鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)自動化水平的不斷提高，利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)進行管理以及對生產(chǎn)過程實施數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，越來越受到人們的關(guān)注。</p><p>　　無縫鋼管行業(yè)對于一個國家的經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。當(dāng)今世界，無縫鋼管生產(chǎn)線種類繁多，競爭激烈，只有提升和革新新技術(shù)，才能獲得發(fā)展。本文主要介紹了相

2、關(guān)課題背景和國內(nèi)外無縫鋼管行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及涉及無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)以及WinCC組態(tài)軟件技術(shù)等。本設(shè)計以西門子新一代過程控制系統(tǒng)WinCC為軟件平臺，重點論述基于 SIMATIC WINCC 的無縫鋼管生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā),簡述WINCC的 OPC 通訊功能。在分析了技術(shù)要求和用戶需求后，設(shè)計開發(fā)了無縫鋼管生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)和邏輯控制程序。 </p>

3、<p>　　關(guān)鍵字：無縫鋼管；WinCC；工業(yè)以太網(wǎng)；Profibus-DP；PLC</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of computer technology and industrial automation, more and more attention has

4、 been paid to the management of production and the data collection and monitor in the production process by computer technology.</p><p>　　The industry of seamless steel tube is significant to the development

5、 of the national economy. Nowadays, there are many types of seamless steel tube production line in the world, and much fierce competition between them. Only by upgrading and developing technologies can it be survived and

6、 developed. This article mainly describes the current development status of seamless steel and related background. Industrial Ethernet technology, Profibus-DP technology and WinCC configuration software technolo</p>

7、;<p>　　Key words: Seamless steel; WinCC; Industrial Ethernet; Profibus-DP; PLC</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p>

8、<p><b>　　1. 緒 論1</b></p><p>　　1.1課題背景及意義1</p><p>　　1.1.1無縫鋼管及生產(chǎn)工藝流程簡介1</p><p>　　1.1.2 現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)2</p><p>　　1.1.3 監(jiān)控軟件西門子WinCC簡介3</p>&

9、lt;p>　　1.1.4 西門子SIMATIC S7-300 PLC簡介5</p><p>　　1.2 無縫鋼管的國內(nèi)外現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.1 世界無縫鋼管的現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2.2 我國無縫鋼管的現(xiàn)狀7</p><p>　　1.2.3 我國無縫鋼管產(chǎn)量與生產(chǎn)能力7</p><

10、p>　　1.3 課題研究意義8</p><p>　　1.4 本文主要設(shè)計內(nèi)容8</p><p>　　2. 無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)思與實現(xiàn)9</p><p>　　2.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系簡介9</p><p>　　2.2無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)10</p><p>　　2.2.1 無縫鋼管穿孔機簡介

11、11</p><p>　　2.2.2 無縫鋼管減徑機簡介12</p><p>　　2.3 無縫鋼管生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)13</p><p>　　3. 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計14</p><p>　　3.1 WinCC組態(tài)軟件14</p><p>　　3.1.1 組態(tài)軟件簡述14</p>&l

12、t;p>　　3.1.2 WinCC工業(yè)組態(tài)軟件15</p><p>　　3.2 WinCC特點及安裝16</p><p>　　3.2.1 WinCC特點16</p><p>　　3.2.2 WinCC安裝使用18</p><p>　　3.3硬件和變量配置19</p><p>　　3.4 圖形界面編輯2

13、4</p><p>　　3.4.1 監(jiān)控主畫面設(shè)計24</p><p>　　3.4.2 穿孔機畫面設(shè)計25</p><p>　　3.4.3 減徑機畫面設(shè)計26</p><p>　　3.4.4 報警編輯及畫面設(shè)計27</p><p>　　3.4.5 監(jiān)控趨勢圖設(shè)計28</p><p

14、>　　3.4.6 數(shù)據(jù)歸檔畫面設(shè)計31</p><p>　　3.4.7 報警報表設(shè)計31</p><p>　　4. 創(chuàng)建全局腳本及添加用戶權(quán)限34</p><p>　　4.1 動態(tài)對象設(shè)計34</p><p>　　4.2 全局腳本設(shè)計35</p><p>　　4.3 創(chuàng)建全局腳本動作36</p

15、><p>　　4.4 創(chuàng)建用戶權(quán)限38</p><p>　　5. 簡述WinCC的OPC通訊42</p><p>　　5.1 OPC通訊技術(shù)簡介42</p><p>　　5.2 WinCC與OPC結(jié)合44</p><p><b>　　結(jié)束語47</b></p><p&g

16、t;<b>　　參考文獻48</b></p><p><b>　　致謝49</b></p><p>　　附錄一：鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)變量一覽表50</p><p><b>　　1. 緒 論</b></p><p>　　1.1課題背景及意義</p><p

17、>　　1.1.1無縫鋼管及生產(chǎn)工藝流程簡介</p><p>　　無縫鋼管具有中空截面，大量用作輸送流體的管道，如輸送石油、天然氣、煤氣、水及某些固體物料的管道等。鋼管與圓鋼等實心鋼材相比，在抗彎抗扭強度相同時，重量較輕，是一種經(jīng)濟截面鋼材，廣泛用于制造結(jié)構(gòu)件和機械零件，廣泛用于制造結(jié)構(gòu)件和機械零件，如石油鉆桿、汽車傳動軸、自行車架以及建筑施工中用的鋼腳手架等用鋼管制造環(huán)形零件，可提高材料利用率，簡化制造工序

18、，節(jié)約材料和加工工時，如滾動軸承套圈、千斤頂套等，已廣泛用鋼管來制造。</p><p>　　目前，鋼鐵行業(yè)的規(guī)模企業(yè)基本上實現(xiàn)了生產(chǎn)線的自動化控制，尤其在鋼管行業(yè)，工藝路線長，生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備繁多，布置分散，同時生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，灰塵多，振動大，溫度高，且需要24小時連續(xù)運行，因此相對其他行業(yè)，對設(shè)備的控制提出了更高的要求?，F(xiàn)場總線技術(shù)通過把通信總線延伸到現(xiàn)場設(shè)備，讓分散的現(xiàn)場設(shè)備在同一總線上實現(xiàn)通信，具有系統(tǒng)開放性

19、，結(jié)構(gòu)分散性，抗干擾能力強的特點，使它在冶金行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)不僅減少硬件投資，節(jié)省安裝費用，方便調(diào)試和檢修維護，而且控制精度與可靠性高。Profibus-DP是由西門子為主的德國十幾家公司和科研機構(gòu)共同研制開發(fā)的現(xiàn)場總線，廣泛適用于制造業(yè)自動化和流程工業(yè)自動化等。</p><p>　　無縫鋼管軋制技術(shù)雖隨時間日益進步，日益發(fā)達，但是基本流程卻沒有發(fā)生太大發(fā)展，主要包括鋼坯的鋸切，管坯的加熱，穿孔，

