安連祥 姜麗麗 王幃國

(河北工業(yè)大學電氣與自動化學院1，天津 300130;北京北整意安機電設備有限公司2，北京 102600)

0 引言

自20世紀80年代初產(chǎn)生至今，組態(tài)軟件已經(jīng)有了20多年的歷史?？梢哉f，它是隨著計算機技術、DCS和PLC等工業(yè)控制技術的突飛猛進而發(fā)展起來的。

在工業(yè)控制技術不斷發(fā)展和完善的過程中，PC技術日漸成熟，由其構建的工業(yè)計算機控制系統(tǒng)的軟硬件資源豐富，軟件之間的通信快速便捷。在PC技術向工業(yè)控制領域滲透的過程中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而重要的地位。

1 組態(tài)軟件WinCC的特點

西門子視窗中心SIMATIC是HMI/SCADA軟件的后起之秀［1］，它于1996年進入世界工控組態(tài)軟件市場，以最短的時間發(fā)展成世界范圍內(nèi)的三大SCADA系統(tǒng)之一。

作為SIMATIC全集成自動化系統(tǒng)的重要組成部分，WinCC集成了SCADA、組態(tài)、腳本語言和OPC等先進技術，為用戶提供了Windows環(huán)境下使用各種通用軟件的功能;確保了與SIMATIC S7系列PLC連接的便利和通信的高效性;它與STEP7編程軟件的緊密結合縮短了項目開發(fā)的周期。WinCC提供了SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅(qū)動程序。該程序支持多種網(wǎng)絡協(xié)議和類型，通過它的通道單元可與各種SIMATIC S7-300、S7-400的PLC進行通信。

基于WinCC具有的眾多優(yōu)點，在浙江某鋼廠850 mm可逆軋機控制系統(tǒng)中，我們選擇WinCC作為系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)軟件。

2 可逆軋機的工藝流程簡介

可逆軋機的軋制過程是指帶鋼在軋機上往復進行多道次的壓下變形，最終獲得成品的軋制過程。一套基本的可逆軋機控制系統(tǒng)由鋼卷運送/開卷設備、主軋機、前后卷曲機卸卷小車、輸送裝置以及各類液壓站組成。冷軋原料由熱軋機組供給，熱軋帶鋼在冷軋前需經(jīng)過酸洗，以除去帶鋼表面的氧化鐵皮，使冷軋帶鋼表面光潔，并保證軋制生產(chǎn)的順利進行;熱軋帶鋼經(jīng)酸洗后在可逆軋機上進行奇數(shù)道次的可逆軋制，獲得所需厚度的冷軋帶鋼卷［2］。

3 硬件組成

6輥可逆軋機是在4輥可逆軋機的基礎上進行改進而形成的。6輥可逆軋機增加了2個可以軸向移動的中間輥，從而消除了4輥軋機在帶鋼以外的工作輥和支撐輥之間對板形有害的接觸區(qū)。中間輥移動量和彎輥力相互配合可實現(xiàn)軋機橫向剛度無限大。軋輥輥型不受軋制力變化的影響，帶材有良好的板形，可以軋制高精度的薄帶鋼。本可逆軋機具有大壓下量、生產(chǎn)效率高、軋輥損耗小和成材率高等優(yōu)點。

該軋機系統(tǒng)由開卷機、左卷取機、1#主軋機、2#主軋機、右卷取機、上位機、繼電柜和主操作臺等組成，可生產(chǎn)寬度為600～750 mm、厚度為0.2～1.5 mm 的冷軋薄帶鋼。系統(tǒng)的軋制速度為40～480 m/min，最大軋制力為7500 kN，帶卷內(nèi)徑為508 mm、帶卷最大外徑為1600 mm、卷取張力為10～80 kN、開卷機張力為30 kN。系統(tǒng)硬件結構原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構原理圖Fig.1 Principle structure of system hardware

本套軋機自動化系統(tǒng)的一級主站采用了西門子S7-400 PLC，一級從站包括 2個 ET200從站、5臺6RA70全數(shù)字直流調(diào)速器。主從站之間通過Profibus-DP現(xiàn)場總線進行通信。二級上位機采用研華公司生產(chǎn)的IPC-610工業(yè)控制機。

軋機自動化系統(tǒng)軟件采用Windows2000版本，編程軟件采用Soptent軟件，人機接口軟件采用WinCC6.2版本組態(tài)軟件。WinCC與S7-400［3］系列可編程控制器之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信傳輸。人機界面通過硬件驅(qū)動程序S7-5613和通信處理器CP5613，與通信模塊CP443-5進行通信，實現(xiàn)PLC和上位機之間的數(shù)據(jù)交換。

4 通信配置和畫面組態(tài)功能

4.1 通信配置

WinCC為實現(xiàn)監(jiān)控畫面與硬件設備之間的通信提供了多種通信協(xié)議供用戶選擇，這使得PLC與上位機的連接變得更容易。本項目將WinCC與STEP7合用，大大降低了工程開發(fā)周期，這是因為:①在STEP7中配置的變量表可以與WinCC連接時直接使用，通過WinCC可以訪問在PLC中的過程標簽;②WinCC數(shù)據(jù)管理通過邏輯連接來訪問遠程中的過程值;③通道單元通過指定通道的連接訪問過程值所需要的通信步驟，從而為WinCC數(shù)據(jù)管理提供過程值;④所讀入的數(shù)據(jù)作為過程值映像存儲在計算機的RAM中，所有WinCC的組態(tài)單元均可訪問該過程映像［4］。

