韓光輝，魏鵬飛

（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053）

監(jiān)控系統(tǒng)在糧食儲備庫中的優(yōu)化設(shè)計

韓光輝，魏鵬飛

（中糧工程科技（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450053）

以糧食儲備庫的控制系統(tǒng)項目為背景，重點闡述西門子WINCC7.0在糧食儲備庫的優(yōu)化設(shè)計。本文介紹系統(tǒng)硬件的組成，PLC與上位機的通訊，使用WINCC組態(tài)軟件開發(fā)上位機的HMI界面，通過實施獲得了較好的控制效果。WINCC監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的易用性，減少了設(shè)備停機時間，避免了操作員的誤操作等。

糧食儲備庫；自動控制；上位機監(jiān)控

1 項目簡介

該項目是一個新建項目，主要實現(xiàn)針對汽車來糧接收的自動控制。本系統(tǒng)的被控對象包括斗提式輸送機、皮帶輸送機、電動閘閥門、除塵除雜設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等。從工藝上講，本項目只有進(jìn)倉流程，主要實現(xiàn)進(jìn)倉作業(yè)的自動化控制。從被控對象上看，設(shè)備類型多、數(shù)量多。

從糧食儲備庫工況來看，閘閥門、傳感器、除塵器經(jīng)常發(fā)生故障，需要特別處理以減少設(shè)備停機時間。從人員上看，本項目的操作員不熟悉自動控制系統(tǒng)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)必須注重實用性、易用性，盡量從技術(shù)上減少操作員的錯誤操作。

2 PLC S300+WINCC7.0的系統(tǒng)構(gòu)成

本項目按照集中管理、分散控制的思想?？刂葡到y(tǒng)從功能上分為三部分：上位機操作員站、下位機控制站、通信網(wǎng)絡(luò)。由現(xiàn)場檢測裝置、現(xiàn)場開關(guān)、急停開關(guān)、現(xiàn)場操作箱、PLC、工業(yè)交換機及工控機等構(gòu)成[1]。

2.1 操作員站

操作員站作為人機交互界面，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)操作和設(shè)備的監(jiān)控功能，負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與管理等。選用一臺研華IPC-810E工業(yè)控制計算機作為操作員站，采用西門子WINCC7.0開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 下位機控制站

控制站作為整個控制系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)設(shè)備的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通訊等功能。控制站采用標(biāo)準(zhǔn)模塊式結(jié)構(gòu)化PLC：電源模塊、CPU、輸入模塊、輸出模塊和通訊模塊等，構(gòu)成一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3 通訊網(wǎng)絡(luò)

通訊網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，其可靠性、實時性事關(guān)重大。本系統(tǒng)選用西門子CPU315-2EH作為主控制器，帶有2個以太網(wǎng)口和1個DP總線接口，CPU向上通過工業(yè)交換機與工控機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，向下通過DP總線與PLC從站及儀表通訊?？刂葡到y(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 PLC程序的開發(fā)

PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)。根據(jù)項目設(shè)備類型和工藝要求來編寫各控制功能塊。主要控制模塊包括主設(shè)備控制功能塊、輔助設(shè)備控制功能塊、故障處理功能塊、流程選擇功能塊和IO轉(zhuǎn)換功能塊等。

根據(jù)設(shè)備的不同類型，建立相應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)變量，選擇相應(yīng)的控制功能塊就可以很大程度上提高編程效率。設(shè)備單機控制包括斗提機控制、皮帶機控制、除塵除雜設(shè)備控制、閘閥門控制和軸流風(fēng)機控制等。

根據(jù)流程作業(yè)的要求，編寫流程初始化程序、流程選擇程序、流程控制程序。其中，流程控制程序包括輸送設(shè)備的啟停邏輯控制、除塵器的啟停邏輯控制、閘閥門的開關(guān)邏輯控制等。其他還包括電表數(shù)據(jù)處理程序、報警處理程序、程序測試、控制系統(tǒng)通訊狀態(tài)等。

4 WINCC監(jiān)控畫面的開發(fā)

監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)從實用性、易用性的角度出發(fā)，包括登錄畫面、總工藝畫面、流程選擇控制、閥門管理、報警總覽、電能管理、參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)配置。其中，總工藝畫面作為主畫面，監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位機監(jiān)控畫面結(jié)構(gòu)圖

