1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路高速發(fā)展和國(guó)內(nèi)外鋼軌生產(chǎn)廠家技術(shù)水平和生產(chǎn)能力的提高，重軌產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)格。對(duì)于鞍鋼這樣一個(gè)以生產(chǎn)重軌為主的大型材軋鋼廠大型廠來(lái)說(shuō)，設(shè)備與技術(shù)的落后嚴(yán)重制約著企業(yè)的發(fā)展。2001年，本著“高起點(diǎn)、少投入、快產(chǎn)出、高效益”的技改原則，運(yùn)用當(dāng)代世界領(lǐng)先技術(shù)，對(duì)大型廠重軌精整加工線進(jìn)行了大規(guī)模技術(shù)改造，改造后的重軌生產(chǎn)線發(fā)生了全新變化，核心設(shè)備從國(guó)外引進(jìn)，配套和附屬設(shè)備由鞍鋼自行設(shè)計(jì)制造，是我國(guó)目前唯一投入運(yùn)行的一條具有世界先進(jìn)水平的重軌生產(chǎn)線。由于當(dāng)時(shí)工期緊張，而且改造后設(shè)備數(shù)量增加、控制復(fù)雜，使得重軌矯直、探傷、端部鋸切、鉆孔、淬火的生產(chǎn)線精整加工線生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有開(kāi)發(fā)，給設(shè)備管理和維護(hù)帶來(lái)困難，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。

本文結(jié)合重軌加工線生產(chǎn)、設(shè)備的加工工藝，尤其是重軌精整加工線控制系統(tǒng)改造的特點(diǎn)，采用Siemens公司工業(yè)控制組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了基于WinCC的精整加工線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理。

2 WinCC概述

將監(jiān)控系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)功能分離，在PC基礎(chǔ)上的操作員監(jiān)控系統(tǒng)近年來(lái)發(fā)展迅速。WinCC是一個(gè)集成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，是結(jié)合西門子公司產(chǎn)品、過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微機(jī)軟件技術(shù)的強(qiáng)大產(chǎn)品系列。WinCC即Windows Control Center(視窗控制中心)，它包括圖形設(shè)計(jì)器、報(bào)警記錄、變量記錄、報(bào)表、全局腳本、用戶管理等功能，使其具有高性能的過(guò)程耦合、快速的畫面更新、可靠的數(shù)據(jù)管理，它在Windows NT或Windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中提供所有功能，并確保安全可靠地控制生產(chǎn)過(guò)程。WinCC具有監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程的強(qiáng)大功能。是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程管理與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。WinCC具有廣泛的應(yīng)用和較強(qiáng)的兼容性。它能提供成熟可靠的操作和高效的組態(tài)功能，同時(shí)具有靈活的配置能力。

WinCC一個(gè)主要特點(diǎn)是不但支持所有連接S1MATIC S5/S7/505控制器的通訊通道，還包括Profibus-DP、DDE、OPC等非特定控制器的通訊通道。

3 精整加工線

精整加工線生產(chǎn)設(shè)備由1套德國(guó)西馬克公司的矯直機(jī)系統(tǒng)、2臺(tái)美國(guó)CMI鋸鉆組合機(jī)床、4臺(tái)德國(guó)WGN鋸鉆組合機(jī)床、2個(gè)橫移臺(tái)架、3個(gè)淬火臺(tái)架及運(yùn)輸輥道組成。其工藝布局如圖1所示：