本項目采用Industrial Ethernet通道作為信號傳輸?shù)穆窂?。工業(yè)以太網(wǎng)是工業(yè)環(huán)境中較為有效的一種子網(wǎng)，它是一種開放式的通信網(wǎng)絡，可靠性高、使用范圍廣、速度快，能夠進行大量數(shù)據(jù)的交換。它通過安裝在PC機上的通信卡與SIMATIC S7進行通信，使用的通信協(xié)議為ISO傳輸層協(xié)議。上位機裝有以太網(wǎng)卡，通過一根網(wǎng)線連接到S7-400的通信卡CP443-5。

WinCC通過工業(yè)以太網(wǎng)與自動化系統(tǒng)進行通信連接時主要進行以下幾步操作。

① 安裝好S7-400的相應模塊(包括CPU、通信卡、FM350、I/O模塊等)，通電運行;

② 在安裝STEP7的計算機上進行PLC的硬件組態(tài);

③ 修改CP443-1的參數(shù)，添加相應的以太網(wǎng)絡，設定MAC地址。在本項目測試中，以實驗室中某S7-400 PLC為試驗對象，打開WinCC添加驅(qū)動程序。

④ 在通道單元中選擇Industrial Ethernet，右擊選擇新驅(qū)動程序的連接，打開連接屬性對話框，選擇連接的屬性，以太網(wǎng)地址以實驗室PC機為例，地址為S7-400的CP443-1通信板上的地址，插槽號為CPU所在的插槽，通常將其放在第2個插槽中。

⑤ 添加驅(qū)動程序連接后可進一步添加變量進行測試。在定義變量的過程中，需要指定變量的類型和地址，特別注意此處變量的地址要和PLC中規(guī)定的變量的地址相對應，方能為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信做準備。PLC中變量的輸出范圍為0～16384，通過設定過程值和變量值的對應關系，可以在畫面上顯示過程變量的實際值［5－7］。

4.2 畫面組態(tài)實現(xiàn)

WinCC可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實施趨勢曲線、歷史趨勢曲線、打印報表及用戶歸檔等操作，為工業(yè)現(xiàn)場提供很好的可視化條件。其圖像編輯器自帶的全局庫包含了工業(yè)過程大部分的元器件，能夠滿足用戶的要求。通過OLE對象和畫面窗口的工具，系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)圖像的整合處理以及實時數(shù)據(jù)的顯示。

上位機的畫面主要由主軋機畫面、實時趨勢曲線畫面、液壓站畫面和報警顯示畫面組成，其中最主要的是主軋機軋制畫面。操作員通過監(jiān)控可以及時得到各個軋機的電流以及張力等參數(shù)，便于現(xiàn)場的及時調(diào)控。

各個畫面的主要設計意圖如下。

① 主軋機畫面:它主要用來顯示整個軋制的工藝過程，并記錄軋機的速度和電流值供操作人員監(jiān)控生產(chǎn)過程，同時對可能的故障進行報警。

② 實時趨勢曲線畫面:為了更好地對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行管理和記錄，我們設計了過程值歸檔，即在變量記錄管理器中增加新的過程值歸檔，并在其中增添所要記錄的過程值。本項目將左右卷曲的電流反饋和速度反饋以及4臺主電機的電流和速度反饋作為歸檔值進行記錄，結果存儲在歸檔數(shù)據(jù)庫中。在系統(tǒng)實際運行中，通過趨勢圖輸出當前的過程值，以便工作人員獲取各個變量的當前信息值，并在變量記錄中添加需要顯示的歸檔變量。

③ 報警顯示畫面:消息系統(tǒng)中報警記錄環(huán)節(jié)的設計主要是為了給工作人員提供關于軋機工作狀態(tài)和設備故障的相關信息。報警頁面配置了需要顯示的信息，如日期、時間、編號、錯誤點以及消息文本，以供操作人員查詢和記錄，在組態(tài)過程中可以顯示長期或者短期歸檔，并打印歸檔。

④ 液壓站組態(tài)畫面:由于在本項目中AGC(automatic gain control)控制系統(tǒng)采用的是液壓壓下的方式，故需要對各個液壓泵進行監(jiān)控操作。根據(jù)需要，操作員分別按下畫面中的按鈕可以對各個泵進行啟動和停止的操作;同時畫面配置了開卷機液壓站加熱器的控制按鈕，當油溫較低時，操作員可以對管道進行加熱操作。

5 結束語

將WinCC組態(tài)畫面在車間進行了相應的測試，通過PLC給定相應變量的數(shù)值(范圍在1～16384之間時)，組態(tài)畫面中能夠按比例對應地顯示輸出值，同樣，當通過按鈕等組件在畫面中操作修改某變量時，PLC程序中相應的變量值也會相應修改，很好地實現(xiàn)了畫面和PLC之間的通信。利用工控組態(tài)軟件WinCC實現(xiàn)PLC與 計算機通信的方法簡單易行，極大地縮短了設計周期，能適應大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求，在現(xiàn)代工業(yè)控制領域有著良好的應用前景。

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