4.1 總工藝畫面的設(shè)計

總工藝畫面作為操作員作業(yè)時主要監(jiān)控畫面，可以分為標(biāo)題欄區(qū)、畫面導(dǎo)航區(qū)、流程信息顯示區(qū)、系統(tǒng)按鈕區(qū)、工藝畫面區(qū)和報警區(qū)等6個區(qū)域，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的總工藝畫面圖

標(biāo)題欄區(qū)顯示了設(shè)計單位、項目名稱、當(dāng)前操作員名稱及當(dāng)前時間，畫面導(dǎo)航區(qū)用于不同畫面的切換，這兩個區(qū)域是所有畫面的共享區(qū)域。流程信息顯示區(qū)顯示當(dāng)前作業(yè)流程的類型、流程號、流程狀態(tài)、使用設(shè)備等。系統(tǒng)按鈕區(qū)包括全局連鎖、全局故障復(fù)位、總急停、開車預(yù)警和報警測試等。報警區(qū)用于顯示當(dāng)前最新報警，并啟動聲光報警器來提示操作員。工藝畫面區(qū)顯示糧食物流總工藝，包含所有可監(jiān)控設(shè)備。通過設(shè)備的顏色變化可直觀顯示出設(shè)備的狀態(tài)，如運行為綠色、故障為紅色、單機為黃色、連鎖為藍(lán)色等。通過鼠標(biāo)左鍵點擊該設(shè)備在彈出的操作窗口中，可對該設(shè)備進(jìn)行單機啟停、手自動切換、故障復(fù)位、設(shè)備狀態(tài)查看等操作。通過倉上提示的信息能快速查看到正在進(jìn)行的進(jìn)倉作業(yè)。對于一個新的操作員，通過設(shè)備主要顏色、鼠標(biāo)操作提示功能可以快速適應(yīng)系統(tǒng)，減少誤操作。

4.2 分畫面的設(shè)計

本系統(tǒng)分畫面設(shè)計按照功能劃分，清晰明了，操作簡潔，避免了操作員的誤操作。

流程選擇控制畫面包括進(jìn)倉流程選擇、流程控制、流程信息顯示等功能，流程控制包括流程保存、流程取消、流程啟動、流程停止和流程急停等。流程控制信息顯示所選擇流程的基本信息，包括流程號、流程作業(yè)類型以及此流程使用的設(shè)備。

閥門管理畫面由于工況復(fù)雜，經(jīng)常會出現(xiàn)閥門傳感器故障的情況，為了減少設(shè)備停機，當(dāng)現(xiàn)場閥門傳感器故障時，在手動將閥門搖到位時，在確認(rèn)閥門位置后，仍然可以使用流程進(jìn)行作業(yè)。報警畫面顯示所有被監(jiān)控的設(shè)備的報警信息，包括報警設(shè)備、報警類型、報警時間等。電能管理畫面顯示設(shè)備的運行電流、額定電流、電流百分比設(shè)定，其中電流百分比的設(shè)定需要獲得授權(quán)。參數(shù)設(shè)置在調(diào)試時為避免失速和堵料傳感器報警，為了減少設(shè)備停機時間，可以設(shè)置故障信號不停機；設(shè)備故障屏蔽后還有故障報警，但不會再因故障導(dǎo)致停機。該功能同樣需要獲得授權(quán)。系統(tǒng)配置畫面可顯示控制系統(tǒng)的硬件配置，監(jiān)控各PLC站狀態(tài)，修改操作員密碼，變更登錄等功能。

4.3 權(quán)限分級管理

本系統(tǒng)設(shè)置了三級賬號管理，即操作員級、電工級、工程師級。由于本項目為2家企業(yè)共用，為了防止操作員誤操作，系統(tǒng)通過權(quán)限管理，實現(xiàn)了不同單位不同級別賬號擁有不同的授權(quán)。操作員用戶用于正常作業(yè)，電工用戶用于設(shè)備故障或設(shè)備運行參數(shù)變化時；工程師用戶用于設(shè)計單位在系統(tǒng)調(diào)試時使用。其中，操作員用戶的授權(quán)包括過程監(jiān)控、窗口選擇、設(shè)備啟停，流程選擇和系統(tǒng)退出等功能。電工用戶的授權(quán)包含操作員用戶的所有授權(quán)，但是同時擁有電能管理和參數(shù)設(shè)置的授權(quán)。