20、軋制，定徑，矯直，檢測，噴標(biāo)打捆。生產(chǎn)設(shè)備多，控制程序復(fù)雜但過程順序清晰，適合采用PLC進行順序控制。無縫鋼管的軋制工藝流程如圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1無縫鋼管的軋制工藝流程</p><p>　　1.1.2 現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)</p><p>　　現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式

21、、多點通信的數(shù)據(jù)總線，是目前受關(guān)注度最高的工業(yè)控制熱點之一，被稱為工業(yè)控制的局域網(wǎng)，并且在實踐中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，依靠其成熟可靠的技術(shù)迎接一個信息化工業(yè)時代。</p><p>　　現(xiàn)場總線的出現(xiàn)導(dǎo)致了新型的網(wǎng)絡(luò)集成全分布控制系統(tǒng)—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)。FCS具有多種結(jié)構(gòu)型式，歸納起來主要有以下二種方式：第一：由現(xiàn)場設(shè)備和操作員站所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)型式；第二由現(xiàn)場設(shè)備、控制站和操作員站所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)型式。[1

22、]傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進行連接。位于現(xiàn)場的測量變送器與位于控制室的控制器之間，控制器與現(xiàn)場的執(zhí)行器、開關(guān)、電機之間均采用一對一的物理連接?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能控制設(shè)備，能夠把原來DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入控制現(xiàn)場，加上現(xiàn)場設(shè)備具有的通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)的功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)徹

23、底的分散控制。現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)與通信基礎(chǔ)：</p><p>　　(1)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)模型</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量的傳感器、控制器、執(zhí)行器等，通常都相當(dāng)零散地分布在一個很大的范圍之內(nèi)。對于由它們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說，單個結(jié)點面向控制的信息量不大，信息傳輸任務(wù)簡單，但實時性要求較高。因此，現(xiàn)場總線的通信模型一般以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)，為現(xiàn)場的檢測可控制進行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

24、發(fā)展?，F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1-2所示。一般都采用OSI模型的典型層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。它具有結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行協(xié)議直觀、價格低廉等優(yōu)點，也滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的性能要求。</p><p>　　圖1-2 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)模型</p><p>　　(2)現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲、傳送介質(zhì)和介質(zhì)訪問控制</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)拓撲指網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點的互連形式。現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)拓撲

25、結(jié)構(gòu)一般采用總線型、樹型。傳送介質(zhì)采用雙絞線、屏蔽雙絞線、同軸電纜、光纖以及少量的無線通信。介質(zhì)訪問控制方式采用CSMA/CD方式或令牌方式。作為工業(yè)控制系統(tǒng)中的底層網(wǎng)絡(luò)，可靠性的要求要比數(shù)據(jù)帶寬更重要，所以令牌方式使用得更為廣泛。</p><p>　　PROFIBUS（PROCESS FIELDBUS）誕生于1987年，是以德國SIEMENS公司為首的十幾家德國公司和研究所共同推出的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，1989年被立

26、項為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245。其后的幾年里FMS、DP、PA先后被批準(zhǔn)實施。1996年3月被歐洲電工委員會批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170（第二卷）。近幾年來，PROFIBUS在全世界得到了廣泛的應(yīng)用。與常規(guī)技術(shù)相比，使用現(xiàn)場總線技術(shù)可以使硬件（包括電纜）、工程設(shè)計、安裝調(diào)試和維護費用節(jié)省40%以上。</p><p>　　PROFIBUS是含現(xiàn)場級（Field Level）和單元級（cell level）的控制網(wǎng)

27、絡(luò)。在這里單元級是指工廠生產(chǎn)線等級別的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS以FMS、PA類型兼容單元級網(wǎng)絡(luò)，以DP和PA類型適應(yīng)現(xiàn)場層。而管理層是以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)。這種自上而下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使工業(yè)企業(yè)的全系統(tǒng)信息集成成為可能。信息可以從工業(yè)現(xiàn)場逐級上傳、匯總，不僅能大大提高企業(yè)的自動化水平，而且可以大幅度提高企業(yè)的管理水平。</p><p>　　PROFIBUS定義了串行現(xiàn)場總線的技術(shù)特征。串行現(xiàn)場總線可以從現(xiàn)場級到單元級使

28、分散的數(shù)字可編程控制器形成網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS系統(tǒng)中的設(shè)備類型可分為主站和從站。PROFIBUS是一個多主站系統(tǒng)，它允許若干個帶各自分散外設(shè)的自動化系統(tǒng)、工程系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)在一條總線上聯(lián)合運行。</p><p>　　現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，對于實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用，但現(xiàn)場總線這類專用實時通信網(wǎng)絡(luò)具有成本高，速度低和支持應(yīng)用有限等缺陷，再加上總線通信協(xié)議的多樣性，使得不同總線產(chǎn)品不能互相互連，互

29、用和互操作等，因而現(xiàn)場總線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展受到了極大的限制。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，特別是高速以太網(wǎng)的出現(xiàn)使得以太網(wǎng)能夠克服了自己本身的缺陷，進入工業(yè)領(lǐng)域成為工業(yè)以太網(wǎng)，因而使得人們可以用以太網(wǎng)設(shè)備去代替昂貴的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。</p><p>　　通過采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計和流量控制技術(shù)，以太網(wǎng)完全能用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。事實也是如此20世紀(jì)90年代中后期，國內(nèi)外各大工控公司紛紛在其控制系統(tǒng)中采用以太網(wǎng)，推出了基于以太網(wǎng)

30、的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集器以及基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場儀表、顯示儀表等產(chǎn)品。目前以太網(wǎng)應(yīng)為用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的首選。</p><p>　　工業(yè)以太網(wǎng)和其它現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，這其實是信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的一種典型集成方式。工業(yè)自動化方面的理想目標(biāo)就是削減通向自動化各個層次路徑上復(fù)雜程度各異設(shè)備的連接，以跨越不同的總線技術(shù)，并借助種網(wǎng)絡(luò)直接建立統(tǒng)一的通信。更多關(guān)于現(xiàn)場總線的內(nèi)容，可參考英文文獻[2]和[3]。</p

31、><p>　　1.1.3 監(jiān)控軟件西門子WinCC簡介</p><p>　　西門子提供了用于完整自動化系統(tǒng)開發(fā)的全套工具，采用優(yōu)秀的上位機軟件</p><p>　　WinCC作為操作和監(jiān)控的人機界面，利用開放的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和系統(tǒng)通訊，采用S7自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。SIMATIC Wi

32、nCC應(yīng)用廣泛，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案[4]。</p><p>　　WinCC應(yīng)用范圍廣泛，其系統(tǒng)設(shè)計擁有模塊化的特點，不依賴于行業(yè)與其獨特的工藝特點，可以方便自由的擴展。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，用戶往往不止一個，而是具有不同權(quán)限的多個用戶群體，通過WinCC可以非常方便的創(chuàng)建新用戶并對其進行管理，甚至通過合理布置，實現(xiàn)多服務(wù)器和多客戶機的冗余方案。WinCC在多種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中實現(xiàn)了生產(chǎn)、管理、監(jiān)控相集

