基于WinCC Web UX 的電解水制氫站SCADA 系統設計及應用研究

趙振，張清愉，馮東輝，路建，劉國旭，周文露

（1.中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056004；2.中船（邯鄲）派瑞氫能科技有限公司，河北 邯鄲 056000）

隨著互聯網通訊技術的快速發展和工廠管理模式的不斷優化，傳統的集中式監控操作方式已經不能滿足客戶的生產管理需求，很多客戶要求工廠可實現異地監控、無人值守的智能化管理。傳統監控模式會大大浪費人力物力，導致工作效率低下。另外，“氫”作為一種易燃、易爆的氣體，一旦在制取過程中發生泄漏，極易發生爆炸事故，所以制氫站自動控制系統對于遠程監控的需求更高。一套遠程監控系統不僅可以提升設備的安全監控性能，同時客戶端可隨時隨地對現場參數進行監控，有效地彌補了本地監控的短板。所以本文基于WinCC 的Web UX 選件功能為電解水制氫站設計了一套具備遠程監控的智能化控制系統。

1 電解水制氫遠程監控系統介紹

在工業控制中，遠程監控根據控制模式不同可分為三種：主機集中模式、客戶機-服務器（C/S）模式、瀏覽器-服務器（B/S）模式（如圖1）。本文設計的電解水制氫SCADA 系統是基于B/S 模式。B/S 模式下的客戶端使用的不再是應用程序而是瀏覽器，其客戶端與服務器端通訊采用http 協議，而C/S 模式采用自定義協議。B/S 模式根據服務器返回的數據重新生成界面，而C/S模式是根據服務器返回的數據更新界面。遠程監控系統采用B/S 模式無需用戶單獨安裝應用程序或軟件，而C/S 模式的應用需單獨安裝，并且當軟件升級時，需要用戶再次進行安裝。另外，B/S 模式編程相對簡單，程序員只需進行界面開發和業務邏輯開發，無須再對通信模塊和自定義協議部分進行編程。B/S 模式實際上是對C/S 模式的一種改進和優化。

圖1 B/S 模式

在B/S 模式中，客戶端在瀏覽器界面進行遠程操作，界面與通信模塊建立通訊，通信模塊將操作指令以http 協議標準進行打包，向Web 服務器發送請求，服務器的通訊模塊按照http 協議進行拆包，在Web 服務器中調用業務邏輯并對數據進行計算處理，Web 服務器通信模塊對計算后的數據再次進行打包發送至瀏覽器通信模塊，按照http 協議進行拆包獲取數據，瀏覽器根據服務器返回的數據生成新界面。基于Web 的制氫站控制系統遠程監控主要包括以下功能：遠程實時信息監測、遠程設備操作、數據信息存儲、分級管理權限設置。

遠程實時信息功能可實現對制氫站內儀表參數（系統壓力、液位、流量、溫度、氣體分析儀等）進行遠程實時顯示，并對現場設備運行狀態、報警信息情況、輔助設備運行情況等進行遠程監視。在遠程客戶端網絡條件良好的情況下，基本可以實現遠程客戶端與現場儀表參數同步顯示。遠程設備操作用于實現遠程設備開關機、參數值設定、閥門啟停、輔助設備啟停、純化狀態切換等操作。數據信息存儲功能可實現對重要系統參數進行存儲，并以報表和歷史趨勢圖的形式進行顯示，方便操作人員在調試或處理事故過程中調取過去時間內參數信息以及報警記錄。分級管理權限設置功能是為提高工廠安全性而開發的功能。用戶在WinCC 畫面中點擊登錄按鈕，在彈出的登錄界面輸入登錄名和密碼才能進行操作，不同登錄名的操作權限不同。用戶必須在其對應權限下進行操作，不可越級進行操作，這樣大大提高了制氫站的安全性，降低了人員誤操作的風險。

2 電解水制氫遠程監控硬件設計

基于Web UX 的 SCADA 系統硬件設計分為2 層：遠程網絡和控制室網絡。電解水制氫站的PLC 系統遠程控制是如圖2 所示。遠程網絡由客戶端以及遠程網絡設備組成。控制室網絡的設計主要分為服務器層、控制器層和設備層3 層。

