打葉復烤線集控系統分組控制的設計與實現

文/王艷勝 賈星蓓 賴慧敏

煙草制造業是我國的一項重要產業，且發展迅速。這就促使各個煙草生產企業都在力圖通過不斷地提高生產過程自動化水平和產品質量來提高市場競爭力。眾所周知，對于制造業，質量過硬的現場生產設備和準確高效的電氣控制系統是保證生產安全有序進行的基礎。面對日益激烈的市場競爭和煙草生產的實際：流程復雜，設備繁多，且多為大型設備；要求生產量大，生產速率高，且多為連續生產，對監視和控制生產過程進行更便捷、更可靠、更安全的操作要求在急劇增加。打葉復烤生產線的實際是參與操作和維護的人員眾多，且又要求現場操作站和中央控制室都參與操控，這就給監控系統對于操作安全的設計提出了更高的要求，只是對各個管理員和各工藝段進行權限控制顯然不能完全滿足現場安全控制的需要。本文綜合考慮了打葉復烤生產線客戶端的分布和網絡部署以及對組態軟件的深入研究，對監控系統進行了新的設計，通過在WinCC監控系統中自定義一個全局項目函數，使中央控制室客戶端和現場操作站客戶端的計算機分為兩組，分別具有不同的控制權限，從而實現了中央控制室客戶端和現場操作站分別進行獨立控制的功能，具備控制靈活，通用性強的特點，應用效果表明，此設計有效地減少了對現場設備亂操作和誤操作的現象發生，提高了生產現場的控制效率和安全指數。

圖1：某公司打葉復烤生產線集控網絡圖

1 集控系統結構

1.1 車間網絡結構

在現代工業生產中，隨著工業計算機的引入，使工業生產在生產效率和質量控制上都有了很大程度的提高，并且減少了操作人數和降低了勞動強度。為了充分實現計算機控制并且保證其可靠性，按照“集中管理、綜合監控、分段控制”的設計原則，將電控系統按功能劃分為三個層次：生產管理層、集中監控層和設備控制層。某公司打葉復烤生產線集控網絡圖如圖1所示。

其中，最底層（設備控制層）：采用千兆光纖將中央控制室區域交換機與現場分管各段的三個交換機連接構成環網。三個交換機分別為挑選區域交換機，葉片復烤區域交換機和預處理打葉區域交換機。各交換機分別連接各段PLC設備以及相應的觸摸屏監控設備。

中間層（集中監控層）：作為控制系統的人機交互接口，通過中央監控計算機實現對生產線的組合操作、狀態監控、更換配方、參數設定、過程值歸檔和報警顯示、歷史記錄等。

最高層（生產管理層）：負責處理全線運行過程中的綜合信息，包括人工檢測和錄入工藝、設備、質量等數據，并根據這些數據完成統計與分析工作。

1.2 監控系統功能及應用軟件

集中監控層上位機監控系統使用Siemens公司的HMI軟件WinCC進行開發。WinCC是視窗控制中心（Windows Control Center）的簡稱，它提供了適用于工業生產過程描述的圖形顯示、消息報警、過程值歸檔以及報表打印等模塊，具有高性能的過程耦合和超迅速的界面更新，以及十分可靠的數據管理能力。其可以實現的具體功能如下：

（1）設備狀態監視：實時監視設備狀態和現場實際生產情況。

（2）設備控制：啟動、停止設備，改變設備運行狀態等。

（3）參數采集與設定：提供實時數據與標的數據。

（4）用戶管理：生產操作人員進行管理。

監控系統采用多種方式反映現場生產設備的實際生產狀況和工藝特點：用三維立體圖形形象地表現各種生產設備及生產流程，用不同顏色表明電機的運行狀況以及閃爍提示故障報警，用數字和曲線反映各類生產工藝參數的變化情況，用文字及時提示各類報警信息等等。系統設計遵循按各設備生產工序的真實情況進行布局和界面設計的原則，使操作人員能夠清晰、準確、及時、全面地了解到現場的生產情況和狀態變化。同時系統還根據各類生產設備的特性，相應地提供了各種詳細的生產信息和操作功能，使操作人員能夠更清楚地了解現場生產狀況和更便捷地完成多種復雜的生產任務。

