李 軍，席 巍，劉長(zhǎng)青，李明海

（1.北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京 100020；2.北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院，北京 100020）

0 引言

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于熱力發(fā)電、金屬冶煉、鋼鐵加工和汽車制造等行業(yè)企業(yè)的降溫處理工藝中，可以實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)再利用，節(jié)約大量工業(yè)用水。應(yīng)用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，可以提高企業(yè)的工作效率，改善現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還能降低不安全因素，已經(jīng)被越來(lái)越多的行業(yè)企業(yè)所接受[1～3]。

對(duì)于一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的PLC控制系統(tǒng)，除了硬件和控制軟件外，還應(yīng)有適于用戶操作的方便的人機(jī)界面（HMI），HMI承擔(dān)的任務(wù)包括過(guò)程可視化、過(guò)程控制、報(bào)警顯示、過(guò)程值歸檔以及過(guò)程和設(shè)備的參數(shù)管理等[4]。WinCC是由西門子公司推出的基于Windows操作系統(tǒng)的HMI/SCADA系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、樓宇等領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)的人機(jī)界面組態(tài)，可以為操作人員組態(tài)友好的圖形用戶界面，同時(shí)以Microsoft SQL Server為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、處理和分析[5]。

本文針對(duì)北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于WinCC的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主控制器為西門子S7-300 PLC。根據(jù)設(shè)備的分布情況，將PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主從站結(jié)構(gòu)。主站在地下室的機(jī)房PLC控制柜內(nèi)，用于控制位于地下室的系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主站的CPU型號(hào)為CPU315-2PN/DP（自帶PROFIBUS-DP接口和PROFINET接口）。從站位于屋頂PLC控制柜內(nèi)，用于控制屋頂?shù)?3臺(tái)閉式冷卻塔，從站系統(tǒng)采用西門子的ET200M，接口模塊為IM153-1。主站和從站通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的中控計(jì)算機(jī)位于一層，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）與PLC主站進(jìn)行通信。在該控制系統(tǒng)中，由PLC主站和從站組成的主控制器，是對(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際控制的下位機(jī)，而WinCC監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程可視化的上位機(jī)。

1.2 主要監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控信號(hào)分析

WinCC監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)PLC以過(guò)程變量的方式實(shí)現(xiàn)HMI與機(jī)械設(shè)備或過(guò)程之間的通信，因此，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主要監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控信號(hào)的分析結(jié)果，是WinCC監(jiān)控系統(tǒng)中創(chuàng)建過(guò)程變量的依據(jù)。

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是對(duì)位于屋頂?shù)?3臺(tái)閉式冷卻塔以及位于地下室的水泵、閥和傳感器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。

1）閉式冷卻塔

每臺(tái)閉式冷卻塔均包含風(fēng)機(jī)、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、水槽電加熱裝置、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置（2臺(tái)）等設(shè)備。每臺(tái)閉式冷卻塔的出水口均有溫度傳感器檢測(cè)出水溫度，所有閉式冷卻塔都通過(guò)出水口將冷卻水排到一個(gè)密閉集水槽中，密閉集水槽設(shè)有5個(gè)溫度傳感器用于檢測(cè)水的溫度，另外還有一個(gè)液位傳感器檢測(cè)水槽的液位。整個(gè)閉式冷卻塔系統(tǒng)的外部設(shè)有1個(gè)溫度傳感器和1個(gè)濕度傳感器，用于檢測(cè)室外的溫度和濕度，主要用于實(shí)現(xiàn)冷卻塔的防凍控制。

閉式冷卻塔的風(fēng)機(jī)、噴淋泵、內(nèi)循環(huán)輔助泵、水槽電加熱裝置、內(nèi)循環(huán)電加熱裝置等設(shè)備各自的主要監(jiān)控信號(hào)包括運(yùn)行狀態(tài)、啟停控制、過(guò)載報(bào)警以及手動(dòng)/自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換信號(hào)。

2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

位于地下室的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括4個(gè)工藝循環(huán)泵、12個(gè)蝶閥、1個(gè)旁通閥以及供冷卻水循環(huán)的管道，在管道中設(shè)有6個(gè)溫度傳感器、6個(gè)壓力傳感器和2個(gè)流量傳感器用于監(jiān)測(cè)循環(huán)水的狀態(tài)。