33、成，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè).能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運輸行業(yè)、水處理和污水凈化領(lǐng)域等[4]。</p><p>　　WinCC集成用戶管理器，可以分配和控制組態(tài)和運行時的訪問權(quán)限。作為系統(tǒng)管理員，可以創(chuàng)建多達128個普通用戶，并為之配置相應(yīng)權(quán)限，系統(tǒng)的安全性及方便性都得到了極大的保障。</

34、p><p>　　西門子WinCC以符合大多數(shù)計算機用戶使用習(xí)慣的方式實現(xiàn)了簡單、高效的組態(tài)設(shè)計，用戶可以方便的設(shè)計出友好美觀的人機對話界面，更好的實現(xiàn)對現(xiàn)場工作狀況的監(jiān)控。同時，WinCC支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，在腳本系統(tǒng)中，用戶可以通過C腳本以及VB腳本拓展更強大的功能。這些人性化的設(shè)計以及強大的拓展功能不但為用戶在設(shè)計WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的時候降低了難度而且也保證了能夠使WinCC發(fā)揮其更強的效能[5]。</

35、p><p>　　WinCC使用Miscrosoft SQL Server實現(xiàn)系統(tǒng)以及用戶數(shù)據(jù)的管理，通過數(shù)據(jù)壓縮的形式每秒可實現(xiàn)10000個數(shù)據(jù)或100條信息的響應(yīng)，保證了高效的實時性。同時，WinCC可以利用自身集成的功能及控件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的直觀顯示，如ACTIVEX控件，可將其它應(yīng)用程序集成到過程畫面內(nèi)并完成數(shù)據(jù)的組態(tài)監(jiān)控。</p><p>　　WinCC硬件需求簡單易實現(xiàn)，普通X86架構(gòu)的

36、計算機，配置CP5611等支持Profibus-DP的通訊板卡即可實現(xiàn)與工業(yè)現(xiàn)場控制器，如西門子PLC S7-300的連接。另外，它還可以通過1613通訊板卡或者普通高性能以太網(wǎng)卡連接到工業(yè)以太網(wǎng)上。</p><p>　　WinCC作為西門子監(jiān)控系統(tǒng)的上位機主要實現(xiàn)以下幾個功能：</p><p>　　(1)工藝流程直觀監(jiān)控：可以在WinCC的界面設(shè)計中完整的顯示出整個工藝流程，不但從界面上

37、擺脫了枯燥的數(shù)據(jù)及文字交流方式，而且為操作員及工程師提供了更為有效和直觀的監(jiān)控方式。</p><p>　　(2)報警與提示：系統(tǒng)運行時可以對監(jiān)控的各設(shè)備的運行參數(shù)進行有效管理，當(dāng)遇到故障的時候還可以及時向操作員發(fā)出警報信息，并提供故障信息及歷史數(shù)據(jù)記錄，為工程師排除故障提供幫助。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析還可以改進系統(tǒng)以排除故障發(fā)生率。</p><p>　　(3)實時趨勢顯示：用戶可以通過將歷史

38、數(shù)據(jù)通過趨勢曲線圖的形式直觀的顯示給操作員和工程師，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)律可以方便的預(yù)測接下來的生產(chǎn)過程可能出現(xiàn)的情況，對生產(chǎn)控制的調(diào)整非常有利。</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)查詢：可對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史值進行查詢，歷史數(shù)據(jù)之間的時間間隔為10分鐘。數(shù)據(jù)查詢畫面以列表的形式顯示多個數(shù)據(jù)一段時間內(nèi)的所有歷史值。</p><p>　　(5)報表和打印系統(tǒng)：根據(jù)生產(chǎn)和用戶需求，將歷史數(shù)據(jù)歸檔處理，方便用戶的

39、統(tǒng)計和管理，并提供打印鏈接支持，實現(xiàn)報警記錄打印、報表、屏幕信息的輸出打印，為工作提供便利。</p><p>　　(6)系統(tǒng)安全設(shè)置：可以將用戶區(qū)分為系統(tǒng)管理員，操作員以及工程師，按照工作需要賦予他們相應(yīng)的權(quán)限，保證系統(tǒng)的正常運行以及數(shù)據(jù)的安全。在登錄系統(tǒng)的時候通過用戶名和密碼登錄，經(jīng)系統(tǒng)確認為之分配相應(yīng)操作權(quán)限。</p><p>　　(7)用戶管理：系統(tǒng)管理員特權(quán)，為了保證系統(tǒng)的安全運行

40、。只有系統(tǒng)管理員可以為系統(tǒng)添加、刪除用戶，并為之分配權(quán)限。</p><p>　　(8)在線幫助：在系統(tǒng)菜單欄提供在線幫助選項，方便用戶對系統(tǒng)功能和操作要求的查詢，或通過系統(tǒng)熱鍵的方式快速打開。</p><p>　　1.1.4 西門子SIMATIC S7-300 PLC簡介</p><p>　　S7-300由多種模塊部件所組成，各種模塊能以不同的方式組合在一起，從而使

41、控制系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，滿足不同的應(yīng)用需求。各模塊安裝在DIN標(biāo)準(zhǔn)軌道上，并用螺絲固定。這種結(jié)構(gòu)形式即可靠，又能滿足電磁兼容需求。背板總線集成在各模塊上，通過將總線連接起來插在模塊的背后，使背板總線連成一體。在一個機架上做多可并排安裝8個模塊（不包括CPU模塊和電源模塊）,主要有SM321、SM322、SM331、SM332等信號輸入輸出模塊以及通訊處理器模塊和擴展模塊等。</p><p>　　西門子S7-300系

42、列PLC使用STEP 7軟件進行編程, STEP 7包含多個組件，SIMATIC管理器就像是項目的總指揮室，管理著所有的工具和項目數(shù)據(jù)。另外，程序編輯器以梯形圖、語句表、功能框圖生成用戶程序，符號編程器用來管理全局變量。硬件組態(tài)則以軟件的形式實現(xiàn)對現(xiàn)場硬件設(shè)備的一對一組合模擬，型號與參數(shù)與現(xiàn)實項目使用的硬件完全相同，更好的對項目進行軟件描述。硬件診斷，用來對整個系統(tǒng)的狀態(tài)進行檢測和診斷。NetPro，可以查看和組態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。

43、</p><p>　　通訊處理器模塊是一種智能模塊，它用于PLC間或PLC與其他裝置間聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。另外，還有功能擴展模塊，CPU315-2DP等CPU模塊能夠通過IM360/IM361接口模塊將S7-300背板總線從一個機架連接到下一個機架從而擴展機架，最多可以擴展4個[7]。</p><p>　　S7-300的CPU模塊有多種型號可供不同需求的用戶選擇，可以實現(xiàn)可編程控制器的基本功

