WinCC在重軌精整加工線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
近年來，隨著我國鐵路高速發(fā)展和國內(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)量要求也越來越嚴格。對于鞍鋼這樣一個以生產(chǎn)重軌為主的大型材軋鋼廠大型廠來說，設(shè)備與技術(shù)的落后嚴重制約著企業(yè)的發(fā)展。2001年，本著“高起點、少投入、快產(chǎn)出、高效益”的技改原則，運用當代世界領(lǐng)先技術(shù)，對大型廠重軌精整加工線進行了大規(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)備從國外引進，配套和附屬設(shè)備由鞍鋼自行設(shè)計制造，是我國目前唯一投入運行的一條具有世界先進水平的重軌生產(chǎn)線。由于當時工期緊張，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)沒有開發(fā)，給設(shè)備管理和維護帶來困難，嚴重影響了生產(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，采用Siemens公司工業(yè)控制組態(tài)軟件，設(shè)計了基于WinCC的精整加工線設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實現(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)近年來發(fā)展迅速。WinCC是一個集成的人機界面(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、過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和微機軟件技術(shù)的強大產(chǎn)品系列。WinCC即Windows Control Center(視窗控制中心)，它包括圖形設(shè)計器、報警記錄、變量記錄、報表、全局腳本、用戶管理等功能，使其具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新、可靠的數(shù)據(jù)管理，它在Windows NT或Windows 2000標準環(huán)境中提供所有功能，并確保安全可靠地控制生產(chǎn)過程。
WinCC具有監(jiān)控生產(chǎn)過程的強大功能。是基于個人計算機的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，它是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程管理與調(diào)度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運行、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。WinCC具有廣泛的應(yīng)用和較強的兼容性。它能提供成熟可靠的操作和高效的組態(tài)功能，同時具有靈活的配置能力。
WinCC一個主要特點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套德國西馬克公司的矯直機系統(tǒng)、2臺美國CMI鋸鉆組合機床、4臺德國WGN鋸鉆組合機床、2個橫移臺架、3個淬火臺架及運輸輥道組成。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)合矯直機矯直、矯后臺架緩沖、檢測中心探傷、橫移臺架緩沖、分1#線、2#線、改尺線(通常用于加工再制品)、進入鋸鉆組合機床對重軌端部鋸切、鉆孔、到達淬火臺架對重軌端部淬火、最后送入檢查臺架進行人工檢查。整個生產(chǎn)過程由9臺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Profibus-DP網(wǎng)與從站通訊、數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對區(qū)域生產(chǎn)設(shè)備的操作和控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
為了保證整個系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行，在不改變原有網(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，增加一臺工業(yè)計算機作為上位機執(zhí)行顯示、操作、報警、儲存等，現(xiàn)有進行控制的PLC作為下位機執(zhí)行保護、控制和數(shù)據(jù)的采集，脫離上位機也能獨立對系統(tǒng)進行控制，此時要考慮上、下位機通訊的要求。同時精整加工線監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)容龐大，工作量大，開發(fā)監(jiān)控程序時要考慮調(diào)試時間的問題。
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)議下同時進行數(shù)據(jù)采集。在設(shè)計精整加工線監(jiān)控系統(tǒng)時，采用WinCC。新增的工業(yè)計算機采用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CP5611通訊卡(MPI/PROFIBUS)和網(wǎng)卡與下位機通訊;下位機采用S7-300/400系列PLC，共9組。在考慮經(jīng)濟性的前提下，同時采用MPI及以太網(wǎng)兩種協(xié)議與上位機通訊，既11#電磁站PLC及6臺鋸鉆組合機床PLC通過自身的MPI口與上位機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PLC及4#電磁站PLC通過以太網(wǎng)通訊板CP443-1與上位機網(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
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)場畫面部分。總覽部分位于畫面上方，組態(tài)單位標識符、畫面主題、登陸用戶及PLC狀態(tài)顯示;現(xiàn)場部分位于畫面中央，組態(tài)主畫面及各個設(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)容實現(xiàn)對單臺設(shè)備進行更細致的顯示;按鈕部分位于畫面的下方，組態(tài)畫面中的固定按鈕、日期和時間以及報警狀態(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—分級在多張畫面內(nèi)，則對一個不了解現(xiàn)場工藝的必然有一種工藝關(guān)聯(lián)不上條理不清的感覺。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)計方式，以現(xiàn)場設(shè)備安裝位置為參考，將矯直機開始至淬火臺架的全部設(shè)備包含進來，非常直觀的再現(xiàn)設(shè)備運行及生產(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條、鼠標滾動顯示畫面的其余部分，利用縮放按鈕可以縮放現(xiàn)場畫面。主要功能包括:
(1) 將生產(chǎn)現(xiàn)場成比例在監(jiān)控主畫面上放大或縮小顯示，即可以了解畫面上每個元件的詳細信息又可直觀了解生產(chǎn)工藝布局;
(2) 將監(jiān)控主畫面中每臺運行設(shè)備(變頻器、無觸點、檢測元件、驅(qū)動元件等)都用規(guī)定顏色指示設(shè)備的當前工作狀態(tài)，如紅色表示故障、黃色表示報警、綠色表示運行等，一目了然;
(3) 在幫助中集成事故處理預(yù)案，指導(dǎo)維護人員快速準確處理設(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)場分布及加工情況，即使坐在辦公室也可掌握現(xiàn)場生產(chǎn)信息;
(5) 統(tǒng)計生產(chǎn)信息，如各區(qū)域產(chǎn)量、事故停機時間及計劃外非事故時間等統(tǒng)計，產(chǎn)生生產(chǎn)記錄，自動定時地存儲在電子表格Excel中，并利用OEE(設(shè)備整體效能)的計算方法及產(chǎn)量圖表對生產(chǎn)情況進行統(tǒng)計分析，為提高生產(chǎn)率提供理論依據(jù);
(6) 對畫面上的設(shè)備分組并標注傳動號以區(qū)分及快速定位同類設(shè)備，為避免畫面雜亂，通過按鈕控制來顯示或隱藏傳動號等詳細信息。
在設(shè)備故障的分析及處理過程中，通常對生產(chǎn)情況、設(shè)備運行情況及操作情況了解、掌握的越多，故障的查找越快速、越準確。這樣，就需要對生產(chǎn)情況、設(shè)備運行情況及操作情況同時進行監(jiān)控，但設(shè)備的畫面是按功能設(shè)計，不是大而全，所以不能在一個畫面里全部顯示，例如一個操作臺，可以控制幾組設(shè)備，要是將它在每個單體設(shè)備的畫面中顯示，工作量大且亂。利用彈出式窗口，通過拖動和縮放，將操作臺畫面及單體設(shè)備畫面在監(jiān)控主畫面中以不同位置和形狀顯示出來，即實現(xiàn)多窗口同時監(jiān)控，又能保證按功能設(shè)計畫面。如圖4所示:

圖4 多窗口同時監(jiān)控畫面圖
在設(shè)備維護中需要將幫助信息集成在WinCC中，如設(shè)備事故預(yù)案、常見故障處理方法、對特定信號的說明等。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準的Windows幫助文件，然后利用WinCC API功能調(diào)用顯示。

6 結(jié)束語
該監(jiān)控系統(tǒng)運行以來，控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)一直穩(wěn)定運行，對精整加工線的順利運行、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)備維護難度，給設(shè)備維護人員帶來了很大便利，提高了生產(chǎn)率。為以后自主開發(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)。