工藝循環(huán)泵的主要監(jiān)控信號(hào)包括水流狀態(tài)（開(kāi)/關(guān)）、運(yùn)行狀態(tài)、過(guò)載報(bào)警、上口接觸器狀態(tài)、變頻頻率反饋、變頻啟停控制、變頻頻率設(shè)置和手動(dòng)/自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換信號(hào)。蝶閥的主要監(jiān)控信號(hào)包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋、手動(dòng)/自動(dòng)模式轉(zhuǎn)換信號(hào)和開(kāi)關(guān)控制。旁通閥的主要監(jiān)控信號(hào)包括旁通閥開(kāi)度反饋和旁通閥開(kāi)度設(shè)置。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)采用SIMATIC WinCC V7.0進(jìn)行組態(tài)，該版本的WinCC具有靈活而強(qiáng)大的過(guò)程可視化功能，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的顯示和工作過(guò)程的控制[6]。

設(shè)計(jì)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)首先需要?jiǎng)?chuàng)建WinCC監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目，并建立WinCC與PLC的通信連接。按照設(shè)計(jì)方案，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)與PLC通過(guò)PROFINET進(jìn)行通信，因此創(chuàng)建WinCC項(xiàng)目時(shí)，選擇在SIMATIC PROTOCOL SUITE通信協(xié)議集的TCP/IP通道中建立WinCC與PLC的通信連接，并在該通信連接中創(chuàng)建過(guò)程變量。

2.1 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

過(guò)程可視化和過(guò)程控制是監(jiān)控系統(tǒng)最基本、最重要的功能和任務(wù)，其關(guān)鍵是監(jiān)控畫面的組態(tài)。設(shè)計(jì)良好的監(jiān)控畫面代表了友好的圖形用戶界面，操作員可以通過(guò)監(jiān)控畫面監(jiān)視過(guò)程的工作狀態(tài)，也可以對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制。

汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)了起始畫面、工藝總流程、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警顯示、趨勢(shì)圖、PID調(diào)試共6個(gè)監(jiān)控畫面，畫面結(jié)構(gòu)如圖2所示，箭頭代表了畫面之間的切換關(guān)系。WinCC監(jiān)控系統(tǒng)激活進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，顯示起始畫面，操作人員必須在起始畫面單擊“系統(tǒng)登錄”按鈕，在彈出的系統(tǒng)登錄對(duì)話框中輸入正確的用戶名和密碼后，才能通過(guò)單擊“進(jìn)入系統(tǒng)”按鈕切換到工藝總流程畫面。只有通過(guò)工藝總流程畫面相應(yīng)的切換按鈕才能切換到趨勢(shì)圖、報(bào)警顯示、參數(shù)設(shè)置、PID調(diào)試這4個(gè)畫面，且這4個(gè)畫面中均有切換按鈕返回到工藝總流程畫面。操作人員只能通過(guò)單擊起始畫面的“退出系統(tǒng)”按鈕（受操作權(quán)限保護(hù)），才能退出WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)

工藝總流程畫面是汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)過(guò)程可視化和過(guò)程控制的主要畫面，反映了整個(gè)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作過(guò)程，如圖3所示。通過(guò)指示燈、文字、圖形等反映冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作過(guò)程，例如，通過(guò)I/O域顯示每個(gè)冷卻塔的出水溫度和密閉式集水槽5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度；通過(guò)指示燈的顏色變化反映工藝循環(huán)泵的工作狀態(tài)（指示燈為綠，運(yùn)行狀態(tài)；指示燈為紅，停止?fàn)顟B(tài)）。操作員可以在I/O域中輸入數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)制被控對(duì)象的參數(shù)，例如溫度設(shè)定值，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的人工干預(yù)和控制；可以單擊按鈕對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行啟停控制，例如啟動(dòng)或停止工藝循環(huán)泵。應(yīng)用WinCC提供的變量連接、直接連接、組態(tài)對(duì)話框、動(dòng)態(tài)向?qū)?、直接連接以及C腳本和VBS腳本等組態(tài)方法，可以很方便地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面的過(guò)程可視化和過(guò)程控制功能。