44、能，如指令的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的讀取寫入、MPI/CP模塊通訊等，緊湊型CPU還在自身集成了輸入輸出接口，并且可以實現(xiàn)高速計數(shù)、PID調(diào)節(jié)以及頻率測量等基本功能。為了滿足客戶的通訊需求，有些型號的CPU還集成了PROFIBUS通訊接口和點對點接口等。</p><p>　　S7-300系列PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊(主程序)，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序(組織塊)中斷。在起動完成后

45、，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB，SFB，F(xiàn)C或SFC)。</p><p>　　S7-300的CPU模塊(簡稱為CPU)都有一個編程用的RS-485接口，有的有ROFIBUS-DP接口或串行通信接口，可以建立一個MPI(多點接口)網(wǎng)絡(luò)或DP網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　在傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)中，多采用觸點式元件，但是運行時間久了以后很容易因為老化，接觸不良而導(dǎo)致系統(tǒng)運

46、行不穩(wěn)定，無效操作，并且對工程技術(shù)人員的檢修和維護工作造成極大的不便。改用PLC控制系統(tǒng)后，有效的避免了這些問題，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性更高，使得檢修及維護工作變得容易多了。</p><p>　　工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，電氣設(shè)備多且布置分散，存在較強的電磁干擾，強光強電環(huán)境較多，因此PLC設(shè)備不可避免的要受到它們的影響，因此PLC內(nèi)部電路都采取隔離設(shè)施以保證PLC的正常工作，輸入輸出接口電路采用了光電隔離技術(shù)，各模塊間也加入屏

47、蔽措施，有效防止了外界環(huán)境對PLC正常工作的干擾。</p><p>　　PLC具有良好的診斷功能，當(dāng)電源或軟、硬件發(fā)生故障時，CPU能夠及時作出診斷并作有效的處理，保存工作數(shù)據(jù)及故障信息，同時在CPU內(nèi)部建立看門狗程序，檢測程序的運行，以便及時處理程序故障，發(fā)出報警信息，提高系統(tǒng)運行的可靠性，保證系統(tǒng)的運行。</p><p>　　1.2 無縫鋼管的國內(nèi)外現(xiàn)狀</p><

48、p>　　1.2.1 世界無縫鋼管的現(xiàn)狀</p><p>　　據(jù)估計，目前世界鋼管生產(chǎn)能力約為5800-8000萬噸，其中焊管約3900-4000萬噸?？傮w來看，世界鋼管市場供需基本平衡，產(chǎn)能略有富余。</p><p>　　美國是最大的無縫鋼管進口國，每年進口量較大，例如2002年進口73.3萬噸，2004進口增加到109.2萬噸，年均增幅達24.5%。目前美國對日本鋼管采取反傾銷的政

49、策，已導(dǎo)致2005年日本鋼管無法進入美國市場，就給我國無縫鋼管進入美國市場帶來了新的機遇。</p><p>　　我國周邊國家和地區(qū)，除日本，俄羅斯和印度外，其他國家的無縫鋼管基本靠進口。根據(jù)了解，這些國家每年無縫鋼管的消費量約為100萬噸左右，其中直徑≥140mm的大、中口徑的約為60-65萬噸占65%左右，目前日本約占據(jù)近40%的市場份額，我國只占有約13%的市場份額。</p><p>

50、　　世界無縫鋼管市場消費規(guī)模，在一段時間內(nèi)可能繼續(xù)在1000-3000萬噸左右徘徊。目前，世界上主要的十大無縫鋼管生產(chǎn)國：中國、日本、美國、俄羅斯、烏克蘭、德國、意大利、英國、法國、阿根廷。其中，中國、美國和俄羅斯的產(chǎn)品以國內(nèi)消費為主；英國、法國進出口大體相當(dāng)；其他國家大都是無縫鋼管的輸出國，出口量約占各自總生產(chǎn)量的30%-70%。而這些國家已組成的三大集團公司，即TENARIS、V&M和日本鋼管聯(lián)盟（共有730多萬噸生產(chǎn)能力）

51、正與俄羅斯最近組成（由本國和羅馬尼亞鋼管廠組成）的大型鋼管集團（生產(chǎn)能力約300萬噸）在國際市場激烈競爭，搶占市場份額[8]。</p><p>　　1.2.2 我國無縫鋼管的現(xiàn)狀</p><p>　　中國無縫鋼管產(chǎn)業(yè)進入新世紀(jì)以來，經(jīng)過十幾年的飛速發(fā)展，業(yè)已成為全球最大的無縫鋼管生產(chǎn)國和消費國。08年金融危機以來，我國無縫鋼管產(chǎn)業(yè)發(fā)展一枝獨秀，年產(chǎn)量占全球比重一直穩(wěn)定在70%左右。截至目前

52、，中國已建成各類先進無縫鋼管產(chǎn)線500余條，總產(chǎn)能達到4500萬噸。</p><p>　　近幾年來，隨著眾多先進產(chǎn)線的不斷建設(shè)改造，我國無縫鋼管產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能集中度和生產(chǎn)制造水平得到進一步提升。不過與此同時，我國無縫鋼管產(chǎn)量增速放緩，表觀消費量甚至出現(xiàn)下滑，落后產(chǎn)能和低端產(chǎn)品仍然大量存在，無縫鋼管制造企業(yè)的開工率和凈利潤增長與產(chǎn)能的增長形成極大反差，部分企業(yè)甚至虧損嚴(yán)重。目前國內(nèi)外經(jīng)濟發(fā)展形勢嚴(yán)峻，世界經(jīng)濟復(fù)蘇進程曲

53、折而緩慢，中國經(jīng)濟發(fā)展的基調(diào)由過去的高速增長轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺€(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)”，國內(nèi)外需求的增速回落將極大制約無縫鋼管產(chǎn)量的快速增長?？梢灶A(yù)見，我國無縫鋼管行業(yè)即將進入一個深度調(diào)整期，競爭將更加激烈，產(chǎn)能分布和品種結(jié)構(gòu)會在不斷的市場競爭中形成一個嶄新的格局。</p><p>　　1.2.3 我國無縫鋼管產(chǎn)量與生產(chǎn)能力</p><p>　　2005-2011年，我國無縫鋼管產(chǎn)量占世界產(chǎn)量比重的平均值達

54、67.3%。2005年，我國無縫鋼管產(chǎn)量1143萬噸，首次達到全球產(chǎn)量的一半以上。其后幾年，國內(nèi)無縫鋼管產(chǎn)量繼續(xù)保持穩(wěn)健的上升趨勢，即使在全球金融危機時期也不例外，并同世界無縫鋼管產(chǎn)量的回落形成鮮明對比，產(chǎn)量比重一度達到83.9%的峰值。</p><p>　　圖1-3 全球-中國無縫鋼管產(chǎn)量（單位：萬噸）</p><p>　　表1-1 2005-2012年我國及世界無縫鋼管產(chǎn)量（單位：

