一種基于SCADA的數據采集與監視控制系統的開發與應用

黃棟斐，程 明，章朝陽

（1.東莞市技師學院，東莞 523000；2.廣東生益科技股份有限公司，東莞 523000）

0 引言

自動化半固化片生產設備（行業內稱上膠機），是生產覆銅板的最重要的設備[2]，某車間半固化片生產設備主要由兩臺立式上膠機和RTO（蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer））處理系統組成[3]。

在生產過程中為了保證覆銅板的良品率及產品后期質量問題的追溯，要求對上膠設備運行數據：風車頻率、風車風壓、燃燒室溫度、廢氣溫度、廢氣濃度、風閥等多達幾十項數據進行監視并記錄保存三年，目前行業內的數據采集主要有兩種方式。

1）對于舊設備，由于系統架構問題功能受限，此類設備運行數據的記錄主要由控制室配置一個專門抄表的崗位，由抄表人員定時巡視設備運行所需數據人工記錄后再錄入電腦，這種方式存在以下問題：

（1）不能保證數據的準確性，經常出現抄錯抄漏等問題；

（2）手抄后再錄入電腦，工作量比較大，存在重復性工作并且有可能錄入錯誤數據；

（3）對抄表人員的技能要求較高，需熟悉并了解所有設備運行狀態，設備的異常信息主要來源于抄表員工的判斷；

（4）紙張的浪費。

2）近幾年引進的新設備自帶數據采集和記錄功能，但由于是廠家量產的通用設備，在使用過程中也存在以下缺點和不足：

（1）在設定間隔時間到達后對數據進行一次記錄，時間幀為一個定期采集的參數，在定時記錄系統中，狀態漸變過程一般很難識別，雖然系統中有部分數據可以自動識別報警，但仍有許多重要的參數及狀態未能識別（如風閥位置、LEL濃度監測、油耗異常變化等）。

（2）脫離人工監控及核對，設備運行參數（如溫度）異常往往是一個漸變過程，傳統人工抄表的做法抄表人員有責任檢查并核對設備運行參數，可以發現設備的異常并及時做出相應的調整。

（3）對于原有的舊設備和一些不具備數據自動采集功能的儀器儀表無法記錄。

本文通過分析原設備的缺點結合實際生產要求，利用以太網通訊技術開發一個數據采集監控系統軟件，將上膠機所有需要記錄的數據自動采集并通過人工補充確認后統一記錄到后臺電腦數據庫并長期保存。

1 系統介紹

本項目選擇西門子WinCC V7.3作為數據采集記錄與監視控制系統的上位機軟件，上膠機系統采用西門子S7-300為控制核心，廢氣處理系統采用日本三菱Q系列PLC作為控制核心，WinCC從不同控制系統中采集數據的常見方式有兩種：

1）WinCC對西門子PLC驅動有良好的支持，如果要在WinCC中增加支持三菱PLC驅動的話可以購買其驅動授權，但是這種方式一方面成本費用較高，另一方面無法一次性解決兼容更多其他廠家控制系統的難題。

2）通過WinCC+OPC的方案實現，WINCC可以通過PROFIBUS、TCP/IP等協議與西門子PLC建立通訊，而其他品牌PLC可以通過OPC協議進行連接[4]。但是OPC的使用需要購買授權，OPC又必須運行在Windows操作系統下，因此在上位機和現場設備之間需要添加OPC服務器，OPC服務器和現場多種控制系統的硬件連接也有一定成本和工作量，使用起來較為繁瑣[5]。

從節約成本及系統結構簡單性原則出發，本項目另辟蹊徑以SCADA（supervisory control and data acquisition）系統，即數據采集與監視控制系統為基礎[6]，利用WinCC V7.3中的Modbus TCP驅動，在觸摸屏宏里用腳本編寫相關的接口對應及數據轉換程序，將三菱的協議和西門子的協議通過轉換后再給上位機采集，項目選擇威綸MT8050iE觸摸屏作為協議轉換處理及人工參數輸入設備。MT8050iE相當于采集系統中的Server，WinCC V7.3透過MODBUS TCP/IP Server讀寫經過宏處理過的數據并記錄到SQL數據庫。

2 系統技術要求

1）HMI人機界面友好，要求能對各種儀器和設備的各項數據采集取全、取準，并格式處理正確。

2）設備操作員工核查采集回來的數據后可以輸入一些外部不能采集（例如由于現場防爆要求，部分檢測設備或者機構并無電信號反饋裝置）但又需要記錄的過程數據并輸入工號后確認保存。

3）上位機系統要求運行穩定可靠，與西門子S7-300系列和三菱Q系列等控制系統有良好的兼容性。

5）系統自動優化協議，數據采集自動打包讀取，以太網以100M速率采集。

3 系統設計

3.1 系統框圖

如圖1所示系統框圖，控制層觸摸屏采用以太網端口接入公司網絡交換機，通過調取相應的驅動分別與西門子和三菱PLC通訊，上位機安裝在辦公室即可完成數據的采集及記錄功能，同時也方便相關負責人查詢。

圖1 系統框圖

3.2 控制層觸摸屏的數據采集和處理

1）控制層觸摸屏的地址映射

WINCC7.3去存取與HMI連接的PLC數據時，需先通過數據傳輸先將PLC數據傳送至HMI的本地地址，再由PC上使用MODBUS TCP/IP通訊協議去讀取HMI的本地地址將PLC數據取回[7]。本系統將MODBUS與PLC的地址預先設定對應后，即可以直接利用MODBUS TCP/IP通訊協議存取PLC 上的數據，如圖2所示為HMI后臺寄存器映射地址。