4.4 單機操作窗口的開發(fā)

本項目中單機操作窗口如圖4所示，操作窗口的畫面布局分為6個區(qū)域，分別是設(shè)備標(biāo)題區(qū)、設(shè)備靜態(tài)信息區(qū)、設(shè)備傳感器顯示區(qū)、設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)、設(shè)備控制區(qū)和設(shè)備輔助功能區(qū)。

圖4 斗提機操作窗口畫面圖

設(shè)備標(biāo)題區(qū)的設(shè)計可以使操作員清楚地知道自己將要操作的設(shè)備。設(shè)備靜態(tài)信息區(qū)的設(shè)計可以使操作員清楚每個設(shè)備的位置、功率、控制回路的位置等，以便在故障發(fā)生時，可以結(jié)合報警信息指導(dǎo)電工快速找到問題，解決問題。設(shè)備傳感器顯示區(qū)的設(shè)計使操作員可以實時查看設(shè)備保護(hù)裝置狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)顯示區(qū)的設(shè)計使操作員可以集中管理現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，當(dāng)有故障發(fā)生時第一時間看到設(shè)備故障情況。設(shè)備控制區(qū)包括自動、手動、啟動、停止4個按鈕，當(dāng)設(shè)備處于流程作業(yè)時，4個按鈕是不能操作的，這樣設(shè)計提高了流程作業(yè)的安全性，防止了操作員的誤操作。設(shè)備輔助功能區(qū)包括故障清除和退出，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，只有現(xiàn)場設(shè)備故障排除后，故障清除按鈕才能清除程序中的故障狀態(tài)。

5 結(jié)語

本項目所設(shè)計的基于西門子PLC S300+WINCC7.0的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對糧食儲備庫的自動控制。清晰明了、信息豐富、操作簡潔、人機交互友好的主畫面設(shè)計和單機窗口設(shè)計，提高了系統(tǒng)的易用性和可操作性；參數(shù)設(shè)置、閥門管理分畫面設(shè)計，減少了系統(tǒng)故障停機時間，提高了系統(tǒng)的靈活性；按功能劃分的各畫面、控制按鈕分時可用、權(quán)限管理等設(shè)計，避免了操作員的誤操作；程序測試功能作為操作員實戰(zhàn)演練的工具，得到了操作員的一致好評。

[1]許德剛，肖人彬.我國智能化糧食物流系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2009，5（2）：22-26.

[2]邱星亮，游彩虹.錦州港現(xiàn)代糧食物流控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].糧食流通技術(shù)，2009，15（3）：25-27.

[3]杜海濤.基于西門子S7400+WINCC7.0在單吹鈍化顆粒鎂裝置中的應(yīng)用[J].中國科技博覽，2014，15（3）：27-28.

[4]蘇昆哲.深入淺出西門子Wincc V6[M].2版.北京：北京航天航空航空大學(xué)出版社，2004.

[5]廖常初.S7300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Optimized Design of Monitoring System in Grain Reserve

Han Guanghui, Wei Pengfei
（COFCO Engineering & Technology (Zhengzhou) CO., Ltd., Zhengzhou 450053, China）

Based on the project of grain reserve control system, the design optimization of WINCC7.0 in Grain Reserve was emphasized. This paper introduced the composition of the system hardware, the communication between the PLC and the host computer, the use of WINCC confi guration software to develop the host computer's HMI interface, the better control effect is obtained through the implementation. The optimal design of WINCC monitoring system improves the system's ease of use, reduces the downtime of the equipment, and avoids the operator's misoperation

Grain reserve; Automatic control; PC monitor

TP273.5

10.16736/j.cnki.cn41-1434/ts.2016.22.028

韓光輝（1988-），男，碩士研究生，助理工程師；專業(yè)方向為控制工程。

魏鵬飛（1986-），男，碩士研究生，工程師；專業(yè)方向為控制理論與控制工程。