55、萬噸） </p><p>　　2001-2008年，是我國無縫鋼管產(chǎn)量的高速增長時期，08年后增速明顯回落，僅在10年有較高增長。產(chǎn)量增速放緩的原因，一方面是由于經(jīng)過10年飛速發(fā)展，我國無縫鋼管生產(chǎn)規(guī)模已經(jīng)巨大，另一方面是受到近幾年經(jīng)濟發(fā)展形勢的制約，尤其是11年和12年國內(nèi)市場需求相對不景氣的影響[9]。</p><p>　　1.3 課題研

56、究意義</p><p>　　我國在無縫鋼管生產(chǎn)目前仍處于高速發(fā)展?fàn)顟B(tài)。新廠、新設(shè)備、新技術(shù)不斷投入生產(chǎn)，帶動著我國無縫鋼管產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進步。同時，他們帶來的新技術(shù)新理念不斷的推動著我國還比較落后的生產(chǎn)企業(yè)的進步。本課題就在這種情景下，對無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)所采用的新設(shè)備新技術(shù)進行研究，并結(jié)合到實際，深信其具有遠大的前景。</p><p>　　1.4 本文主要設(shè)計內(nèi)容</p>

57、<p>　　以西門子新一代過程控制系統(tǒng)為軟件平臺，在分析了技術(shù)要求和用戶需求后，設(shè)計開發(fā)了無縫鋼管生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)和邏輯控制程序。 重點論述基于SIMATIC WINCC 的無縫鋼管生產(chǎn)過程計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā),簡述 WINCC 的 OPC 通訊。開發(fā)的監(jiān)控界面直觀、操作方便、極大地提高了系統(tǒng)監(jiān)控能力。系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試。本課題主要對力控組態(tài)軟件的了解，掌握監(jiān)控軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、功能及技術(shù)指標(biāo)，利用監(jiān)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)功

58、能模塊進行定制實現(xiàn)，滿足工程上的要求，并針對某工業(yè)生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)進行自動化設(shè)計。</p><p>　　2. 無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)思與實現(xiàn)</p><p>　　2.1 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系簡介</p><p>　　一般地，企業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)可分為三級：企業(yè)級、車間級和現(xiàn)場級。企業(yè)級通信網(wǎng)絡(luò)用于企業(yè)的上層管理，為企業(yè)提供生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等數(shù)據(jù)，通過信息化的方式優(yōu)化企業(yè)

59、的資源，提高企業(yè)的管理水平。在這一層通信網(wǎng)絡(luò)中，IT技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，如Internet/Intranet IP技術(shù)等。車間級通信網(wǎng)絡(luò)介于企業(yè)級和現(xiàn)場級之間。它的主要任務(wù)是解決車間內(nèi)需要協(xié)調(diào)工作的不同工藝段之間的通信，要求通信網(wǎng)絡(luò)能夠高速傳遞大量信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時具有較強的實時性?，F(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)處于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設(shè)備，如I/0設(shè)備、傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等裝置。這一層通信網(wǎng)絡(luò)上主要傳遞控制信號，對

60、網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性有很高要求。作為全球領(lǐng)先的自動化系統(tǒng)提供商，德國西門子公司提供了非常完整的工業(yè)控制通信方案SIMATIC NET，它同樣遵循三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架結(jié)構(gòu)。如下圖2-1：</p><p>　　圖2-1 三級通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)</p><p>　　本設(shè)計涉及到西門子的Profibus現(xiàn)場總線，用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備之間及設(shè)備和控制系統(tǒng)之間通信。PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)是為了滿足13個德國工業(yè)控制及測

61、量廠商和5個擁有部分來自德國聯(lián)邦政府資金支持的技術(shù)科研機構(gòu)的需要發(fā)展的。Profibus現(xiàn)在是德國的國家標(biāo)準(zhǔn)，是總部設(shè)在德國的Profibus用戶組織的DIN 19245的第I、II協(xié)議，而這個組織對Profibus所創(chuàng)造的價值的增長起到了非常重要的作用。超過150個組織成員為他們的產(chǎn)品推廣Profibus’的人機界面，很大一部分公司現(xiàn)在把這些產(chǎn)品推向市場[10]。PROFIBUS基于OSI模型，這是國際公認和閥門、驅(qū)動器和PLC設(shè)備制

62、造商支持的一個開放的、非專有產(chǎn)物。 [11]</p><p>　　2.2無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　整條生產(chǎn)線根據(jù)工藝流程可劃分為：環(huán)形爐加熱區(qū)、二輥穿孔機區(qū)、ASSEL軋管區(qū)、再加熱爐區(qū)、減徑區(qū)、冷床區(qū)、矯直區(qū)、精整區(qū)、漏磁探傷區(qū)、水壓試管區(qū)。各區(qū)的關(guān)系如下圖2-2。 </p><p>　　圖2-2 無縫鋼管廠Φ140mm機組生產(chǎn)線流程<

63、;/p><p>　　由于生產(chǎn)線設(shè)備繁多，以下只討論生產(chǎn)線過程中穿孔機和減徑機生產(chǎn)監(jiān)控部分。</p><p>　　2.2.1 無縫鋼管穿孔機簡介</p><p>　　今天在無縫鋼管生產(chǎn)過程中,穿孔工藝被廣泛應(yīng)用而且是非常經(jīng)濟的。1886年德國的曼內(nèi)斯曼兄弟申請了用斜輥穿孔機生產(chǎn)管狀斷面產(chǎn)品的專利。專利中描述了金屬變形時內(nèi)部力的作用和使用兩個或多個呈錐形的軋輥進行穿孔，因此

64、被稱作曼內(nèi)斯曼穿孔過程。下圖2-3為無縫鋼管穿孔機的大致形狀。</p><p>　　圖2-3 無縫鋼管生產(chǎn)線二錕穿孔機</p><p>　　由R.C 斯蒂菲爾發(fā)明的導(dǎo)板使得穿孔后的毛管長度得到增加。后來S.狄舍爾發(fā)明了導(dǎo)盤，使穿孔效率得到更大提高。在1981年出現(xiàn)了雙支撐的錐形輥穿孔機（單支撐的錐形輥穿孔機由R.C 斯蒂菲爾發(fā)明于1899年發(fā)明），它比以前的穿孔機在金屬的變形上有明顯的改

65、進。 </p><p>　　德國和美國在20世紀(jì)上半葉將穿孔進行了很大改進， 后半葉德國、俄羅斯和日本又將穿孔機向前推進了一步，近一段時間中國也取得了很大成績。</p><p>　　當(dāng)今無縫鋼管生產(chǎn)中穿孔工藝更加合理和穿孔過程實現(xiàn)了自動化。常見的穿孔機有錐形輥穿孔機和桶形輥穿孔機。</p><p>　　二輥式穿孔機主要有帶導(dǎo)輥的穿孔機、帶導(dǎo)板的穿孔機和帶導(dǎo)