圖3 工藝總流程畫面

對(duì)于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中數(shù)量多、功能類似且運(yùn)行時(shí)實(shí)際工藝狀態(tài)不同的監(jiān)控設(shè)備，例如13個(gè)閉式冷卻塔、4個(gè)工藝循環(huán)泵以及12個(gè)蝶閥，為了避免反復(fù)組態(tài)這些設(shè)備，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用WinCC的畫面模板和結(jié)構(gòu)變量功能[7,8]，組態(tài)了相應(yīng)設(shè)備的控制模板，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)監(jiān)控畫面中根據(jù)條件顯示和控制多個(gè)這些設(shè)備（例如工藝總流程畫面中13個(gè)閉式冷卻塔的顯示和控制），大大減少了監(jiān)控畫面組態(tài)的工作量，極大豐富了監(jiān)控畫面的信息。

2.2 報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)是冷卻水循環(huán)系統(tǒng)WinCC監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的組成部分，用于監(jiān)視冷卻水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的異常和事件，可幫助操作人員快速發(fā)現(xiàn)、定位并解決處理系統(tǒng)的故障和錯(cuò)誤，有效地減少或避免停機(jī)事件和生產(chǎn)事故的發(fā)生。

根據(jù)汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的工作原理和控制工藝，總共組態(tài)了343條報(bào)警信息，例如，根據(jù)工藝循環(huán)泵的控制工藝，為每個(gè)工藝循環(huán)泵組態(tài)了啟動(dòng)故障、停止故障、接觸器啟動(dòng)故障和接觸器停止故障共4條報(bào)警信息。報(bào)警采用離散量報(bào)警方式，離散量的兩種相反的狀態(tài)（0和1表示）定義報(bào)警的出現(xiàn)（1狀態(tài)）和消失（0狀態(tài)）。離散量報(bào)警需要在PLC中設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序，圖4所示為1#工藝循環(huán)泵啟動(dòng)故障的PLC程序。

圖4 報(bào)警的PLC程序

報(bào)警信息在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)顯示需要在WinCC監(jiān)控畫面中添加“WinCC Alarm Control”控件，圖5為報(bào)警信息在監(jiān)控畫面中的顯示。

圖5 報(bào)警信息顯示

2.3 趨勢(shì)圖設(shè)計(jì)

趨勢(shì)圖是變量在運(yùn)行時(shí)的值的圖形表示，以曲線的形式連續(xù)顯示過(guò)程數(shù)據(jù)。WinCC用變量記錄系統(tǒng)（Tag Logging）進(jìn)行趨勢(shì)圖的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、處理和歸檔。

根據(jù)汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制工藝，對(duì)每個(gè)閉式冷卻塔的出水溫度、密閉集水槽中5個(gè)溫度傳感器所采集的溫度以及管道中的6個(gè)溫度傳感器、6個(gè)壓力傳感器和2個(gè)流量傳感器所采集的過(guò)程值組態(tài)了趨勢(shì)圖。在監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中顯示趨勢(shì)圖，需要在WinCC監(jiān)控畫面中添加“WinCC Oline Trend Control”控件，用戶可以根據(jù)需要在控件中選擇一個(gè)或多個(gè)過(guò)程變量趨勢(shì)圖進(jìn)行顯示。圖6所示為1#（紅色）、2#（藍(lán)色）和3#（綠色）閉式冷卻塔出水溫度的趨勢(shì)圖。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用西門子組態(tài)軟件WinCC設(shè)計(jì)了汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)。汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為核心控制器，

【】【】采用了主從站的結(jié)構(gòu)，主控制器為CPU315-2PN/DP，WinCC監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用PROFINET技術(shù)與主控制器進(jìn)行通信連接。汽車生產(chǎn)線冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的WinCC監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了過(guò)程可視化、過(guò)程控制、報(bào)警顯示以及過(guò)程值歸檔和趨勢(shì)圖顯示等功能，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供了友好的、操作方便的人機(jī)界面。該監(jiān)控系統(tǒng)成功應(yīng)用于北京奔馳汽車有限公司汽車生產(chǎn)線焊接和沖壓工藝的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖6 閉式冷卻塔出水溫度趨勢(shì)圖

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