基于WINCC 的工業爐群智能監控系統

劉玲玲，夏志鵬，周熠民，李保強

（1.鄭州財經學院 機電工程學院，河南鄭州 450044；2.機械工業第六設計研究院有限公司，河南鄭州 450007）

隨著工業4.0 和中國制造2025 的推進，智能工廠、智能生產在我國工業領域的研究快速展開。智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現，整個企業的生產管理、人機互動在生產過程中的應用等技術將制造業推向智能化轉型。當前國內工業爐窯的自動化監控多見于單臺爐窯，而現有的單臺爐窯監控系統往往偏重于工業爐運行狀態信息的實時監控，而不具備班次、操作員、產品型號、數量、材質、工藝編號、工藝開始時間、工藝結束時間、耗氣量、耗電量等生產信息的記錄與查詢功能，更不具備通過以太網或移動互聯網的遠程訪問與控制功能[1]。隨著工業向著規?；⒅悄芑⑿畔⒒较虻陌l展，生產和管理者對于整個工業爐群系統的全面智能監控和管理有了更高的要求，并且工業爐群通過計算機甚至通過手機、平板電腦等移動終端進行遠程監控已經是未來的一個發展趨勢，因此針對工業爐群的智能監控系統的研發尤其迫切[2]。鑒于此，本文研究基于WinCC 的工業爐群智能監控系統，集中了智能化、信息化、網絡化等先進技術，是工業爐裝備向高端裝備發展的一個重要方向。

1 WINCC

WinCC 是Windows Control Center（視窗控制中心）的簡稱，是西門子公司基于Windows OS 開發的SCADA/HMI 軟件，于1996 年進入世界工業控制組態軟件市場，并在很短的時間內成為世界第三個在世界范圍內成果的SCADA 系統。SCADA 系統的核心功能是實時數據庫，WinCC 采用SQL Server 數據庫對數據進行歸檔和采集，同時具備Web 瀏覽器功能，使操作者能夠遠程實時監控生產流程的動態畫面。并通過不同權限的設置，更好的調度指揮工業生產。同時具有較強的開放性，可以使用戶程序與各種軟件相結合，建立友好的人機界面[3]。作為全集成自動化系統的重要組成部分，WinCC 與西門子STEP7 編程緊密結合，可將工業爐生產和過程自動化結合在一起，充分利用WinCC 變量管理器、圖形編輯器、報警記錄、過程值歸檔、報表編輯器、腳本系統、用戶管理器、交叉索引和文本庫對于工業爐群生產過程中變量通訊、實時過程控制畫面、數據采集和報警記錄、運行狀態的數據歸檔、保存以及運行過程趨勢、曲線、報表等很好地呈現。

2 方案設計

以玉柴鑄件正（退）火爐項目為例，基于WINCC 的工業爐群智能監控系統采用web 客戶端進行工廠車間遠程監控管理，客戶端通過以太網與工控機（WINCC 組態界面）相連。工控機一用一備確保安全性。下位控制系統采用SIEMENS公司S7-400 系列可編程控制器，通過以太網，實現以高速數據通訊傳輸連接的集中監視、分散控制的自動化系統；PLC 控制系統與從站裝置之間采用Profibus-DP 網通訊。系統連接示意如圖1所示。具體由爐窯群、烘箱、智能儀表、PLC、傳感器、電能表、濃度測量儀、氣體流量計、切斷閥及A/D 轉換模塊等部件組成。上位機選用工控機、觸摸屏、個人計算機，現場使用觸摸屏現場監控，中控室中使用工控機監測與控制，遠程監控使用個人PC 監控與管理，下位控制系統由西門子PLC與智能儀表構成，采集模塊由傳感器、流量計、測量儀、電能表等組成。系統中通信采用RS232 和RS485 兩種通信標準，其中RS232 通信實現硬件和軟件的連接，RS2485 通信實現遠距離數據的傳送。

圖1 方案結構圖

3 軟件設計

爐窯監控分為遠程監控管理層和中控室監控層。遠程監控管理層可遠程查看整條生產線的運行情況，包括了現場的爐溫、爐壓的實時數據和設備工作狀態，并可打印參數報表和各項參數曲線，對整個生產過程進行監督、管理和決策。中控室監控層設在窯爐車間中控室，完成對整個窯爐車間進行監測和控制，可以實現手動、自動、現場操作控制，設計有各段爐溫調整、管道壓力調整、爐壓調整、實時趨勢、歷史趨勢及系統報警等操作監控畫面。