66、盤的穿孔機，帶導(dǎo)輥的穿孔機一般不常用，只用于穿孔軟而粘的有色金屬，如銅管、鈦管等。帶導(dǎo)板的穿孔機具有孔型封閉好、接觸變形區(qū)長、穿出的毛管壁厚可以更薄的特點而仍然得到重視；帶導(dǎo)盤的穿孔機越來越得到發(fā)展，它的特點是：</p><p>　　（1）生產(chǎn)率高，這是由于主動導(dǎo)盤對軋件產(chǎn)生軸向拉力作用，導(dǎo)致毛管軸向速度增加。最快可以達到3～4支／分；</p><p>　?。?）由于導(dǎo)盤的軸向力作用，使管

67、坯咬入容易一些，減少了形成管端內(nèi)折的可能性，也可以提高壁厚的精度；</p><p>　?。?）導(dǎo)盤比導(dǎo)板有較高的耐磨性，從而減少了換工具的時間并提高了工具壽命。</p><p>　　2.2.2 無縫鋼管減徑機簡介</p><p>　　減徑機是熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它使毛管在微張力狀態(tài)下實現(xiàn)減徑，以得到多種規(guī)格的成品鋼管?，F(xiàn)代減徑機的機架結(jié)構(gòu)一般采用三輥形

68、式，分別用12臺或14臺直流電機進行拖動控制，它的兩個主要作用是減徑和改變壁厚，即通過相互緊靠及串列的機架序列使鋼管的外徑遞減，同時利用該序列中軋制速度差在鋼管上形成縱向拉應(yīng)力即張力，通過控制張力的大小來使鋼管壁厚按要求值變化。本設(shè)計采用14臺直流電機進行拖動控制。減徑后的鋼管外表面光潔、無劃痕具有一定的真圓度，進一步提高了鋼管外表面質(zhì)量。</p><p>　　圖2-4 無縫鋼管生產(chǎn)線減徑機現(xiàn)場圖</p&

69、gt;<p>　　2.3 無縫鋼管生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)</p><p>　　無縫鋼管廠的生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分為三層，即為：生產(chǎn)管理層、控制層、設(shè)備層；生產(chǎn)管理層是由生產(chǎn)過程服務(wù)器來實現(xiàn)的，服務(wù)器利用強大的數(shù)據(jù)管理功能為天津市無縫鋼管廠的決策層提供生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù)、各設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況、產(chǎn)品的產(chǎn)量以及產(chǎn)生的經(jīng)濟效益等?？刂茖訛椴僮鲉T站，通過監(jiān)控系統(tǒng)友好的人機界面，操作員很方便的修改無縫鋼管生產(chǎn)的工藝參數(shù)、

70、監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)等。設(shè)備層即是現(xiàn)場的控制設(shè)備，儀表等。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖2-5：</p><p>　　圖2-5 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3. 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計</p><p>　　3.1 WinCC組態(tài)軟件</p><p>　　3.1.1 組態(tài)軟件簡述</p><p>　　“組態(tài)”的概念是伴隨

71、著集散控制系統(tǒng)(DCS)的出現(xiàn)及計算機控制技術(shù)的日趁成熟才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動化技術(shù)人員所熟知的，并隨著DCS商品化而發(fā)展起來的。目前自動化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化、低成本的發(fā)展趁勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。使得自動化系統(tǒng)的“水平”和“垂直”集成變得更加容易。監(jiān)控組態(tài)軟件己經(jīng)成為其中的橋梁和紐帶，是自動化系統(tǒng)中的重要組成部分。</p><p>　　組態(tài)的含義是使用軟件工具對計

72、算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預(yù)先設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition,SCADA)的軟件平臺工具，具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強大。</p><p>　　監(jiān)控組態(tài)軟件最早出現(xiàn)時，人機界面HMI(human machine interface)或MMI(man

73、 machine interface)是其主要內(nèi)涵，即主要解決人機圖形界面的問題。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通信及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I／0設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容。隨著技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件會不斷被賦予新的內(nèi)容。</p><p>　　上世紀(jì)80年代末Wonderware公司在世界上推出第一個商品化的組態(tài)軟件Intoueh，短短的十多年，監(jiān)控組態(tài)軟件在全球迅猛發(fā)展，目前世界

74、組態(tài)軟件達到幾十種之多，知名的有Fix，htouch,Cimplicity,LabView,WinCC，KingView等。[12]</p><p>　　現(xiàn)今僅Wonderware公司組態(tài)軟件的全球裝機量就有上百萬套。組態(tài)軟件之所以得到用戶和DCS廠商的青睞，主要有2個原因：</p><p>　　(1)個人計算機操作系統(tǒng)日趁穩(wěn)定可靠，實時處理能力增強且價格便宜；</p>&l

75、t;p>　　(2)個人計算機的軟件及開發(fā)工具豐富，使得組態(tài)軟件功能強大，開發(fā)周期相應(yīng)縮短，軟件升級和維護相對方便容易。</p><p>　　組態(tài)軟件與傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件相比，有其自身的特點：</p><p>　　(1)組態(tài)軟件的最突出特點是實時多任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示及人機對話、實時數(shù)據(jù)的存儲、檢索管理和實時通信等多個任務(wù)要在一臺計算機上同時進行；&

76、lt;/p><p>　　(2)延續(xù)性和可擴充性。用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當(dāng)現(xiàn)場(包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu))或用戶需求發(fā)生改變時，不需要做很多修改就能方便完成軟件的更新和升級；</p><p>　　(3)封裝性。組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)就能很好完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能；</p><p>　　(4

77、)通用性。每個用戶根據(jù)工程實際情況，利用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備驅(qū)動、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、運行報警和報表輸出功能的工程；</p><p>　　(5)接口開放。組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，向下能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，并提供多種系統(tǒng)接口；</p><p>　　(6)安全性和可靠性。在計

78、算機和數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備正常工作的情況下，組態(tài)軟件系統(tǒng)能夠連續(xù)不問斷的安全可靠工作并兼具故障診斷和故障恢復(fù)功能。</p><p>　　工業(yè)組態(tài)軟件的設(shè)計秉承了工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計的特點，但在以下幾個方面又有更明確的要求：</p><p><b>　　(1) 功能完備</b></p><p>　　在自動控制的情況下，工業(yè)組態(tài)軟件就取代了工業(yè)現(xiàn)場控制柜的