圖2 制氫站遠程控制系統網絡拓撲圖

圖3 用戶登錄界面和遠程監控畫面

2.1 服務器層

本系統的服務器層主要是由Web 服務器、數據庫服務器、WinCC 服務器組成，三者可在同一臺電腦上實現。Web 服務器是連接客戶端和數據庫服務器進行數據傳輸的橋梁。數據庫服務器是用于處理、存儲設備信息的服務器；WinCC 服務器是西門子上位軟件WinCC 自帶的，一方面可以實現運行常規的現場監控軟件，另一方面，可以作為遠程監控的服務器。

2.2 控制器層

控制器層的作用是處理來自現場儀表的參數數據，并根據控制邏輯做出相應的指令，將指令作用到被控對象上，并為上位機提供參數數據。本次設計控制器采用的是西門子S7-1200，下位編程軟件選擇西門子Portal編程軟件。

2.3 設備層

設備層由電解水制氫設備和網絡連接的設備等組成。電解水制氫設備包括氣液處理器框架、純化框架、輔助設備等。網絡連接的設備用于進行各層之間的網絡連接。

3 電解水制氫遠程監控軟件設計

電解水制氫站系統的軟件設計主要包括數據的采集、數據庫存儲、數據處理以及可視化顯示等，包括以下幾個模塊。

（1）設備SCADA 系統。實現電解水制氫設備的數據采集，并存到SQL 數據庫中。

（2）數據可視化模塊。將電解水制氫設備上的儀表參數實時進行顯示。

（3）報表功能。包括系統的報警記錄、數據報表以及歷史參數等可視化顯示功能。

（4）遠程監控模塊。基于WinCC Web UX 選件以網頁訪問的形式實現電解水制氫設備的遠程監控功能。

4 WinCC 畫面的發布以及訪問

4.1 Web UX 配置

Web UX 是WinCC 的一個選件，其基于公認的Web 標準，無須額外的軟件和硬件就可在支持HTML5 的Web 瀏覽器的設備上使用。下面對Web UX 選件的配置步驟進行介紹。

（1）安裝。Web UX 的安裝文件包含在WinCC 的DVD 中，在安裝時應該勾選上SIMATIC WINCC Web UX 和SIMATIC WINCC Navigator 選件，當然也可以根據需要在以后進行單獨安裝。安裝該選件時，會檢測Windows系統的IIS 配置，只有滿足條件時，才能進行下一步進行安裝。建議使用64 位操作系統，僅支持HTTPS 連接。

（2） 配置。 在安裝Web UX 選件后， 需要對WinCC Web UX 進行標準配置，并對IIS（Internet Information Service）網站進行配置，需要配置站點名稱、端口以及證書等參數。之后，在控制面板中選擇管理工具，進入IIS 管理界面，對新生成的網站進行IP地址綁定、端口配置和SSL 證書選擇。

4.2 畫面發布

（1）畫面設計。通過圖形編輯器設計創建屏幕畫面。在相應畫面激活Web-enable，在輸出畫面中檢查畫面兼容性，具有Web UX 屬性的畫面會被保存為.PDL 和后綴名為.json 的文件。

（2）畫面訪問。在圖形編輯器中完成畫面設計后，需要創建用戶和權限，并定義起始畫面。打開WinCC 的用戶管理器，選擇需要訪問Web UX 的用戶。激活Web UX 選項，配置起始畫面和起始語言。

4.3 訪問

保證客戶端和Web UX 服務器在同一個網絡。首先要激活WinCC 項目，然后在客戶端打開支持HTML的瀏覽器，輸入Web UX 站點的網址，輸入格式為：https://IP 地址，在彈出的登錄界面中輸入相應的用戶名和密碼，就可遠程瀏覽發布的畫面了。

5 結語

基于Web UX 選件的SCADA 系統可實現客戶端無須安裝和維護、隨時隨處可在世界范圍內對制氫站的參數信息、運行情況和報警記錄等實現監測。并組態配置集成在工程項目中，其具有無須安裝額外的軟件和硬件，無需進行后期維護以及操作簡單等優點,有很好的應用前景，可大大提升水電解制氫站監控的安全性能。