理屬性變化（如顏色、幾何尺寸、位置等）反映所監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)，或通過(guò)操作畫面中的圖形對(duì)象對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。需要注意的是，組態(tài)畫面模板的動(dòng)態(tài)屬性時(shí)必須使用與結(jié)構(gòu)元素名相同的WinCC變量（一般為內(nèi)部變量）。例如，為了反映閉式冷卻塔的噴淋泵的的運(yùn)行狀態(tài)（1運(yùn)行/0停止），組態(tài)噴淋泵中心風(fēng)扇的“閃爍背景激活屬性”，如圖6所示，在用動(dòng)態(tài)對(duì)話框方法組態(tài)該動(dòng)態(tài)屬性時(shí)，在“動(dòng)態(tài)值范圍”對(duì)話框的“表達(dá)式/公式”框中選擇相連的變量為“staPumpRun”（值為1激活閃爍/0不閃爍）。

圖6 組態(tài)畫面模板動(dòng)態(tài)屬性

2.3 調(diào)用畫面模板

畫面模板的調(diào)用，是在監(jiān)控畫面中通過(guò)畫面窗口（Picture Window）對(duì)象顯示畫面模板，并通過(guò)設(shè)置畫面窗口的“變量前綴”（TagPrefix）屬性，實(shí)現(xiàn)在窗口中顯示設(shè)備的參數(shù)值。如圖7所示，調(diào)用畫面模板時(shí)，主要設(shè)置畫面窗口的“畫面名稱”（PictureName）屬性和“變量前綴”屬性，“畫面名稱”屬性定義了畫面窗口所顯示的畫面模板，而“變量前綴”屬性定義了畫面窗口所監(jiān)控的設(shè)備。例如，“變量前綴”設(shè)置為“Coolingtower01.”時(shí)，WinCC將“Coolingtower01.”與畫面模板中圖形對(duì)象所連接的結(jié)構(gòu)元素（例如staPumpRun）組合成完整的結(jié)構(gòu)變量（例如Coolingtower01.staPumpRun），因此，當(dāng)前畫面窗口監(jiān)控的是名稱為Coolingtower01的設(shè)備。

圖7 畫面窗口的屬性設(shè)置

應(yīng)用畫面窗口的“變量前綴”屬性，可以在監(jiān)控畫面中添加多個(gè)畫面窗口，通過(guò)設(shè)置不同的“變量前綴”，實(shí)現(xiàn)每個(gè)畫面窗口顯示同一類型的不同設(shè)備，汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的13臺(tái)閉式冷卻塔在主監(jiān)控畫面同時(shí)顯示的效果如圖8所示。

圖8 畫面模板的調(diào)用

3 結(jié)論

WinCC畫面模板和結(jié)構(gòu)類型的配合使用，為WinCC組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供了很大的便利，大大減少了組態(tài)工作量，提高了組態(tài)效率，降低了維護(hù)的成本，主要體現(xiàn)在：

1）結(jié)構(gòu)類型的使用，簡(jiǎn)化了監(jiān)控系統(tǒng)中復(fù)雜設(shè)備的創(chuàng)建。創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)類型實(shí)例就生成了所需的全部數(shù)據(jù)，比單個(gè)創(chuàng)建相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)的效率高了很多，且減少了出錯(cuò)的概率。

2）畫面模板的使用，既減少了多次重復(fù)組態(tài)相同畫面的工作量，又使得相同類型的設(shè)備呈現(xiàn)出風(fēng)格統(tǒng)一、內(nèi)容統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控窗口，監(jiān)控畫面的簡(jiǎn)潔性和一致性大大提高。