79、控制面板，是工程師主要面對的監(jiān)控平臺。要使工程師或操作員無需親臨現(xiàn)場，就能夠?qū)崟r了解和掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的工作情況，同時能夠進行遠程集中控制，一個功能完備，信息完整，通信準(zhǔn)確迅速的集成控制系統(tǒng)就顯得尤為必要。而WINCC恰好能夠滿足這一切的要求。作為西門子的產(chǎn)品，它與SIMATIC系列的其他產(chǎn)品之間的通信方便快捷，在實時性和準(zhǔn)確性上毫無問題。這樣構(gòu)成的上位機監(jiān)控系統(tǒng)既能夠滿足工程師對無縫鋼管生產(chǎn)線整體監(jiān)控的需要，又能夠為各級主管部門提供各生產(chǎn)

80、工段的各種運行信息，為無縫鋼管生產(chǎn)廠的科學(xué)運營提供可靠的科學(xué)依據(jù)。</p><p><b>　　(2) 直觀方便</b></p><p>　　在正常情況下，各生產(chǎn)工段的設(shè)備一般在自動狀態(tài)下運行，負責(zé)控制的工程師并不是一直與控制柜的操作面板打交道，而是絕大部分時間注意著工控機上組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)的運行畫面.直觀逼真的現(xiàn)場模擬畫面將給人現(xiàn)場實際操作的真實感覺，并且能夠如實的

81、反映現(xiàn)場設(shè)備的各種運行狀態(tài)和各種運行參數(shù)，還能夠用圖形的方式顯示出運行數(shù)據(jù)的變化趨勢和直觀的表格形式的報警信息。不僅如此，還可以把現(xiàn)場的控制情況抽象成原理圖，并以動畫的形式動態(tài)反映出各種設(shè)備在運行過程中狀態(tài)變化的情況。這既能夠在系統(tǒng)運行時提供清晰的控制思路，又能夠在運行出現(xiàn)故障時醒目地顯示出問題所在，從而提高人機交互時的工作效率，降低系統(tǒng)故障可能帶來的損失。人機界面友好，操作方便正是工業(yè)控制軟件設(shè)計的初衷。</p><

82、;p>　　3.1.2 WinCC工業(yè)組態(tài)軟件</p><p>　　西門子公司的WinCC是Windows Control Conter(視窗控制中心)的簡稱。 它集成了SCADA、組態(tài)、腳本(Script)語言和OPC等先進技術(shù)，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)(Windows 2000或XP)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化(TIA)產(chǎn)品的技術(shù)先進和無縫集成的特點。

83、</p><p>　　WinCC運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全。用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。它為操作者提供了圖文并茂、形象直觀的操作環(huán)境，不僅縮短了軟件設(shè)計周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一個特點在于其整體開

84、放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要。用戶也可將WinCC作為系統(tǒng)擴展的基礎(chǔ)，通過開放式接口，開發(fā)其自身需要的應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　WINCC硬件的先決條件：WINCC支持所有普通IBM/AT兼容的PC平臺。雖然給出的數(shù)值用于最小的組態(tài)，為有效的操作WINCC應(yīng)使用推薦值來優(yōu)化組態(tài)。所需的操作系統(tǒng)：WINCC只能運行在至少安裝了ServicePack5的Wi

85、ndows NT4.0(工作站或服務(wù)器)或者安裝了SP2的WINDOWS XP上，詳細列表如下表3-1。</p><p>　　表3-1 WinCC硬件的先決條件</p><p>　　3.2 WinCC特點及安裝</p><p>　　3.2.1 WinCC特點</p><p>　　WinCC作為 HMI軟件系統(tǒng)，它將工廠控制軟件真正集成進自動

86、化過程中。 WinCC用戶友好組件允許新的或已存在的應(yīng)用程序的無錯誤集成。WinCC，一個過程可視化應(yīng)用程序能夠使用戶方便地觀察自動控制過程的全部特征。WinCC將Windows應(yīng)用程序的體系結(jié)構(gòu)和便于使用的圖形設(shè)計程序結(jié)合起來。 WinCC包括用于解決過程監(jiān)控和控制任務(wù)的所有元素：</p><p>　　WinCC項目工程環(huán)境：</p><p>　　(1)圖形：設(shè)計工廠現(xiàn)場；</p&

87、gt;<p>　　(2)歸檔：將帶時間標(biāo)識的數(shù)據(jù)/事件存儲到SQL數(shù)據(jù)庫；</p><p>　　(3)報表編輯器：為要求的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報表；</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)管理器：定義并采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。</p><p>　　WinCC運行系統(tǒng)：允許在工廠現(xiàn)場或控制室的操作員與機械應(yīng)用相互作用。其中：</p><p>　　HMI的編程工

88、具WinCC具有可擴充性、開放性：</p><p>　　(1)基于客戶機/服務(wù)器模式；</p><p>　　(2)從簡單到復(fù)雜的任務(wù)擴充；</p><p>　　(3)集成ODBC/SQL數(shù)據(jù)庫；</p><p>　　(4)強大的標(biāo)準(zhǔn)接口（如OPC、OLE、ActiveX）；</p><p>　　(5)通用的腳本語言AN

89、SIC；</p><p>　　(6)針對所有主要PLC廠商的通訊接口。</p><p>　　自動化過程(AS)保持對過程的實際控制。一方面影響WinCC和操作員之間的通訊，另一方面影響WinCC和自動化系統(tǒng)之間的通訊。</p><p>　　WinCC用于實現(xiàn)過程的可視化，并為操作員開發(fā)圖形用戶界面：</p><p>　　(1)WinCC允許操

90、作員對過程進行觀察。過程以圖形化的方式顯示在屏幕上。 每次過程中的狀態(tài)發(fā)生改變，都會更新顯示；</p><p>　　(2)WinCC允許操作員控制過程。例如，操作員可以從圖形用戶界面預(yù)先定義設(shè)定值或打開閥；</p><p>　　(3)一旦出現(xiàn)臨界過程狀態(tài)，將自動發(fā)出報警信號。例如，如果超出了預(yù)定義的限制值，屏幕上將顯示一條消息。</p><p>　　在使用WinCC

91、進行工作時，既可以打印過程值，也可以對過程值進行電子歸檔。這使得過程的文檔編制更加容易，并允許以后訪問過去的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　WinCC的優(yōu)點有:</p><p>　　(1)通用的應(yīng)用程序適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案多語言支持，全球通用可以集成到所有自動化解決方案；</p><p>　　(2)內(nèi)置所有操作和管理功能；</p><p&g

92、t;　　(3)可簡單、有效地進行組態(tài)；</p><p>　　(4)可基于Web持續(xù)延展；</p><p>　　(5)采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡便；</p><p>　　(6)集成的 Historian 系統(tǒng)作為 IT 和商務(wù)集成的平臺；</p><p>　　(7)可用選件和附加件進行擴展；</p><p>　　(8)“全集

93、成自動化” 的組成部分。</p><p>　　WinCC最引人注目之處還是其廣泛的應(yīng)用范圍。獨立于工藝技術(shù)和行業(yè)的基本系統(tǒng)設(shè)計，模塊化的結(jié)構(gòu)，以及靈活的擴展方式，使其不但可以用于機械工程中的單用戶應(yīng)用，而且還可以用于復(fù)雜的多用戶解決方案，甚至是工業(yè)和樓宇技術(shù)中包含有幾個服務(wù)器和客戶機的分布式系統(tǒng)。WinCC集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實例中業(yè)已證明，包括：