圖2 HMI后臺寄存器映射內容

為了加快通訊速度MODBUS通訊采用連續寄存器讀寫方式，系統通過宏指令將PLC直接讀取的數據及本身宏指令的數據通過GetData指令讀取整理后通過SetData指令保存到HMI內部自定義的數組中，數組便是MODBUS通訊內容。具體代碼如下：

2）數據的處理

用宏指令編寫代碼獲取廢氣處理系統的風門狀態信息，通過GetData指令直接讀取三菱PLC的位狀態。由于WinCC數據庫中不能混合保存文本信息，因此系統將數據處理后以數字形式表示風門的狀態 0：關 1：開 2：異常，即將BOOL采集到的數據處理識別程INT數據，處理后的數據通過SetData指令寫入觸摸屏內存寄存器供上位機讀取。具體代碼如下：

3.3 控制層觸摸屏畫面的設計

系統人機界面包括登錄界面、主界面、整線狀態界面、數據管理和記錄界面、報警界面等[8]。

圖3 HMI數據管理和記錄界面

相關設備操作人員核實數據沒異常并輸入風閥開度、當前天然氣用量、自己的工號等相關參數然后按下“確認”按鈕觸發上位機進行數據采集。確認按鈕按下后觸摸屏顯示“數據儲存中”待上位機采集完成后返回記錄完成信號同時觸摸屏的上次記錄時間會更新為系統最后一次成功記錄的時間。

秉隆是她所在公司的服裝設計師，大部分時間不在公司。她上班沒多久，在公司年會上看到過他一次。公司主推家居服和內衣，秉隆大部分時間都在研究女士內褲。那時她無法想象一個男人每天都想著女士內褲會懷有一種什么心理，但后來，她自己也穿上了秉隆設計的內褲，才由衷地贊嘆，秉隆真是比女人還了解女人。

因為生產過程中是數據比較重要，不僅是后續產品質量問題追溯的根源更是上市公司審計的重要審核內容，因此必須保證數據的可靠性。網絡通信系統也可能存在線路或者交換器或者電腦故障，在發生任何故障保存不成功時必須通知終端的操作人員作相應處理。具體代碼如下：

按下確定按鈕后，如果后臺保存失敗則會彈出“保存失敗”窗口提醒操作人員，如圖4所示。

圖4 保存失敗報警界面

3.4 上位機系統設計

西門子組態軟件WinCC對于監控生產中的數據和設備的運行狀態等方面功能強大，WinCC7.3支持數據庫SQL和VB－Script編程，可以實現對數據庫的直接操作，數據寫入SQL數據表中。用VB-Script編程可以實現將數據歸檔、查詢、顯示、打印功能，從而大大提高數據存儲和報表的靈活性，設計出滿足用戶需求的自定義報表[9]。

組態畫面如圖5、圖6所示，在畫面中有實時數據監控內容，管理人員在辦公室可以實時監控設備的運行狀態，當發生網絡故障時相關數據不能讀取，數據框中會出現“？”號，有助于及時發現系統故障。

圖5 上位機的上膠機界面

圖6 上位機的RTO界面

3.4.1 變量數據的歸檔

進行生產回溯的前提是建立生產回溯數據庫，將所有需要回溯的生產信息記錄到數據庫中，基于WinCC組態環境的信息記錄方法有很多，本項目采用WinCC VBS腳本操作WinCC歸檔數據庫或關系數據庫[10]。

1）如圖7所示，在變量管理的MODBUS TCP/IP驅動中建立需要用到的變量并設置網絡參數。

圖7 設置變量網絡參數

2）在變量記錄中組建歸檔變量，歸檔變量與系統管理變量連接，通過歸檔變量組態，如圖8所示，變量記錄事件控制設置為變量控制，設置的“起始變量”BOOL變量發生位變化時觸發一次數據庫寫入，并設置變量的檢測變化周期為500ms[11]。

圖8 設置變量歸檔參數

3）數據庫寫入

全局腳本需要實時監測觸摸屏上按鈕的狀態，當觸摸屏“確認”按鈕按下時系統對應變量置位，同時觸摸屏在等待系統的保存確認信息，等待時間為3S，因此在以下程序中與觸摸屏對應相互刷新的“RTOhmiok”變量在數據保存標志位“startRTO”XOR運算后執行置位處理[12]，具體代碼如下：

3.4.2 數據庫查詢

如圖9所示，監控畫面中引用“WinCC Online TableContrl”控件并組態好相關的參數，定義好對應歸檔內容的數據列，保留需要使用的功能，運行時可以通過時間選擇控件來查找對應時間段的記錄[13]。

圖9 數據的查詢

3.4.3 數據的采集和處理

在全局腳本中應用VBS腳本編寫數據處理程序，則相應的腳本程序每秒執行一次運算，這個速度可以滿足項目要求。為了提高MODBUS TCP/IP通訊的速度及數據格式的統一連續性以及方便傳輸，項目中需要通訊的數據定義為INT和BOOL兩種格式，因此數據采集后需要進一步處理。例如：溫度顯示應該為實數，所以采集回來的數據需要除以10處理，具體代碼如下：

4 結語

新系統突破以往系統的架構，開發出了低成本、兼容性強、高可靠、超速率SCADA數據采集與監控軟件系統，在設備CPU與上位機間利用具備以太網通訊功能的IE觸摸屏組成數據控制層，一方面實現了以較低成本兼容多種控制系統的數據采集，另一方面采用人機交互方式讓記錄關聯設備使用者，做到過程數據及相關責任人相互關聯，該系統的在實際應用中如圖10所示，每個車間減少6個上膠人員定編，每年節約人工費用約40萬元，每天可節約184張印刷紙，每年可節約8000元。系統創新架構對眾多企業以低成本實現和提高自動化水平有著一定的借鑒意義。

圖10 新系統的應用