通過組態王提供的各種通用I/O 接口設備驅動程序，將現場控制系統及數據采集系統和上位計算機監測系統連接起來。為提高系統的安全性，設置報警提示信息及聲光報警；通過生動形象的動態圖形組態畫面，實現車間爐窯運行狀態的可視化監控；通過組態軟件豐富、強大的報表功能，對值班操作人員的操作情況、窯爐的運行情況實現自動化管理；通過組態王與SQL Server 建立鏈接，實現數據庫管理。

3.1 界面設計

本課題研究和設計的WINCC 組態界面是以玉柴鑄件正（退）火爐項目為例的，鑄件正（退）火爐人機界面主要包括：起始畫面、主畫面、系統數據畫面、參數設置畫面、報警記錄畫面、溫度曲線畫面、氮氣曲線畫面、通訊畫面和幫助畫面。人機界面可完整顯示退火爐的實時狀態信息，并對溫度、氮氣數據進行記錄，對系統運行過程中的報警信息進行顯示和記錄，可以通過參數設置界面進行工藝曲線的設置和運行過程數據的記錄。

3.2 用戶管理與通訊設置

圖2 主界面圖

圖3 參數設置畫面

為安全生產，與工藝相關的每個操作都必須由操作員確認。操作員必須登錄經校驗后才能對該生產線自動化控制系統進行相關操作。未進行授權的訪問人員無法進行任何相關操作，這樣就可預防非工作人員的誤操作導致的生產事故。為此，利用WinCC 強大的腳本編輯功能設定了用戶管理[4]。本項目中總體設置了以下兩種權限：用戶、管理員。當用戶登錄到系統時，將不會為其賦予任何權限。也就是說，用戶既不能調用或查看數據，也不能執行控制操作。其中管理員又分為軋制、入口段兩種（本生產線有150m 長，軋制段和入口段的操作員很難準確了解對方系統所處的準確狀態，因此不能干預對方的操作），當管理員調用一個受訪問權限保護的功能，則用戶管理器將檢查用戶是否具有允許其如此操作的相應授權。如果沒有，用戶管理器將拒絕用戶訪問所期望的功能。HMI 系統通過以太網同PLC 控制器連接，通信采用TCP/IP 協議，通信速率為10 Mb/s，網絡連接采用光纖[5]。

圖4 通訊畫面

工業以太網是工業環境中最有效的一種子網，它是一種開放式的通訊網絡，可靠性高，使用范圍廣，且速度快，能夠進行大量數據的交換[6]。它通過安裝在PC 機上的通訊卡與SIMATIC S7進行通訊，使用的通訊協議為ISO 傳輸層。WinCC 站SIMATIC S7 自動化系統之間的通訊是通過SIMAT-IC S7 Protocol 來實現的，無需通過其他OPC 服務器進行連接[7]。這樣就整個系統的組建提供了極大方便。WinCC 系統通過工業以太網與自動化系統進行通訊連接需要在上位機系統中進行以下幾步設置：（1）將SIMATIC S7 Protocol Suite 的TCP/IP 通道中系統參數中單元選框的邏輯設備名稱選為CP-TCPIP；（2）在TCP/IP通道添加的驅動連接的屬性中設置相應的連接參數，如圖5 所示；（3）將控制面板中設置PG/PC 接口的應用程序訪問點選擇對應的網卡，并進行對應的診斷測試。

圖5 通訊鏈接參數設置

4 結束語

目前，國內尚無符合本文研制目標要求的基于WinCC 的工業爐群智能監控系統，來滿足國內眾多機械廠工業爐群智能監控的需求，現有的基于WinCC 系統多基于煤礦、配料或污水處理等，工業爐行業的監控系統也以單臺為主，并且也以基本的狀態監控為主，不具備生產信息的記錄、查詢、統計和報表打印功能，更不具備通過移動互聯網進行遠程訪問和控制的功能，所以現有的工業爐監控系統不能滿足未來熱處理車間工業爐在規?；?、智能化、信息化上的更高需求，這對在高端熱處理爐群的應用場合，就會付出喪失市場機會的沉重代價。