94、</p><p><b>　　·汽車工業(yè)</b></p><p><b>　　·化工和制藥行業(yè)</b></p><p><b>　　·印刷行業(yè)</b></p><p><b>　　·能源供應(yīng)和分配</b></p

95、><p><b>　　·貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)</b></p><p><b>　　·塑料和橡膠行業(yè)</b></p><p>　　·機械和設(shè)備成套工程</p><p><b>　　·金屬加工業(yè)</b></p><p>　　&#

96、183;食品、飲料和煙草行業(yè)</p><p><b>　　·造紙和紙品加工</b></p><p><b>　　·鋼鐵行業(yè)</b></p><p><b>　　·運輸行業(yè)</b></p><p>　　·水處理和污水凈化</p>

97、;<p>　　Miscrosoft SQL Server2000---高性能的實時數(shù)據(jù)庫Miscrosoft SQL Server 2000集成在WINCC基本系統(tǒng)內(nèi)---自然也就繼承了其實時響應(yīng)，高性能和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在任何場合，可在壓縮的基礎(chǔ)上每秒最大存儲10000個測量值或100條消息，然后利用WINCC內(nèi)置工具進行分析。通過各種開放性接口（SQL，ODBC，OLE-DB和OPCHDA），可以隨時隨地使用喜愛的外部工具進

98、一步處理歸檔數(shù)據(jù)。ACTIVEX控件----對應(yīng)用模塊開放利用OLE，可將其它應(yīng)用程序集成到過程畫面內(nèi)并交換有關(guān)的數(shù)據(jù)。</p><p>　　本W(wǎng)INCC上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要包括：</p><p>　?。?）通訊連接設(shè)計：配置系統(tǒng)，完成WINCC與PLC的通信連接；</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)的管理：為系統(tǒng)建立用于數(shù)據(jù)存儲和操作的數(shù)據(jù)庫；</p>

99、<p>　?。?）系統(tǒng)控制中心的設(shè)計；</p><p>　?。?）畫面設(shè)計：利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，以圖形元素構(gòu)建監(jiān)控畫面；</p><p>　?。?）操作員站W(wǎng)INCC之間的通訊。</p><p>　　3.2.2 WinCC安裝使用</p><p>　　本設(shè)計采用的是WinCC V6.0版本。WinCC V6.0是運行在IBM-PC

100、兼容機上，基于Microsoft Windows 2000/XP的組態(tài)元件。由于本人電腦是Windows 7系統(tǒng)，而WinCC V6.0必須運行在WindowsXP系統(tǒng)或之前版本，故本人安裝了XP虛擬機，并在虛擬機下安裝了WinCC V6.0及數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server 2000。在安裝WinCC V6.0之前，必須配備適當(dāng)?shù)挠布蛙浖?，并保證它們能正常運轉(zhuǎn)。這意味著所有的硬件應(yīng)該出現(xiàn)在Windows 2000/XP

101、的硬件兼容性列表中；還意味著硬件和軟件都必須正確的安裝和配置。在安裝過程中，WIN CC將逐一檢查以下各項是否滿足要求：</p><p><b>　　—使用的操作系統(tǒng)；</b></p><p><b>　　—用戶登錄的權(quán)限；</b></p><p><b>　　—顯示器的分辨率；</b></p&

102、gt;<p>　　—Internet Explorer；</p><p>　　—Microsoft消息隊列服務(wù)；</p><p>　　—Microsoft SQL Server；</p><p><b>　　—是否已重啟系統(tǒng)。</b></p><p>　　正確安裝并測試成功后，便開始無縫鋼管生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的

103、設(shè)計開發(fā)。</p><p>　　3.3硬件和變量配置</p><p>　　上位機WinCC和下位機PLC配置通信</p><p><b>　?。?）生成新項目</b></p><p>　　在XP虛擬機中打開WinCC V6.0，選擇創(chuàng)建單用戶項目，確定。</p><p>　　圖3-1 新建單用

104、戶項目</p><p>　　在打開的“創(chuàng)建新項目”對話框中，輸入文件名和保存路徑，項目最好保存在除系統(tǒng)盤的其他盤的根目錄下，且最好是全英文名，以免運行出錯。點擊“創(chuàng)建”。</p><p>　　圖3-2 創(chuàng)建新項目</p><p>　?。?）配置PLC驅(qū)動</p><p>　　Win CC提供了1個支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型的SIMATIC S7

105、 Protocol Suite的通訊驅(qū)動程序，通過它的通道單元提供與SIMATIC S7-300PLC的通訊。WinCC所有應(yīng)用程序必須以WinCC變量的形式從變量管理器中請求數(shù)據(jù)。這些WinCC應(yīng)用程序包括圖形運行系統(tǒng)、報警記錄運行系統(tǒng)、變量記錄運行系統(tǒng)等。WinCC變量管理器的任務(wù)是從過程中取出請求的變量值，這個過程通過集成在WinCC項目中的通訊驅(qū)動程序來完成。通訊驅(qū)動程序利用其通道單元構(gòu)成WinCC與過程處理之間的接口，在許多情

106、況下，到過程處理的基于硬件的連接是利用通訊處理器來實現(xiàn)的。WinCC通訊驅(qū)動程序使用通訊處理器來向PLC發(fā)送請求消息。然后，通訊處理器將回答相應(yīng)消息請求的過程值發(fā)回WinCC。WinCC與PLC通訊結(jié)構(gòu)如下圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 WinCC與PLC通訊結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在WinCCExploer界面中，右擊‘TAG MANAGER（變量標(biāo)簽管理器）’，并

107、選擇‘ADD NEW DRIVER（加入新的驅(qū)動器）’。WINCC允許瀏覽SIEMENS/WINCC/BIN文件夾以選擇所期望的驅(qū)動器加入到項目中。本系統(tǒng)中，可將SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE（SIMATIC S7協(xié)議集）加入到項目中，如下圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 添加新PLC驅(qū)動</p><p>　　一旦驅(qū)動器加入成功，用戶可發(fā)現(xiàn)在這套協(xié)議中有多

108、種協(xié)議于S7 PLC連接。這里注意，不是所有驅(qū)動器都能將多種協(xié)議加入到項目中。為組態(tài)協(xié)議并選擇‘System Parameter（系統(tǒng)參數(shù)）’對話框?qū)⒂捎脩舳x每個協(xié)議特定的需求，使用戶組態(tài)協(xié)議特定的連接參數(shù)。</p><p>　　Connection properties（連接屬性）可通過右擊協(xié)議并選擇New Driver Connection（新驅(qū)動器連接）進行訪問。這里將建立WINCC與PLC接口所需的邏輯