WinCC在重轨精整加工线控制系统中的应用

1 引言
近年来，随着我国铁路高速发展和国内外钢轨生产厂家技术水平和生产能力的提高，重轨产品的质量要求也越来越严格。对于鞍钢这样一个以生产重轨为主的大型材轧钢厂大型厂来说，设备与技术的落后严重制约着企业的发展。2001年，本着“高起点、少投入、快产出、高效益”的技改原则，运用当代世界领先技术，对大型厂重轨精整加工线进行了大规模技术改造，改造后的重轨生产线发生了全新变化，核心设备从国外引进，配套和附属设备由鞍钢自行设计制造，是我国目前唯一投入运行的一条具有世界先进水平的重轨生产线。由于当时工期紧张，而且改造后设备数量增加、控制复杂，使得重轨矫直、探伤、端部锯切、钻孔、淬火的生产线精整加工线生产设备监控系统没有开发，给设备管理和维护带来困难，严重影响了生产效率。
本文结合重轨加工线生产、设备的加工工艺，尤其是重轨精整加工线控制系统改造的特点，采用Siemens公司工业控制组态软件，设计了基于WinCC的精整加工线设备监控系统，实现了设备的网络化、信息化管理。

2 WinCC概述
将监控系统与原有控制系统功能分离，在PC基础上的操作员监控系统近年来发展迅速。WinCC是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统，是结合西门子公司产品、过程自动化领域中的先进技术和微机软件技术的强大产品系列。WinCC即Windows Control Center(视窗控制中心)，它包括图形设计器、报警记录、变量记录、报表、全局脚本、用户管理等功能，使其具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、可靠的数据管理，它在Windows NT或Windows 2000标准环境中提供所有功能，并确保安全可靠地控制生产过程。
WinCC具有监控生产过程的强大功能。是基于个人计算机的数据采集与监视控制系统，它是以计算机为基础的生产过程管理与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备运行、参数调节以及各类信号报警等各项功能。WinCC具有广泛的应用和较强的兼容性。它能提供成熟可靠的操作和高效的组态功能，同时具有灵活的配置能力。
WinCC一个主要特点是不但支持所有连接S1MATIC S5/S7/505控制器的通讯通道，还包括Profibus-DP、DDE、OPC等非特定控制器的通讯通道。

3 精整加工线
精整加工线生产设备由1套德国西马克公司的矫直机系统、2台美国CMI锯钻组合机床、4台德国WGN锯钻组合机床、2个横移台架、3个淬火台架及运输辊道组成。其工艺布局如图1所示:

图1 精整加工线示意图

精整加工的工艺流程为:重轨经平立复合矫直机矫直、矫后台架缓冲、检测中心探伤、横移台架缓冲、分1#线、2#线、改尺线(通常用于加工再制品)、进入锯钻组合机床对重轨端部锯切、钻孔、到达淬火台架对重轨端部淬火、最后送入检查台架进行人工检查。整个生产过程由9台Siemens公司S7-300/400 PLC分区域控制，每部分采取I/O从站分布控制，通过Profibus-DP网与从站通讯、数据交换，实现对区域生产设备的操作和控制。

4 监控系统设计
为了保证整个系统的正常、稳定运行，在不改变原有网络配置结构的前提下，将监控系统与原有控制系统功能分离，增加一台工业计算机作为上位机执行显示、操作、报警、储存等，现有进行控制的PLC作为下位机执行保护、控制和数据的采集，脱离上位机也能独立对系统进行控制，此时要考虑上、下位机通讯的要求。同时精整加工线监控系统内容庞大，工作量大，开发监控程序时要考虑调试时间的问题。
由于Siemens公司的WinCC和S7-300/400 PLC具有良好的兼容性，可以在不同通讯协议下同时进行数据采集。在设计精整加工线监控系统时，采用WinCC。新增的工业计算机采用Windows 2000操作系统，组态软件为WinCC V5.0SP2中文版，编程软件为Step7 V5.1SP4，通过CP5611通讯卡(MPI/PROFIBUS)和网卡与下位机通讯;下位机采用S7-300/400系列PLC，共9组。在考虑经济性的前提下，同时采用MPI及以太网两种协议与上位机通讯，既11#电磁站PLC及6台锯钻组合机床PLC通过自身的MPI口与上位机CP5611通讯卡连接，组成MPI通讯网络，节约7块CP通讯板;矫直机PLC及4#电磁站PLC通过以太网通讯板CP443-1与上位机网卡连接，组成以太网。其通讯系统结构如图2所示:

图2 监控系统通讯结构图

5 监控软件设计
主控画面分辨率的设置为1024×768像素。画面显示分成三部分:总览部分、按钮部分和现场画面部分。总览部分位于画面上方，组态单位标识符、画面主题、登陆用户及PLC状态显示;现场部分位于画面中央，组态主画面及各个设备画面，需要完成监控主画面及各子画面的切换工作，根据需要更换画面窗口内显示的内容实现对单台设备进行更细致的显示;按钮部分位于画面的下方，组态画面中的固定按钮、日期和时间以及报警状态行。
精整加工线生产设备数量多，而且在一个水平面里布置，工艺连接密切，相互关联，如采用传统的显示方法—分级在多张画面内，则对一个不了解现场工艺的必然有一种工艺关联不上条理不清的感觉。于是充分利用了WinCC最大可建4096×4096画面的功能，在监控主画面内突破通常画面设计方式，以现场设备安装位置为参考，将矫直机开始至淬火台架的全部设备包含进来，非常直观的再现设备运行及生产情况。如图3所示。

图3 监控系统主画面图
由于监控主画面尺寸超过所使用图形系统(监视器的显示卡)的最大分辨率，可以使用画面窗口滚动条、鼠标滚动显示画面的其余部分，利用缩放按钮可以缩放现场画面。主要功能包括:
(1) 将生产现场成比例在监控主画面上放大或缩小显示，即可以了解画面上每个元件的详细信息又可直观了解生产工艺布局;
(2) 将监控主画面中每台运行设备(变频器、无触点、检测元件、驱动元件等)都用规定颜色指示设备的当前工作状态，如红色表示故障、黄色表示报警、绿色表示运行等，一目了然;
(3) 在帮助中集成事故处理预案，指导维护人员快速准确处理设备故障;
(4) 将生产线上重轨以紫红色线条表示，直观展现重轨现场分布及加工情况，即使坐在办公室也可掌握现场生产信息;
(5) 统计生产信息，如各区域产量、事故停机时间及计划外非事故时间等统计，产生生产记录，自动定时地存储在电子表格Excel中，并利用OEE(设备整体效能)的计算方法及产量图表对生产情况进行统计分析，为提高生产率提供理论依据;
(6) 对画面上的设备分组并标注传动号以区分及快速定位同类设备，为避免画面杂乱，通过按钮控制来显示或隐藏传动号等详细信息。
在设备故障的分析及处理过程中，通常对生产情况、设备运行情况及操作情况了解、掌握的越多，故障的查找越快速、越准确。这样，就需要对生产情况、设备运行情况及操作情况同时进行监控，但设备的画面是按功能设计，不是大而全，所以不能在一个画面里全部显示，例如一个操作台，可以控制几组设备，要是将它在每个单体设备的画面中显示，工作量大且乱。利用弹出式窗口，通过拖动和缩放，将操作台画面及单体设备画面在监控主画面中以不同位置和形状显示出来，即实现多窗口同时监控，又能保证按功能设计画面。如图4所示:

图4 多窗口同时监控画面图
在设备维护中需要将帮助信息集成在WinCC中，如设备事故预案、常见故障处理方法、对特定信号的说明等。直接在WinCC中创建窗口显示这些信息，存在以下不足:编辑和查找都不方便、工作量大、画面大小受限制，在一个画面里存放内容有限、不能显示图文并茂或内容多的帮助信息。因此，可以考虑将帮助信息建成标准的Windows帮助文件，然后利用WinCC API功能调用显示。

6 结束语
该监控系统运行以来，控制系统与监控系统一直稳定运行，对精整加工线的顺利运行、设备监控、高产起到了非常重要的作用。而基于WinCC的监控系统大大降低了设备维护难度，给设备维护人员带来了很大便利，提高了生产率。为以后自主开发更加完善的重轨加工线网络化、信息化生产管理系统打下基础。