上位機通過工業以太網與下位機通訊。下位機采用S7-300和400類型的PLC進行設備控制，并向上位機傳遞設備的實時狀態，接受并執行上位機的實時控制指令。

圖2：系統管理員授權圖

圖3：分段控制授權圖

2 操作權限設計及實現

組態軟件WinCC作為一個集成的人機交互界面（HMI）系統和監控管理系統，它是西門子公司在過程自動化領域中的先進技術和Microsoft PC軟件技術的強大功能相結合的產物。其具有的功能十分豐富，可以更好的滿足現代工藝自動化生產的操控設計。

2.1 基本權限設置

打葉復烤生產線的實際情況要求其需具備更高的控制性能和安全操作性能。對WinCC監控系統不同管理員和不同工藝段進行權限設置是通過WinCC的“用戶管理器”來實現的。

如圖2所示，對WinCC監控系統不同管理員進行權限設置是在“用戶管理器”中為系統管理員添加一個用戶名為“admin”和設定相應的密碼，系統管理員的優先級最高，系統管理員不僅可以對監控系統的相關功能進行操控，還具有開發監控系統的權限。因此，我們在“用戶管理器”中賦予其權限范圍內可進行管理的功能授權，使系統管理員具有用戶管理，區域授權，系統更改，確遠程激活，遠程組態和Web訪問等功能。另外，系統管理員不僅可以對監控系統的相關功能進行操控，還具有開發監控系統的權限，同時可以增加、刪除、修改用戶姓名和更改密碼。

而對于只是使用監控系統的中控室人員和不同工藝段的操作人員，我們在“用戶管理器”中對其進行權限設置如圖3所示，例如，中控室人員的用戶名和密碼均為為client01，并在功能欄添加所有工藝段，以賦予它可以操作所有工藝段界面的權限；預處理段添加用戶名和密碼為“Yuchuli”，并在功能欄添加其對應的工藝段“預處理”，使該用戶具有操作預處理段的權限。其他工藝段相同。這樣，在系統每次啟動時都沒有用戶登錄，操作人員只可以瀏覽畫面，不可以進行任何有關按鈕控制或參數設置的操控，只有正確登陸了其用戶名和密碼后，才可操控監控畫面。

這樣，可以實現中央控制室操作員具有操控各個工藝段的權力，而現場操作員只可以操控自己管轄工藝段的相關界面，不可以操控其他段，一定程度上保證了生產安全有序的進行。

2.2 本地、遠程權限設計

在實際生產中會出現，常常會出現中控室操作人員和現場某工藝段操作人員同時操控的現象，這樣就會造成操控混亂。為此，本文提出了進一步的權限設置，即以控制場合不同設置“本地/遠程”控制權限：在“遠程”模式下，僅允許中控室客戶端進行操控，現場客戶端所有操作區域禁用；在“本地”模式下僅允許現場操作站進行操控，中控室客戶端所有操作區域禁用。

2.2.1 實現基礎

WinCC軟件具有全面開放的特性，常被作為系統擴展的基礎，用戶通過開發設計，從而達到可以滿足自己更深入的要求。WinCC中的ANSI-C語言腳本及提供的與數據庫的接口更增加了其應用功能，充分滿足用戶的各種復雜要求。

通過以往經驗和現場狀況的分析得知，我們可以根據IP地址或計算機名稱對中央控制室和現場操作站的多臺計算機進行分類。根據某公司中控系統的實際：中央控制室兩臺監控客戶端計算機分別命名為client 01和client 02，IP地址分別設為198.170.10.20和198.170.10.21。現場四臺操作站計算機分別命名為client 11、client 12、client 13和client 14，IP地址分別設為198.170.10.30、198.170.10.31、198.170.10.32和198.170.10.33。

鑒于WinCC內自帶了一些項目內部管理所需的變量，也即系統變量，這些變量的名稱都是以“@”字符開頭，不能被刪除或重新命名，可以評估但不能更改變量的值。并且支持自己創建內部變量。變量“@Local Machine Name”就是其中的一個，通過變量“@Local Machine Name”可以得到運行項目計算機的計算機名稱。于是，經過分析，本文選擇采用根據計算機名稱進行分組的方式，將中央控制室兩臺客戶機與現場四臺操作站分為兩組，其中，中央控制室客戶機的操作定義為“遠程”操作，現場操作站的操作定義為“本地”操作。