圖1 精整加工線示意圖

精整加工的工藝流程為:重軌經(jīng)平立復(fù)合矯直機(jī)矯直、矯后臺(tái)架緩沖、檢測(cè)中心探傷、橫移臺(tái)架緩沖、分1#線、2#線、改尺線(通常用于加工再制品)、進(jìn)入鋸鉆組合機(jī)床對(duì)重軌端部鋸切、鉆孔、到達(dá)淬火臺(tái)架對(duì)重軌端部淬火、最后送入檢查臺(tái)架進(jìn)行人工檢查。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程由9臺(tái)Siemens公司S7-300/400 PLC分區(qū)域控制，每部分采取I/O從站分布控制，通過(guò)Profibus-DP網(wǎng)與從站通訊、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域生產(chǎn)設(shè)備的操作和控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證整個(gè)系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運(yùn)行，在不改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)的前提下，將監(jiān)控系統(tǒng)與原有控制系統(tǒng)功能分離，增加一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)執(zhí)行顯示、操作、報(bào)警、儲(chǔ)存等，現(xiàn)有進(jìn)行控制的PLC作為下位機(jī)執(zhí)行保護(hù)、控制和數(shù)據(jù)的采集，脫離上位機(jī)也能獨(dú)立對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，此時(shí)要考慮上、下位機(jī)通訊的要求。同時(shí)精整加工線監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)容龐大，工作量大，開(kāi)發(fā)監(jiān)控程序時(shí)要考慮調(diào)試時(shí)間的問(wèn)題。

由于Siemens公司的WinCC和S7-300/400 PLC具有良好的兼容性，可以在不同通訊協(xié)議下同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計(jì)精整加工線監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，采用WinCC。新增的工業(yè)計(jì)算機(jī)采用Windows 2000操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為WinCC V5.0SP2中文版，編程軟件為Step7 V5.1SP4，通過(guò)CP5611通訊卡(MPI/PROFIBUS)和網(wǎng)卡與下位機(jī)通訊;下位機(jī)采用S7-300/400系列PLC，共9組。在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，同時(shí)采用MPI及以太網(wǎng)兩種協(xié)議與上位機(jī)通訊，既11#電磁站PLC及6臺(tái)鋸鉆組合機(jī)床PLC通過(guò)自身的MPI口與上位機(jī)CP5611通訊卡連接，組成MPI通訊網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約7塊CP通訊板;矯直機(jī)PLC及4#電磁站PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊板CP443-1與上位機(jī)網(wǎng)卡連接，組成以太網(wǎng)。其通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

5 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

主控畫面分辨率的設(shè)置為1024×768像素。畫面顯示分成三部分:總覽部分、按鈕部分和現(xiàn)場(chǎng)畫面部分。總覽部分位于畫面上方，組態(tài)單位標(biāo)識(shí)符、畫面主題、登陸用戶及PLC狀態(tài)顯示;現(xiàn)場(chǎng)部分位于畫面中央，組態(tài)主畫面及各個(gè)設(shè)備畫面，需要完成監(jiān)控主畫面及各子畫面的切換工作，根據(jù)需要更換畫面窗口內(nèi)顯示的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備進(jìn)行更細(xì)致的顯示;按鈕部分位于畫面的下方，組態(tài)畫面中的固定按鈕、日期和時(shí)間以及報(bào)警狀態(tài)行。

精整加工線生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量多，而且在一個(gè)水平面里布置，工藝連接密切，相互關(guān)聯(lián)，如采用傳統(tǒng)的顯示方法—分級(jí)在多張畫面內(nèi)，則對(duì)一個(gè)不了解現(xiàn)場(chǎng)工藝的必然有一種工藝關(guān)聯(lián)不上條理不清的感覺(jué)。于是充分利用了WinCC最大可建4096×4096畫面的功能，在監(jiān)控主畫面內(nèi)突破通常畫面設(shè)計(jì)方式，以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝位置為參考，將矯直機(jī)開(kāi)始至淬火臺(tái)架的全部設(shè)備包含進(jìn)來(lái)，非常直觀的再現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行及生產(chǎn)情況。如圖3所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面圖

由于監(jiān)控主畫面尺寸超過(guò)所使用圖形系統(tǒng)(監(jiān)視器的顯示卡)的最大分辨率，可以使用畫面窗口滾動(dòng)條、鼠標(biāo)滾動(dòng)顯示畫面的其余部分，利用縮放按鈕可以縮放現(xiàn)場(chǎng)畫面。主要功能包括:

(1) 將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成比例在監(jiān)控主畫面上放大或縮小顯示，即可以了解畫面上每個(gè)元件的詳細(xì)信息又可直觀了解生產(chǎn)工藝布局;
(2) 將監(jiān)控主畫面中每臺(tái)運(yùn)行設(shè)備(變頻器、無(wú)觸點(diǎn)、檢測(cè)元件、驅(qū)動(dòng)元件等)都用規(guī)定顏色指示設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，如紅色表示故障、黃色表示報(bào)警、綠色表示運(yùn)行等，一目了然;
(3) 在幫助中集成事故處理預(yù)案，指導(dǎo)維護(hù)人員快速準(zhǔn)確處理設(shè)備故障;
(4) 將生產(chǎn)線上重軌以紫紅色線條表示，直觀展現(xiàn)重軌現(xiàn)場(chǎng)分布及加工情況，即使坐在辦公室也可掌握現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息;
(5) 統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)信息，如各區(qū)域產(chǎn)量、事故停機(jī)時(shí)間及計(jì)劃外非事故時(shí)間等統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)生生產(chǎn)記錄，自動(dòng)定時(shí)地存儲(chǔ)在電子表格Excel中，并利用OEE(設(shè)備整體效能)的計(jì)算方法及產(chǎn)量圖表對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為提高生產(chǎn)率提供理論依據(jù);
(6) 對(duì)畫面上的設(shè)備分組并標(biāo)注傳動(dòng)號(hào)以區(qū)分及快速定位同類設(shè)備，為避免畫面雜亂，通過(guò)按鈕控制來(lái)顯示或隱藏傳動(dòng)號(hào)等詳細(xì)信息。

在設(shè)備故障的分析及處理過(guò)程中，通常對(duì)生產(chǎn)情況、設(shè)備運(yùn)行情況及操作情況了解、掌握的越多，故障的查找越快速、越準(zhǔn)確。這樣，就需要對(duì)生產(chǎn)情況、設(shè)備運(yùn)行情況及操作情況同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，但設(shè)備的畫面是按功能設(shè)計(jì)，不是大而全，所以不能在一個(gè)畫面里全部顯示，例如一個(gè)操作臺(tái)，可以控制幾組設(shè)備，要是將它在每個(gè)單體設(shè)備的畫面中顯示，工作量大且亂。利用彈出式窗口，通過(guò)拖動(dòng)和縮放，將操作臺(tái)畫面及單體設(shè)備畫面在監(jiān)控主畫面中以不同位置和形狀顯示出來(lái)，即實(shí)現(xiàn)多窗口同時(shí)監(jiān)控，又能保證按功能設(shè)計(jì)畫面。如圖4所示:

圖4 多窗口同時(shí)監(jiān)控畫面圖

在設(shè)備維護(hù)中需要將幫助信息集成在WinCC中，如設(shè)備事故預(yù)案、常見(jiàn)故障處理方法、對(duì)特定信號(hào)的說(shuō)明等。直接在WinCC中創(chuàng)建窗口顯示這些信息，存在以下不足:編輯和查找都不方便、工作量大、畫面大小受限制，在一個(gè)畫面里存放內(nèi)容有限、不能顯示圖文并茂或內(nèi)容多的幫助信息。因此，可以考慮將幫助信息建成標(biāo)準(zhǔn)的Windows幫助文件，然后利用WinCC API功能調(diào)用顯示。

6 結(jié)束語(yǔ)

該監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)精整加工線的順利運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)控、高產(chǎn)起到了非常重要的作用。而基于WinCC的監(jiān)控系統(tǒng)大大降低了設(shè)備維護(hù)難度，給設(shè)備維護(hù)人員帶來(lái)了很大便利，提高了生產(chǎn)率。為以后自主開(kāi)發(fā)更加完善的重軌加工線網(wǎng)絡(luò)化、信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

本文摘自《PLC&FA》