2.2.2 實現過程

（1）利用WinCC內部變量“@Local Machine Name”獲取計算機名。

中控室兩臺計算機名字分別為client01，client02；現場四臺計算機名字分別為client11，client12，client13，client14，通 過內部變量“@Local_Machine_Name”可得到WinCC項目運行系統所在計算機的計算機名稱（不區分大小寫），相關程序代碼為：

（2）利用WinCC內部函數“GetTagChar”提取字符，用于對計算機進行分組。

通過WinCC內部函數“GetTagChar”得到以計算機名稱為內容的字符串，通過對比分析我們可以知道：中央控制室客戶端計算機名稱的第7個字符均為“0”；現場操作站計算機名稱的第7個字符均為為“1”，于是我們首先提取字符串的第7個字符，用于對不同計算機進行分組，其代碼為：

（3）在各工藝段總控制界面創建按鈕，用以選擇計算機組別。

在各個工藝段總控制界面建立選擇按鈕，用于人為選擇本地和遠程模式。本地模式即現場客戶端計算機可操作；遠程模式即中控室客戶端計算機可操作。

圖4：本地/遠程選擇按鈕腳本

圖5：全局項目函數調用及設置詳細圖

圖6：傳統控制權限流程圖

建立布爾型內部變量“D12_LocalRemote”（D12為段號），供選擇按鈕調用，并且定義當其值置0時，為選擇的“遠程”模式，對應于中控室客戶端可控；當其值置1時，為選擇的“本地”模式，對應于現場操作站可控。并且對按鈕進行權限設置，屬性“授權”設置為本工藝段功能，防止操作員可以隨意操控此按鈕。如圖4所示。

（4）用“GetTagChar”函數獲得內部函數“D12_LocalRemote”的內容，并與以計算機名稱為內容的字符串的第7個字符的內容進行比較，返回函數值：相同得0，不同得1，其代碼為：

圖7：改進后控制權限流程圖

（5）創建全局項目函數“Local_Machine_Name_3”。

通過以上分析，我們創建全局項目函數供各操作段的控制按鈕調用，于是賦予其是否可操作的權限，其代碼為：

所有控制按鈕調用此全局函數，并且定義返回值為0時，按鈕可控，否則不可控。以通過“本地/遠程”按鈕明確可操作本控制按鈕的對象。如圖5所示。

3 實現結果與分析

通過將此方案應用于某打葉復烤生產線上，經過現場操作可以證明，操作按鈕可以通過調用全局項目函數“Local_Machine_Name_3”，準確地獲得客戶機計算機名和判斷當下計算機是否與“本地/遠程”按鈕下達的命令一致，進而可以有效地對按鈕的操作權限進行控制。

與傳統權限設置效果對比如圖6、圖7所示。

改進前的控制權限是只要正確登陸了用戶名就可以操控相關監控界面，無非是現場各工藝段的操作工只具備操作本工藝段的功能，但是中控室人員具有操作各個工藝段的權限，這就使得同一時間內某工藝段的人員和中控室人員都同時具備操控本工藝段的功能，很容易引起操作混亂；而改進后的權限設置，將中控室計算機和現場操作站分為兩組，分別定義為“遠程”和“中控”，用戶在正確登陸了用戶名后就可以操控本工藝段的“本地/遠程”按鈕，由此“約定”由中控室進行操控還是有現場操作站進行操控，有效地減少了亂操作、誤操作現象的發生。

4 結論

本文通過對某公司打葉復烤生產線監控系統進行設計，通過自定義WinCC全局項目函數，以及各操控按鈕對其的調用，實現了以計算機名稱為根據將中央控制室客戶端和現場操作站計算機進行分組控制，在同一時間只有一方可操控監控界面的權限設計，符合工業安全要求，同時具備控制靈活，通用性強的特點，實際應用中滿足用戶安全防護要求，提高了生產效率，確保了生產質量，有效地保障了生產的有序進行和減少車間危險事故的發生，使用效果良好。